Пристрій для діяння на потік плинного середовища

Изобретение относится к конструкции устройств для воздействия на поток текучей среды, а более конкретно, к конструкции струйных генераторов регулируемой гидродинамической кавитации в потоке. Наиболее близко к предлагаемому устройство, схема которого известна из книги Л.И. Седова "Механика сплошной среды", т.2, М., 1976, с.82. Оно имеет (хотя и не показанный явно) оеесимметричный проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и средства для возбуждения гидродинамической кавитации. Одно из этих средств имеет вид соосного проточному каналу плохо обтекаемого тела, которое прикреплено к стенке этого канала по меньшей мере одним фиксатором. Внутри этого тела выполнено также соосное проточному каналу выпускное отверстие для подачи возмущающей струи текучей среды навстречу ее основному потоку. Это отверстие сообщается с источником жидкости для формирования возмущающей струи через полость в теле фиксатора и отверстие в стенке проточного канала. Указанная возмущающая струя служит вторым средством возбуждения гидродинамической кавитации. Естественно, что изменением формы плохо обтекаемого тела и соотношения напора основного потока и напора возмущающей струи текучей среды можно в принципе регулировать кавитационный процесс. Однако использование в известном устройстве плохо обтекаемого тела в качестве основного средства возбуждения гидродинамической кавитации приводит к неоправданным гидравлическим потерям и обуславливает к.п.д. существенно ниже теоретически возможного. Далее, дополнительное генерирование каверн встречной струей, истекающей из полости плохо обтекаемого тела, приводит к тому, что наибольшие механические нагрузки от схлопывания каверн приходятся именно на указанное тело и его фиксатор(ы), что снижает надежность устройства. И, наконец, совмещение механического и гидравлического средств генерирования кавитационного режима вызывает интенсивные колебания в потоку, передаваемые на стенки канала, и превращает все устройство в мощный источник гидродинамического шума. Поэтому в основу изобретения положена задача путем усовершенствования средств организации взаимодействия основного потока с вводимой в него возмущающей струей создать такое устройство для воздействия на поток текучей среды с возбуждением регулируемой гидродинамической кавитации, в котором гидравлические потери и шумность были бы существенно снижены (а надежность и к.п.д., соответственно, повышены) и которое обеспечивало бы как можно более простое регулирование процессов генерирования и схлопывания каверн. Поставленная задача решена тем, что в устройстве для воздействия на поток текучей среды, имеющем осесимметричный проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и отверстие в стенке этого канала для подачи в основной поток возмущающей струи и возбуждения гидродинамической кавитации, согласно изобретению, указанное отверстие открыто непосредственно в полость канала, а его геометрическая ось пересекается с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -60° до +45°. При подаче возмущающей струи через открытое непосредственно в полость канала отверстие каверны образуется при незначительном дросселировании основного потока текучей среды, а их схлопывание существенно слабее отражается на надежности как самого устройства для воздействия на поток текучей среды, так и подключаемого к нему технологического оборудования (систем отопления, химических аппаратов и т.д.). Действительно, хаотичные колебания текучей среды при схлопывании каверн свободно распространяются вдоль канала преимущественно в текучей среде и довольно быстро самозатухают ниже по потоку за зоной взаимодействия струй, что снижает вибрации и шумность. Первое дополнительное отличие заключается в том, что устройство имеет по меньшей мере одно дополнительное выполненное в стенке проточного канала и также непосредственно открытое в его полость отверстие для подачи в основной поток дополнительной возмущающей струи той же самой или иной по составу текучей среды. Это позволяет при необходимости, во-первых, интенсифицировать кавитацию в ограниченном объеме или "растягивать" зону кавитации вдоль канала и, во-вторых, вводить в основной поток текучей среды разные по химическому составу текучие ингредиенты. Второе, дополнительное к первому отличие состоит в том, что отношение диаметра di каждого из отверстий в стенке канала к внутреннему диаметру Dк канала (di/Dк) не превышает 0,125. Это позволяет, вопервых, дополнительно повысить надежность предложенного устройства путем ограничения максимально возможных размеров каверн и, во-вторых, при необходимости наиболее эффективно формировать как основной поток, так и возмущающие струи от одного и того же источника текучей среды. Третье, дополнительное к первому отличие предусматривает, что выходы отверстий расположены по периметру канала примерно в одной поперечной плоскости. Это позволяет возбуждать наиболее интенсивную кавитацию в весьма ограниченной по объему части канала, что особенно важно при эмульгировании или суспендировании соответственно высоковязких жидких или прочных твердых материалов в текучей дисперсионной среде и при термомеханической обработке высоковязких материалов (в частности, при термомеханической деструкции полимеров). Четвертое, дополнительное к третьему отличие предусматривает, что указанные выходы отверстий для подачи возмущающих струй расположены на равных угловых расстояниях. В этом случае указанные выше преимущества предложенного устройства как средства диспергирования проявляются наиболее полно. Пятое, дополнительное к первому отличие предусматривает, что выходы отверстий для подачи возмущающих струй последовательно расположены вдоль канала. В этой форме выполнения при использовании предложенного устройства для нагрева текучей среды удается избежать локальных перегревов стенок канала, а при его использовании для диспергирования можно существенно уменьшить размер частиц эмульсии или суспензии при меньшей, чем в выше указанном случае, мощности единичных гидравлических ударов. Шестое, дополнительное к пятому отличие предусматривает, что точки пересечения геометрических осей отверстий для подачи возмущающих струй с геометрической осью канала расположены одна от другой на разных линейных расстояниях bi, которые выбраны с соблюдением следующих условий: b1 не менее 0,5Dк, считая по потоку от входа в цилиндрический участок проточного канала, b2 не менее 4d1, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси первого отверстия с геометрической осью проточного канала, и каждое дальнейшее bi не менее 4di-1 и, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси (i - 1) - ого отверстия с геометрической осью проточного канала, где Dк - уже указанный внутренний диаметр канала, a di - диаметры соответствующих отверстий. При соблюдении этих условий, как было экспериментально установлено, каждый последующий этап возбуждения кавитации в потоке текучей среды начинается после схлопывания каверн, образовавшихся при впрыске предшествующей возмущающей струи. Это делает процесс более "гладким" и дополнительно способствует повышению надежности предложенного устройства. Седьмое, дополнительное к первому отличие предусматривает, что в стенке указанного канала выполнено по меньшей мере одно отверстие для подачи газа в текучую среду, расположенное по ее потоку далее отверстия для подачи возмущающей струи. Основное преимущество такой формы выполнения предложенного устройства заключается в искусственном гашении кавитации ниже по потоку. Это особенно важно в тех случаях, когда предложенное устройство используется в качестве активатора химических процессов в чувствительных к чрезмерным термомеханохимическим воздействиям реакционных смесях. Другое преимущество такой формы выполнения предложенного устройства состоит в возможности сатурации текучей среды каким-либо полезным для ее последующего использования газом (например, при изготовлении шипучих напитков), а также в возможности повторного газирования таких текучих сред, как пиво, при их термомеханической стерилизации перед разливом в банки для длительного хранения. Восьмое, дополнительное к седьмому отличие предусматривает, что оно имеет одно отверстие для подачи газа в текучую среду, которое расположено по ее потоку далее последнего отверстия для подачи возмущающей струи. Этот частный вариант осуществления изобретательского замысла наиболее прост. Девятое, дополнительное к седьмому отличие предусматривает, что предложенное устройство имеет несколько отверстий для подачи газа в поток текучей среды, причем геометрические оси этих отверстий и отверстий для подачи возмущающих струй расположены примерно в одной плоскости. Эта форма выполнения предложенного устройства наиболее эффективна при сатурации текучей среды газами. Десятое, дополнительное к седьмому отличие предусматривает, что геометрическая ось каждого из отверстий для подачи газа пересекается с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -10° до +60°. При соблюдении этого условия гашение кавитации в текучей среде ниже по ее потоку от места подачи возмущающей струи происходит наиболее эффективно. Одиннадцатое дополнительное отличие предусматривает, что указанный канал для прокачивания основного потока текучей среды имеет цилиндрический участок и входной конфузор, раструб которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал. Тем самым обеспечивается ускорение основного потока текучей среды перед возбуждением кавитации. Двенадцатое, дополнительное к одиннадцатому отличие состоит в том, что предусмотрен по меньшей мере один байпасный патрубок, вход в который предназначен для подключения на выход средства нагнетания текучей среды в канал, а выход из которого открыт в цилиндрический участок канала и служит отверстием для подачи возмущающей струи текучей среды в ее основной поток. Тем самым создаются предпосылки для согласования напора основного потока текучей среды и возмущающих струй. Тринадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что байпасный патрубок имеет регулятор проходного сечения, что позволяет настраивать предложенное устройство на требуемые режимы кавитации непосредственно в процессе эксплуатации. И наконец, четырнадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что указанный байпасный патрубок подключен к средству нагнетания текучей среды через полость конфузора. Таким образом достигается наилучшее согласование напора основного потока текучей среды и напора возмущающей струи. На фиг.1 показано простейшее устройство для воздействия на поток текучей среды, продольный разрез; на фиг.2 - устройство для воздействия на поток текучей среды с множеством отверстий для подачи возмущающих струй и/или газа-успокоителя и/или иных материалов, продольный разрез; на фиг.3 поперечное сечение А - А на фиг.1; на фиг.4 - устройство для воздействия на поток текучей среды с одним отверстием для подачи газа-успокоителя кавитации, продольный разрез; на фиг.5 - устройство для воздействия на поток текучей среды с двумя разнонаправленными отверстиями для подачи возмущающих струй, продольный разрез; на фиг.6 - простейшее устройство для воздействия на поток текучей среды с входным конфузором, продольный разрез; на фиг.7 - устройство для воздействия на поток текучей среды с входным конфузором и байпасными патрубками, продольный разрез; на фиг.8 - схема теплогенераторной установки на основе устройства для воздействия на поток текучей среды, вид сбоку с частичным разрезом по баку-теплоаккумулятору; на фиг.9 - то же, что на фиг.8, вид сверху. Устройство для воздействия на поток текучей среды (см. фиг.1) как минимум имеет осесимметричный ограниченный стенкой 1 проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и по меньшей мере одно отверстие 2 в стенке 1 указанного канала для подачи возмущающей струи такой же или иной по химическому составу текучей среды в ее основной поток для возбуждения гидродинамической кавитации. Отверстие 2 должно быть непосредственно открыто в проточный канал, а его геометрическая ось должна пересекаться с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -60° до +45°. Здесь и далее углы наклона отсчитывают от условного 0°, соответствующего перпендикуляру к геометрической оси канала, ограниченного стенкой 1. При этом знаки [-] и [+] указывают на такие углы наклона геометрических осей отверстий 2 к геометрической оси канала, при которых возмущающие струи соответственно ориентированы либо навстречу, либо спутно основному потоку текучей среды. Следует отметить, что при абсолютной величине углов наклона в указанных пределах взаимодействие основного потока и возмущающей струи текучей среды с генерированием и схлопыванием каверн протекает наиболее эффективно. Действительно, как показали экспериментальные исследования, при углах более +45° процесс генерирования каверн становится тем более неустойчивым, чем более спутной основному потоку оказывается возмущающая струя, а при углах менее -60° процесс схлопывания каверн тем далее "растягивается" по длине осесимметричного канала, чем более встречной потоку оказывается возмущающая струя. Следует также отметить, что даже при одном отверстии 2 возможно использовать для формирования возмущающей струи такую текучую среду, химический состав и физические свойства (например, вязкость и/или плотность) которой существенно отличаются от состава и свойств текучей среды, используемой для формирования основного потока. Однако технологические возможности предложенного устройства существенно расширяются, когда количество отверстий 2 в стенке 1, непосредственно открытых в проточный канал и наклоненных к его геометрической оси под выбранными в указанном диапазоне углами, будет не менее (а предпочтительно более) двух. В этом случае возможны два основных варианта расположения выходов отверстий 2 относительно проточного канала: последовательно один за другим вдоль канала, как это видно на фиг.2, или по периметру канала примерно в одной плоскости и, предпочтительно, на равных угловых расстояниях, как это видно на фиг.3. Естественно, что при некоторых технологических потребностях не исключено и сочетание обоих вариантов расположения выходов отверстий 2. Действительно, при последовательном расположении выходов отверстий 2 зона кавитации "растягивается" вдоль канала, что позволяет в довольно мягком режиме эффективно диспергировать компоненты (например, капли жира в молоке) в составе текучей среды и/или вводить одинаковые или разные добавки в основной поток текучей среды и эффективно их перемешивать. Если же выходы отверстий 2 расположены по периметру проточного канала примерно ч одной плоскости, генерирование каверн происходит в весьма ограниченном объеме, что позволяет интенсивными гидравлическими ударами диспергировать даже высокопрочные твердые добавки к основному потоку текучей среды или эффективно механохимически деструктировать полимеры, кубовые остатки переработки (особенно высоковязких) нефтей, частицы резины и т.п. Специалисту понятно, что в последнем случае стенка 1 проточного канала вокруг зоны интенсивной кавитации для снижения опасности аварий может быть дополнительно армирована с использованием известных методов и средств. Однако независимо от схемы взаиморасположения отверстий 2 относительно проточного канала предпочтительно (см. фиг.2), чтобы отношение диаметра di каждого из отверстий 2 к внутреннему диаметру Dк канала (d i/Dк) не превышало 0,125. При выполнении этого условия практически исключаются перекрытие просвета проточного канала образующимися кавернами и, соответственно, их схлопывание с прямой (не опосредованной слоем текучей среды) передачей ударных импульсов на стенку 1. Кроме того, при формировании основного потока и возмущающих струй от одного и того же источника текучей среды удается стабилизировать размеры генерируемых каверн и уровень гидродинамического шума. Дополнительно следует отметить, что выходы последовательно расположенных вдоль проточного канала отверстий 2 (см. фиг.2) предпочтительно должны находиться на разных линейных расстояниях, которые выбраны с соблюдением следующих условий: b1 не менее 0,5Dк, считая по потоку от входа в цилиндрический участок проточного канала, b2 не менее 4d1, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси первого отверстия с геометрической осью проточного канала, и каждое дальнейшее bi не менее 4di-1, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси (i - 1) - ого отверстия с геометрической осью проточного канала, где Dк - уже указанный внутренний диаметр канала, a di - диаметры соответствующих отверстий 2. Как было выше отмечено, при таком расположении выходов отверстий 2 в проточный канал, каждый последующий этап возбуждения кавитации в потоке текучей среды обычно начинается после схлопывания каверн, образовавшихся при впрыске предшествующей возмущающей струи. Этот эффект, способствующий существенному повышению надежности предложенного устройства, особенно заметен при соблюдении также ранее указанного условия (di/Dк) < 0,125. Целесообразно (см. фиг.2 и 4) иметь в стенке 1 указанного канала по меньшей мере одно отверстие 3 для подачи газа в текучую среду, расположенное по потоку далее отверстия 2 для подачи возмущающей струи. При этом желательно, чтобы геометрическая ось каждого такого отверстия 3 для подачи газа пересекалась с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -10° до +60°. Эти углы наклона также отсчитывают от условного 0°, соответствующего перпендикуляру к геометрической оси канала, ограниченного стенкой 1. При этом знаки [-] и [+] указывают на такие углы наклона геометрических осей отверстий 3 к геометрической оси канала, при которых потоки газа соответственно ориентированы либо навстречу, либо спутно основному потоку текучей среды. Если отверстие 3 для подачи газа всего одно, то предпочтительно, когда оно расположено далее последнего отверстия 2 для подачи возмущающей струи (см. фиг.4). Если же имеется несколько отверстий 3, то желательно, чтобы геометрические оси этих отверстий 3 и отверстий 2 для подачи возмущающих струй были расположены примерно в одной плоскости (см. вновь фиг.2), а выходы отверстий 3 находились ниже по потоку относительно выходов предшествующих отверстий 2. Основная цель введения газа в поток кавитирующей текучей среды состоит в успокоении этой среды, снижении гидродинамического шума и, соответственно, повышении надежности устройства согласно изобретению как такового и технологических систем, в которые оно будет встроено. Естественно, что газ, используемый только для указанной цели, должен быть отделен от потока текучей среды после его успокоения и что такое отделение может быть обеспечено общеизвестными коммерчески доступными средствами. Однако технологические возможности, создаваемые описанной формой воплощения изобретательского замысла, этим не исчерпываются. Например, возможно применение описанного устройства для стерилизации таких шипучих напитков, как пиво. В этом случае использование отверстий 3 обеспечивает ресатурацию потока пива углекислым газом, выделившимся из него при нагреве. В одной из предпочтительных форм выполнения предложенного устройства (см. фиг.6) канал для прокачивания основного потока текучей среды имеет цилиндрический участок 4 и входной конфузор 5, раструб которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал. При этом желательно, чтобы каждое отверстие 2 для подачи возмущающей струи текучей среды в ее основной поток было выполнено как продолжение байпасного патрубка 6, который предназначен для подключения к упомянутому средству нагнетания, в частности, через полость конфузора 5, как это показано на фиг.7. Целесообразно также, чтобы каждый указанный байпасный патрубок 6 был снабжен регулятором 7 проходного сечения. Для дополнительного пояснения сущности предложенного устройства и возможностей его практического использования на фиг.8 и 9 схематически показана теплогенераторная установка. Она имеет электродвигатель (или иной источник энергии) 8, предпочтительно центробежный насос 9, бактеплоаккумулятор 10, придонная часть которого питающим патрубком 11 подключена на всас насоса 9, устройство 12 для воздействия на поток текучей среды, подключенное к нагнетательному патрубку насоса 9, и газовый (в частности, воздушный) резервуар-сепаратор 13, установленный над крышкой (или на крышке) бака-теплоаккумулятора 10 и включенный между газовой (воздушной) полостью указанного бака 10 и проточным каналом устройства 12. Для возбуждения и поддержания кавитационного режима в устройстве 12 предусмотрены (в частности, два, как видно на фиг.9) байпасных патрубка 6 с регуляторами 7 проходного сечения, соединяющие полость нагнетательного патрубка насоса 9 с цилиндрическим проточным каналом устройства 12 так, как это описано выше. Насос 9, устройство 12 и бак-теплоаккумулятор 10 в совокупности образуют контур рециркуляции текучей среды, к которому известным для специалистов образом могут быть подключены потребители тепловой энергии, например, общеизвестные батареи водяного отопления. Верхняя часть полости бака-теплоаккумулятора 10, резервуар-сепаратор 13 с газовым патрубком 14 и часть проточного канала устройства 12 в совокупности образуют контур рециркуляции газа (воздуха). Хотя это и не показано особо на фиг.8, выходы отверстий из байпасных патрубков 6 в проточный канал устройства 12 ориентированы, например, под углами около -45° навстречу основному потоку, а выход в ту же полость из газового патрубка 14 ориентирован, например, под углом около +40° спутно основному потоку текучей среды. Устройство для воздействия на поток текучей среды, описанное выше на разных примерах воплощения изобретательского замысла, может быть следующим образом использовано для возбуждения регулируемой гидродинамической кавитации. Как видно на фиг.1, сквозь ограниченный стенкой 1 проточный канал прокачивают под давлением основной поток текучей среды, который обозначен тремя параллельными стрелками. По меньшей мере одну возмущающую струю (той же, или иной) текучей среды, которая обозначена штриховкой, впрыскивают в указанный основной поток, что вызывает локальное падение давления жидкости в основном потоке ниже критического значения и образование каверн, которые обозначены осесимметричной (для данного случая с двумя отверстиями 2) кривой контурной линией. Эти каверны обычно дробятся на отдельные более мелкие "пустоты", которые самопроизвольно охлопываются ниже по потоку внутри проточного канала с преобразованием кинетической энергии напора основного потока текучей среды преимущественно в тепловую энергию и, в некоторой степени, в энергию механических колебаний (как правило, звуковой частоты). Регулирование кавитационного режима в таком простейшем варианте возможно изменением соотношения напора и/или расхода в основном потоке текучей среды и напора и/или расхода текучей среды в возмущающих струях. Как видно на фиг.2, через отверстия 3, выходы которых расположены ниже по потоку относительно выходов предшествующих отверстий 2, а основной поток текучей среды можно вдувать газ-успокоитель, облегчающий схлопывание каверн, или иной газообразный (ре)агент для насыщения текучей среды и/или проведения в ней химических реакций. В простейших же случаях, когда требуется лишь снижение уровня гидродинамического шума, достаточно вдувать газ-успокоитель через одно отверстие 3, расположенное по потоку ниже всех отверстий 2 (см. фиг.4). Как уже было сказано, при подаче возмущающих струй через несколько расположенных по периметру стенки 1 отверстий 2 (см. фиг.3) в основном потоке текучей среды можно генерировать весьма мощные гидравлические удары, достаточные для термомеханохимической обработки (преимущественно деструкции) олигомерных и полимерных материалов. Подача разнонаправленных возмущающих струй с использованием устройства согласно фиг.5 наиболее предпочтительна при кавитационном приготовлении эмульсий или суспензий из разных по химическому составу и свойствам материалов на основе произвольных жидких дисперсионных сред, используемых для формирования основного потока текучей среды. Дополнительный разгон текучей среды в конфузоре (см. фиг.6) способствует наиболее эффективному преобразованию кинетической энергии жидкости в тепловую энергию, а использование байпасных патрубков 6 (в особенности, с регуляторами 7 их проходного сечения и, соответственно, расхода текучей среды на формирование возмущающих струй позволяет эффективно влиять на генерирование каверн в основном потоке. При использовании устройства 12 для воздействия на поток текучей среды в составе теплогенераторной установки (см. фиг.8 и 9) в качестве основных особенностей его работы следует отметить непрерывно и одновременно протекающие рециркуляцию жидкого теплоносителя через бактеплоаккумулятор 10, сепарацию газа-успокоителя от жидкого теплоносителя в верхней части этого бакатеплоаккумулятора 10 и рециркуляцию газа-успокоителя через резервуар-сепаратор 13, газовый патрубок 14 и часть проточного канала устройства 12. Естественно, что приведенные примеры конструктивного осуществления изобретательского замысла и примеры технологических возможностей не исчерпывают все аспекты промышленного применения устройства согласно изобретению.