Кавітаційний енергетичний апарат

1 Кавітаційний енергетичний апарат, що містить корпус з патрубками підводу та відводу рідини, на внутрішній поверхні якого закріплені турбулізуючі елементи, та розміщений в ньому встановлений на привідному валу кавітатор, який відрізняється тим, що кавітатор виконаний у вигляді ротора із закріпленими на його бічній по верхні кавітуючими елементами з поперечним профілем, який утворений перетином щонайменше трьох циклоїдальних кривих, а турбулізуючі елементи виконані у вигляді пластин з циклоїдальною кривизною та розміщені на внутрішній бічній поверхні корпусу опуклою частиною в напрямку обертання ротора 2 Кавітаційний енергетичний апарат за п 1, який відрізняється тим, що кавітуючі елементи та турбулізуючі елементи розміщені паралельними рядами, причому КІЛЬКІСТЬ рядів турбулізуючих елементів на один більше, ніж КІЛЬКІСТЬ рядів кавітуючих елементів 3 Кавітаційний енергетичний апарат за одним з пп 1-2, який відрізняється тим, що турбулізуючі елементи закріплені під кутом до осьової площини корпусу 4 Кавітаційний енергетичний апарат за одним з пп 1-3, який відрізняється тим, що одна з торцевих поверхонь корпусу виконана у вигляді кришки з каналами підводу рідини Винахід відноситься до пристроїв для обробки рідини в умовах гідродинамічної кавітації, зокрема, до пристроїв для інтенсифікації технологічних процесів з виділенням тепла, перемішування, гомогенізації і може знайти застосування в ХІМІЧНІЙ, харчовій, целюлозо-паперовій, нафтопереробної, будівельній промисловостях Відомо кавітаційний реактор для обробки рідини (А с СРСР № 1773466, МКВ В 01 F 7/00, опубл 07 11 92, Бюл № 41), що має корпус, в якому ряди окремих обурюючих елементів, частина з яких виконана з профілем, утвореним перетином циклоїдальних кривих, закріплені на роторних деталях конструкції В апараті створено умови виникнення прямого гідродинамічного удару в умовах гідродинамічної кавітації у вихровому потоці Однак обробка рідини проводиться в циліндричній камері, що утворена двома дисками ротора, на яких закріплені обурюючі елементи, внаслідок чого швидкість руху один відносно іншого для окремих елементів, закріпле них на дисках ротора ближче до їх центральної частини, відносно мала і, крім того, відрізняється від такої для окремих елементів, що закріплені на периферійній частині вказаних дисків, при цьому має місце накладення кавітаційних каверн одна на іншу, що знижує ефективність і інтенсивність обробки рідини Крім того, конструкція даного апарата складна у виготовлені і не надійна в експлуатації Відомо пристрій для обробки рідини (патент СРСР № 1776196, МКВ В 01 F 7/00, опубл 15 11 92, Бюл № 42), в якому обробка рідини відбувається при взаємодії окремих робочих елементів, одна частина яких закріплена на ЗОВНІШНІЙ циліндричній або КОНІЧНІЙ поверхні ротора, що встановлений коаксиально в статорі, на внутрішній поверхні якого закріплена інша частина вказаних елементів При цьому рідина на кожній ДІЛЬНИЦІ обробки зазнає впливу порівнюваних сил Однак робочі елементи у вказаному пристрої виконані у вигляді зубців, причому зубці ротора О о 49020 розташовуються у западинах між зубцями статора і форма зубців ротора аналогічна зубцям статора та має при цьому дзеркальне відображення Такі конструктивні особливості вказаного апарата, зокрема, форма зубців, задають низькоенергетичний режим проведення реакцій в апараті при одночасній високій енергоємності Найбільш близьким до технічного рішення, що пропонується, є кавітаційний апарат (А с СРСР № 1694196, МКВ В 01 F 7/16, опубл ЗО 11 91, Бюл № 44), що містить корпус з патрубками підводу і відводу рідини, внутрішня поверхня якого устаткована турбулізуючими елементами, а в його порожнині розміщено робочий вал з кавітатором Такий пристрій забезпечує виникнення в рідині, що обробляється, кавітаційних явищ Однак за своїми характеристиками (розмір і форма каверни, величина тиску парогазової суміші всередині такої каверни, КІЛЬКІСТЬ енергії, що вивільняється при схлопуванні каверни і інш) кавітаційні явища, що виникають в циліндричній за формою робочій камері такого апарата поблизу його центральної ВІСІ симетрії, відрізняються від аналогічних явищ, що виникають в його периферійній частині Крім того, форма турбулізуючих елементів та їх розташування сприяє виникненню так званих «мертвих зон», де рідина прокручується не підпадаючи під істотний вплив кавітатора Зазначені вище недоліки не дають можливості повною мірою використовувати енергетичний потенціал рідини, що обробляється, і забезпечити однорідність такої обробки для всього потоку робочої рідини більше, ніж КІЛЬКІСТЬ рядів кавітуючих елементів Далі, згідно з винаходом, кавітуючі елементи можуть бути закріплені на поверхні деталі ротора під кутом до осьової площини корпусу, при цьому кут нахилу такого елемента - в напрямі, протилежному обертанню ротора На бічній поверхні ротора кавітуючі елементи можуть закріплятися в один або більше рядів паралельно діаметральній площині корпусу і розташовуватися в кожному з рядів однаково, відносно твірної бічної поверхні деталі ротора або зі зміщенням Таким чином, передбачається різноманіття сполучень конфігурацій кавітуючих елементів і їх просторового розташування, що забезпечує можливість застосування винаходу, який пропонується, для кавітаційної обробки рідин з різними реологічними властивостями Далі, згідно з винаходом, турбулізуючі елементи можуть бути закріплені на внутрішній поверхні корпусу під кутом до осьової площини корпусу Турбулізуючі елементи можуть розташовуватися декількома рядами, а в кожному з рядів однаково відносно твірної бічної поверхні корпусу або зі зміщенням Таким чином передбачається різноманіття сполучень просторового розташування турбулізуючих елементів в порожнині корпусу апарата, що забезпечує створення механізму, який перешкоджає прокрученню потоку рідини в порожнині корпусу і сприяє інтенсифікації процесу її обробки Задачею винаходу є розробка кавітаційного енергетичного апарата, конструктивні особливості якого забезпечували б обробку рідини в інтенсивному і водночас рівномірному за своїми гідродинамічними характеристиками кавітаційному полі Ця задача вирішується таким чином Кавітаційний енергетичний апарат містить корпус, наприклад, циліндричний, з патрубком осьового підводу рідини і патрубком відводу рідини У корпусі на його внутрішній бічній поверхні, наприклад, циліндричній, встановлені суміжно з обома його торцьовими поверхнями, утворюючи два ряди, турбулізуючі елементи, що являють собою пластини з циклоїдальною кривизною У порожнині корпусу соосно з патрубком підводу встановлений на валу ротор, виконаний у вигляді суцільної, порожнистої або частково порожнистої фігури обертання, наприклад, циліндра На бічній поверхні ротора закріплені окремі кавітуючі елементи, профіль яких утворений перетином щонайменше трьох циклоїдальних кривих Кожний такий елемент, одне з ребер якого розгорнуто назустріч руху потоку, тобто в напрямі обертання ротора, відстоїть один від іншого на достатній для утворення кавітаційної каверни відстані Площа перетину кавітуючого елемента в МІСЦІ його кріплення і на видаленому від деталі ротора краї може бути однаковою або меншати до віддаленого від деталі ротора краю Крім того, згідно з винаходом, корпус апарата може бути виконаний таким чином, що одну з його торцьових внутрішніх поверхонь утворює кришка, в якій можуть бути виконані канали підводу рідини, що з'єднують осьовий патрубок підводу рідини з порожниною корпусу Конструктивні особливості запропонованого апарата дозволяють вести інтенсивний процес кавітаційної обробки рідини, не припускаючи її прокручення і створюючи в потоці рідини, що обробляється, рівномірне кавітаційне поле Винахід пояснюється наступними кресленнями на Фіг 1 показаний поздовжній розріз кавітаційного енергетичного апарата, на Фіг 2 показані кавітуючі елементи, закріплені на бічній поверхні ротора, на Фіг 3 показаний розріз А-А корпусу апарата з турбулізуючими елементами, закріпленими на його внутрішній бічній поверхні, на Фіг 4 показаний поздовжній розріз кавітаційного енергетичного апарата з двома рядами кавітуючих елементів, на Фіг 5 показана схема руху рідини між турбулізуючими і кавітуючими елементами кавітаційного енергетичного апарата, на Фіг 6 показані варіанти профілю кавітуючих елементів, на Фіг 7 показаний один з варіантів виконання кавітуючого елемента, на Фіг 8 показаний один з варіантів установки кавітуючого елемента на роторі, на Фіг 9 показаний один з варіантів установки турбулізуючого елемента на внутрішній поверхні корпусу апарата, на Фіг 10 показаний один з варіантів виконання корпусу апарата з кришкою Далі, згідно з винаходом, кавітуючі і турбулізуючі елементи розміщуються ВІДПОВІДНО на ЗОВНІШНІЙ бічній поверхні ротора і внутрішній бічній поверхні корпусу правильними рядами паралельними діаметральній площині корпусу, при цьому КІЛЬКІСТЬ рядів турбулізуючих елементів на один Як показано на Фіг1, кавітаційний енергетичний апарат містить корпус 1 з патрубком підводу 2 і патрубком відведення 3 рідини На бічній поверхні корпусу закріплені турбулізуючі елементи 4 В корпусі 1 на валу 5 встановлений ротор 6, на якому закріплені кавітуючі елементи 7 49020 Як показано на Фіг 2, кавітуючі елементи 7, встановлені в ряд на роторі 6, виконані з профілем, утвореним перетином трьох циклоїдальних кривих, і розгорнені одним з ребер в напрямі обертання ротора 6 Як показано на Фіг 3, в корпусі 1 на його внутрішній бічній поверхні суміжно з його торцьовими поверхнями встановлені двома рядами турбулізуючі елементи 4, що являють собою пластини з циклоїдальною кривизною Як показано на Фіг 4, на роторі 6 кавітуючі елементи 7 можуть бути розташовані в два ряди, при цьому на бічній поверхні корпусу 1 закріплений додатковий, третій ряд турбулізуючих елементів 4 Використаний в конструкції принцип просторової організації кавітуючих елементів 7 і турбулізуючих елементів 4, при якому вони утворюють ряди і число рядів турбулізуючих елементів на один більше, ніж число рядів кавітуючих елементів, є найбільш раціональним при багаторазовій і однотипній обробці рідини як буде описано нижче КІЛЬКІСТЬ рядів вибирається технологічно Пристрій працює таким чином По патрубку підводу 2 рідина поступає в корпус 1 і попадає в проміжки між валом 5, що обертається з закріпленим на ньому ротором 6 з кавітуючими елементами 7, і оснащеною турбулізуючими елементами 4 поверхнею корпусу 1 Кавітуючі елементи 7 на високій швидкості проходять через потік рідини, що обробляється, при цьому за кожним з них утворюється кавітаційна каверна, хвостова частина якої інтенсивно розпадається на бульбашки, що схлопуються, з утворенням високошвидкісних мікроструй Одночасно з утворенням каверни, специфічний профіль кавітуючого елемента 7 створює по обидві сторони від себе ущільнені хвилі стрибка тиску, що являють собою по суті ущільнені струминки Ці ХВИЛІ попадають на турбулізуючі елементи 4, що відбивають і направляють їх на черговий кавітуючий елемент 7, викликаючи тим самим багаторазову кавітаційну обробку кожної струминки потоку з повторним и розподілом на нові струминки Після обробки рідина виходить з апарата через патрубок відведення З На Фіг 5 представлена схема руху окремих складових потоку рідини, яка обробляється між кавітуючими елементами 7 і турбулізуючими елементами 4 в апараті, що пропонується згідно з винаходом Кавітуючі елементи 7 рухаються в потоці рідини одним із ребер уперед, при цьому за кожним з вказаних елементів утворюється каверна Розділені вказаними елементами хвилі стрибка тиску у вигляді окремих ущільнених струминок в напрямах, що задані кривизною, яка визначає форму грані циклоїд, прямують на турбулізуючі елементи 4 По угнутій відображаючій поверхні вказаних елементів 4, турбулізуючись і отримуючи додаткове прискорення, кожна з таких струминок прямує назустріч черговому кавітуючому елементу 7 з профілем вказаної конфігурації, і кавітаційний процес, супроводжуючись періодичним перерозподілом потоку на струминки, повторюється Характер руху рідини і гідродинамічні характеристики кавітаційного поля при цьому не змінюються, але з кожним таким періодом обробки процес інтенсифікується При цьому, за рахунок впливу вказаних хвиль стрибка тиску на турбулізуючі елементи 4 і передні грані кавітуючих елементів 7, відбувається явище резонансу, що також сприяє інтенсифікації процесу обробки рідини Внаслідок такого впливу, в рідині, що оброблюється, порушуються міжмолекулярні зв'язки, які супроводжуються вивільненням великої КІЛЬКОСТІ енергії На представленій на Фіг 5 схемі приведений один з варіантів просторової організації кавітуючих і турбулізуючих елементів в кавітаційному апараті Конфігурація кавітуючих елементів, що використовуються в апараті, згідно з винаходом, може бути різною На Фіг 6 приведені варіанти профілю кавітуючих елементів 7, які утворені різними циклоїдами, число яких не менш трьох Вибір профілю кавітуючих елементів визначається реологічними властивостями рідини, яку передбачається обробляти в апараті Як показано на Фіг 7, площа перетину кавітуючого елемента 7 в МІСЦІ кріплення до деталі ротора 6 і на віддаленому від неї краї може меншати до краю, і в такому випадку вказаний елемент являє собою неправильну піраміду Така форма кавітуючого елемента 7 дозволяє змінювати форму каверни, що утворюється цим елементом Як показано на Фіг 8, кавітуючий елемент 7 може бути встановлений на деталі ротора під кутом У цьому випадку розміри каверни, що утворюється за ним, значно збільшуються Крім того, мікроструї, що утворюються, трохи інакше орієнтовані за допомогою граней вказаного елемента Кут нахилу в кожному конкретному випадку визначається інженерним розрахунком, в залежності від реологічних властивостей рідини, що обробляється, і може становити, наприклад, 45 - 60° Як показано на Фіг 9, турбулізуючі елементи 4 при установці на внутрішній бічній поверхні корпусу 1 також можуть бути орієнтовані під кутом відносно осьової площини апарата Кут нахилу в кожному конкретному випадку задається розташуванням в апараті кавітуючих елементів і також визначається інженерним розрахунком в межах 45 - 90°, в залежності від реологічних властивостей рідини, що обробляється Як видно з усього вищесказаного, кавітаційний енергетичний апарат, згідно з винаходом, може бути устаткований різною КІЛЬКІСТЮ конструктивних елементів різної конфігурації, що дозволяє обробляти в апараті рідини з різними реологічними властивостями або змінювати параметри обробки рідини за рахунок зміни характеру й руху Як показано на Фіг 10, торцьова стінка корпусу 1 з патрубком підводу 2 виконана у вигляді кришки 8 з каналами підводу рідини 9 Таке конструктивне виконання корпусу 1 забезпечує швидке і зручне збирання кавітаційного апарата при його експлуатаційному обслуговуванні Використання кавітаційного енергетичного апарата згідно з винаходом дозволяє, при відносно невисоких енергетичних витратах і невеликих габаритах пристрою, ефективно проводити у вказаному апараті різні технологічні процеси нагрівання, змішування або диспергування 49020 т Фіг. 2 Фіг. 1 Й-Й т t JL kJ Фіг. З 49020 Фіг. 4 3-0. Фіг. 5 Q Фіг. 6 10 11 49020 Фіг. 7 Фіг. 8 B-BlQ), Фіг. 9 12 13 14 49020 Види LJLULUL Фіг. 10 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71