RU2016646C1

RU2016646C1 - Cavitation reactor

Info

Publication number: RU2016646C1
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Савин; И.А. Шалобасов; В.А. Михайлов; В.М. Голубчиков; Э.П. Волков
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: disk high-speed cavitator with cylindrical cowls on disk mating the slots in damping screen is located in casing of a cavitation reactor. The cowls are mounted on the disk by triangle cross section supports, and the cowls are mounted in rows along the disk radiuses with the cowl diameter decreasing from the disk center to its periphery. The following relation 0,7≅a/D₁≅1,3 where "a" is the distance between the cowls, D₁ is the cowl diameter the closest to the disk center must be satisfied. EFFECT: improved structure. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области смешивания неоднородных жидкостей с различными физическими свойствами и может быть использовано для приготовления эмульсий, суспензий в пищевой, химической промышленности, в энергетике и т. п. при смешивании двух или более составляющих для производства водомазутных смесей, масла, маргарина, бумаги, красок, эмульсии октадециламина в воде и др. веществ. The invention relates to the field of mixing heterogeneous liquids with various physical properties and can be used for the preparation of emulsions, suspensions in the food, chemical industry, energy, etc. by mixing two or more components for the production of water-oil mixtures, oils, margarines, paper, paints, emulsions of octadecylamine in water and other substances.

Известен кавитационный реактор с прямоугольным корпусом и установленными в корпусе цилиндрическими обтекателями с насечкой на поверхности цилиндра, причем отношение расстояния между обтекателями к диаметру обтекателя равно 0,8-1,1, а отношение высоты обтекателя к его диаметру равно 0,8-1,2 [1]. Known cavitation reactor with a rectangular body and installed in the body of a cylindrical fairing with a notch on the surface of the cylinder, and the ratio of the distance between the fairing to the diameter of the fairing is 0.8-1.1, and the ratio of the height of the fairing to its diameter is 0.8-1.2 [1].

В реакторе недостаточно высок уровень навигации, ограничен объем и напор подачи кавитирующей жидкости возможностями насосных устройств, велика металлоемкость установки, что приводит к недостаточной эффективности кавитационного реактора. The level of navigation in the reactor is not high enough, the volume and pressure of the cavitating fluid supply are limited by the capabilities of pumping devices, the metal consumption of the installation is high, which leads to insufficient efficiency of the cavitation reactor.

Наиболее близким из известных реакторов к предложенному по технической сущности, по совокупности признаков и достигаемому эффекту является ротационная установка (испытательный стенд), основными элементами которой является рабочая камера в корпусе с вращающимся в ней диском, на котором перпендикулярно его плоской поверхности установлены три кавитатора через 120^о по окружности, кавитаторы выполнены в виде цилиндров, которые входят в круговые пазы неподвижно установленной успокоительной решетки [2].The closest known reactor to the one proposed in terms of technical nature, in terms of features and achieved effect is a rotational installation (test bench), the main elements of which are a working chamber in a housing with a rotating disk in it, on which three cavitators are installed perpendicular to its flat surface through 120 ^about the circumference, the cavitators are made in the form of cylinders that enter into the circular grooves of a motionless stilling grate [2].

Основные недостатки прототипа следующие. Цилиндрические обтекатели установлены непосредственно на плоской поверхности высокоскоростного кавитатора; обтекатели установлены по одному, то есть на диске всего три цилиндрических обтекателя; давление рабочей жидкости в корпусе постоянно, то есть не регулируется. The main disadvantages of the prototype are as follows. Cylindrical fairings are mounted directly on the flat surface of a high-speed cavitator; fairings are installed one at a time, that is, there are only three cylindrical fairings on the disk; the pressure of the working fluid in the housing is constant, that is, it is not regulated.

Целью изобретения является повышение эффективности реактора путем интенсификации кавитации. The aim of the invention is to increase the efficiency of the reactor by intensifying cavitation.

Цель достигается тем, что кавитационный реактор, в корпусе которого размещены снабженный приводом подвижный высокоскоростной кавитатор с установленными на нем цилиндрическими обтекателями и успокоительная решетка с выполненными в ней пазами, сопряженными с обтекателями на диске, дополнительно снабжен опорами, закрепленными на диске, на опорах установлены обтекатели, а ряды обтекателей размещены радиально с уменьшением диаметра обтекателей от центра к периферии диска, при этом должно быть дополнительно выполнено соотношение 0,7 ≅ a/D₁≅ 1,3, где а - расстояние между обтекателями; D1 - диаметр ближайшего к центру вращения обтекателя.The goal is achieved in that the cavitation reactor, in the housing of which a movable high-speed cavitator equipped with a drive with cylindrical cowls mounted on it and a soothing lattice with grooves made in it, paired with cowls on the disk, is additionally equipped with supports mounted on the disk, cowls are mounted on the supports and fairings rows arranged radially with decreasing diameter from the center cowls periphery of the disk, wherein the ratio of 0,7 ≅ a / D ₁ should be further adapted 1.3, and wherein - the distance between the fairing; D1 is the diameter of the fairing closest to the center of rotation.

При этом опоры выполнены треугольного сечения, не выходящего за пределы сечения каждого обтекателя. Кавитационный реактор снабжен регулятором давления рабочей жидкости в корпусе, например пневматическим. In this case, the supports are made of triangular section, not going beyond the limits of the section of each fairing. The cavitation reactor is equipped with a pressure regulator of the working fluid in the housing, for example pneumatic.

На фиг.1 изображен кавитационный реактор, поперечный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - схема ротационного стенда с кавитационным реактором; на фиг.4 - поперечный разрез по диску с установленным на диске цилиндрическим обтекателем на опоре треугольного поперечного сечения; на фиг. 5 - график кинетической зависимости относительной потери массы образцов от относительного расстояния установки цилиндрического кавитатора от диска. Figure 1 shows a cavitation reactor, a cross section; figure 2 is a view of figure 1; figure 3 is a diagram of a rotational stand with a cavitation reactor; figure 4 is a transverse section through the disk with a cylindrical cowl mounted on the disk on a support of a triangular cross section; in FIG. 5 is a graph of the kinetic dependence of the relative weight loss of the samples on the relative installation distance of the cylindrical cavitator from the disk.

Кавитационный реактор содержит корпус 1, диск 2, образец 3 для определения интенсивности кавитации, обтекатель 4, приводной электродвигатель 5, детали успокоительной решетки 6, смотровое окно 7 для наблюдения и фото- или киносъемки, область кавитационной каверны 8, опору 9 обтекателя, бак 10 водоподготовки, насос 11, корпус рабочей камеры 12 кавитационного реактора, теплообменный холодильник 13, запорную арматуру 14 на трубопроводах воды и воздуха, диаметр D1 15 расположения ближайшего к центру вращения обтекателей, диаметры 16, 17 расположения следующих обтекателей в ряду, патрубок 18 для подачи регулируемого давления воздуха, патрубок 19 для подачи технической воды в теплообменный холодильник 13, патрубки 20 для подачи ингредиентов смеси в корпус 1 кавитационного реактора. The cavitation reactor contains a housing 1, disk 2, a sample 3 for determining the cavitation intensity, a cowl 4, a drive electric motor 5, parts of a stilling grate 6, a viewing window 7 for observation and photographing, or filming, an area of the cavitation cavity 8, a cowling support 9, a tank 10 water treatment, pump 11, housing of the working chamber 12 of the cavitation reactor, heat exchange refrigerator 13, shutoff valves 14 on the pipelines of water and air, diameter D1 15 of the location of the fairing nearest the center of rotation, diameters 16, 17 of the following location x fairings in series, a branch pipe 18 for supplying regulated air pressure conduit 19 for feeding process water in a refrigerator heat exchanger 13, tubes 20 for supplying a mixture of ingredients into the housing 1 cavitation reactor.

Кавитационный реактор работает следующим образом. The cavitation reactor operates as follows.

Система бак 10 - корпус 1 - водоводы - насос циркуляционный 11 (фиг.3) заполняется конденсатом (дистиллированной водой) для обеспечения чистоты и стабильности эксперимента. Через патрубок 18 подается воздух, давлением которого регулируется давление воды в системе, через патрубок 19 подается техническая вода в холодильник 13 для регулирования температуры воды в системе реактора. Запускается асинхронный электродвигатель 5, вращающий диск 2, причем частота вращения регулируется частотным преобразователем типа ЭКТ 2Д-160/380 или другого типа. При этом в корпусе 1 кавитационного реактора создается высокоскоростное кавитационное течение (20-60 м/с) за счет вращения обтекателей 4 в воде относительно пазов успокоительной решетки 6, расположенной с двух сторон от обтекателей 4. Успокоительная решетка 6, установленная перед диском 2, снижает эффект вращения. Обтекатели 4 выполнены в виде металлических цилиндров с насечкой и установлены на диске 2 с помощью опор 9 (фиг.5) некруглого поперечного сечения - наилучшее с точки зрения эффективности кавитации - треугольное сечение опор 9. В экспериментах испытаны опоры 9 квадратного, круглого, ромбовидного сечения, при этом опытным путем доказано, что оптимален выбор опоры 9 треугольного сечения. Для наблюдения за работой реактора в одной из крышек корпуса 1 выполнено смотровое окно, перекрытое светопрозрачным материалом. В процессе испытаний варьировались три характерных параметра кавитационного течения длина кавитационной каверны l_к , что число кавитации κ , число Струхаля Sh. Длина каверны изменялась дискретно в пределах l_к = (1,5 - 5,0) d_ц , где d_ц - диаметр цилиндра обтекателя 4. Установка соответствующей длины каверны осуществляется регулированием статического давления в системе кавитационного реактора с помощью бака 10 (водо-воздушный бак) подачей воздуха в патрубок 18. Контроль за длиной каверны l_к или тарировка кавитационного реактора производится по рискам, нанесенным на полированный образец 3, установленный заподлицо с плоскостью диска 2, при освещении последнего стробоскопическим светом. Для варьирования числа Струхаля используются обтекатели с различным диаметром цилиндра, например 6, 12, 18 мм. Регистрация параметров и характера кавитационного течения производится двумя способами - методом синхронизированной фотосъемки и методом высокочастотной киносъемки ([2], 8000 кадров в 1 с) с использованием синхронизирующих контактов на валу диска 2. В качестве рабочей жидкости используется конденсат промышленной ТЭЦ. Перед каждым опытом система заполняется свежим конденсатом, который отстаивается 12 ч для удаления газа. В процессе проведения эксперимента периодически осуществляется контроль газосодержания в рабочей жидкости.The tank system 10 - housing 1 - water conduits - circulation pump 11 (Fig. 3) is filled with condensate (distilled water) to ensure the purity and stability of the experiment. Air is supplied through the pipe 18, the pressure of which controls the water pressure in the system, technical water is supplied through the pipe 19 to the refrigerator 13 to control the temperature of the water in the reactor system. An asynchronous electric motor 5 is started, the rotary disk 2, and the rotation frequency is regulated by a frequency converter of the type ECT 2D-160/380 or another type. At the same time, a high-speed cavitation flow (20-60 m / s) is created in the housing 1 of the cavitation reactor due to the rotation of the cowls 4 in the water relative to the grooves of the stilling grid 6 located on both sides of the fairings 4. The stilling grid 6 installed in front of the disk 2 reduces rotation effect. The cowls 4 are made in the form of notched metal cylinders and are mounted on the disk 2 using supports 9 (Fig. 5) of a non-circular cross section — the best in terms of cavitation efficiency — the triangular section of the supports 9. In the experiments, the supports 9 were square, round, diamond-shaped Moreover, it was experimentally proved that the choice of support 9 of the triangular section is optimal. To monitor the operation of the reactor in one of the covers of the housing 1, a viewing window is made, covered by a translucent material. During the tests, three characteristic parameters of the cavitation flow were varied: the length of the cavitation cavity l _k , which is the cavitation number κ and the Strouhal number Sh. The cavity length varied discretely in the range l _k = (1.5 - 5.0) d _c , where d _c is the diameter of the cylinder of the cowling 4. The corresponding cavity length is set by adjusting the static pressure in the cavitation reactor system using tank 10 (water-air tank) by supplying air to the nozzle 18. Monitoring the cavity length l _k or calibrating the cavitation reactor is carried out according to the risks applied to the polished sample 3, mounted flush with the plane of the disk 2, when the latter is illuminated with stroboscopic light. To vary the Strouhal number, fairings with different cylinder diameters, for example 6, 12, 18 mm, are used. The parameters and nature of the cavitation flow are recorded in two ways — the synchronized photography method and the high-frequency film method ([2], 8000 frames per second) using synchronizing contacts on the disk shaft 2. Condensate of an industrial thermal power plant is used as the working fluid. Before each experiment, the system is filled with fresh condensate, which is left to stand for 12 hours to remove gas. During the experiment, the gas content in the working fluid is periodically monitored.

В результате обработки кинопленок выявляют характерные параметры кавитационной каверны, определяющие ее активность, как основного действующего элемента в кавитационном реакторе. При обтекании подвижных цилиндров в ряду в отличие от неподвижного кавитационная зона имеет сложную структуру и образуется наложением кавитационных каверн трех типов: поперечно-вихревой, продольно-вихревой и торцевой, причем частоты срыва каверны различных типов различаются между собой. Сложный характер кавитационного течения обусловлен также действием центробежных сил, отсутствующих в случае неподвижных цилиндров [1] . Характер кавитации при смешивании разных веществ различен и требует отдельного исследования для каждого набора ингредиентов в смеси. При этом варьируются длина и скорость роста кавитационных каверн, частота срыва и скорость отрыва каверн, скорость схлопывания каверн, причем последним показателем в значительной мере определяется кавитационная эффективность выбранного режима. Например, в одном из исследований доказано, что добавление в воду незначительного количества поверхностно-активного полимера октадециламина снижает динамические свойства кавитационных каверн, то есть уменьшает эрозионную активность каверн [2]. As a result of processing the films, the characteristic parameters of the cavitation cavity are determined, which determine its activity as the main active element in the cavitation reactor. When flowing around moving cylinders in a row, in contrast to the stationary one, the cavitation zone has a complex structure and is formed by the superposition of cavitation cavities of three types: transverse-vortex, longitudinal-vortex, and end, and the breakdown frequencies of different types of caverns differ. The complex nature of the cavitation flow is also due to the action of centrifugal forces, which are absent in the case of motionless cylinders [1]. The nature of cavitation when mixing different substances is different and requires a separate study for each set of ingredients in the mixture. In this case, the length and growth rate of cavitation cavities, the frequency of disruption and the rate of separation of caverns, the speed of collapse of the caverns vary, and the cavitation efficiency of the selected mode is largely determined by the last indicator. For example, in one study, it was proved that the addition of a small amount of the surface-active octadecylamine polymer to water reduces the dynamic properties of cavitation cavities, that is, reduces the erosive activity of caverns [2].

Экспериментальным путем установлено, что максимальная активность кавитационного процесса возникает при относительной длине кавитационной каверны, равной 2,5 диаметр цилиндра обтекателя. Длина каверны регулируется подбором соответствующего давления в корпусе 1 при заданной частоте вращения диска 2. It has been experimentally established that the maximum activity of the cavitation process occurs when the relative length of the cavitation cavity is equal to 2.5 the diameter of the cylinder of the fairing. The length of the cavity is controlled by the selection of the appropriate pressure in the housing 1 at a given speed of the disk 2.

При установке в радиальном ряду на диске 2 цилиндрических обтекателей 4 одинакового диаметра, за каждым из обтекателей 4 образуются каверны 8 разной длины, поскольку длина каверны 8 увеличивается по мере удаления обтекателя от центра вращения за счет увеличения окружной скорости перемещения обтекателя 4. Для обеспечения одинаковой в ряду обтекателей 4 длины каверны 8 в одном ряду устанавливают цилиндрические обтекатели 4 с равным диаметром цилиндра, при этом уменьшают их диаметр по мере удаления от центра вращения диска 2. Оптимизация геометрических характеристик, в частности диаметров цилиндров обтекателей 4 и расстояния между ними проводится экспериментальным путем. Интенсивность кавитационного воздействия оценивают по потере массы образцов 3, выполненных из листового алюминия прямоугольной формы. When installing in a radial row on the disk 2 cylindrical fairings 4 of the same diameter, caverns 8 of different lengths are formed behind each fairing 4, since the length of the cavity 8 increases as the fairing moves away from the center of rotation due to an increase in the peripheral speed of the fairing 4. To ensure the same a number of fairings 4 the lengths of the cavity 8 in one row set cylindrical fairings 4 with an equal diameter of the cylinder, while reducing their diameter with distance from the center of rotation of the disk 2. Optimization of geome -empirical characteristics, in particular fairings cylinder bore 4 and the distance between them is carried out by experimentation. The intensity of cavitation exposure is estimated by the loss of mass of samples 3 made of rectangular aluminum sheet.

Оценка повышения эффективности кавитационного процесса показывает в эксперименте рост в сравнении с прототипом в 1,5-2 раза (на 50-100%) в зависимости от состава смеси. Evaluation of the increase in the efficiency of the cavitation process shows in the experiment growth in comparison with the prototype by 1.5-2 times (by 50-100%) depending on the composition of the mixture.

Совокупность всех перечисленных выше признаков изобретения, а именно: снабжение реактора опорами, например, треугольного сечения, закрепленными на диске, и установка на опорах цилиндрических обтекателей, размещение рядов обтекателей радиально с уменьшением диаметра обтекателей от центра диска к его периферии с повышением при этом соотношения 0,7 ≅ а/D₁ ≅ 1,3, где а - расстояние между обтекателями, D₁ - диаметр цилиндра, ближайшего к центру вращения обтекателя, - обеспечивает повышение эффективности реактора путем интенсификации кавитационного процесса в 1,5-2 раза, при этом совокупное использование всех признаков изобретения в одном устройстве обеспечивает работоспособность. Регулятор давления рабочей жидкости в корпусе 1 с помощью бака 10 водоподготовки обеспечивает регулирование уровня кавитации, выбор оптимального режима для каждого отдельного набора ингредиентов смеси, подаваемой в кавитационный реактор.The totality of all the above features of the invention, namely: supplying the reactor with supports, for example, of triangular section, mounted on the disk, and installing cylindrical cowls on the supports, arranging rows of cowls radially with decreasing diameter of cowls from the center of the disk to its periphery with increasing ratio 0 , 7 ≅ a / D ₁ ≅ 1.3, where a is the distance between the fairings, D ₁ is the diameter of the cylinder closest to the center of rotation of the fairing, which improves the efficiency of the reactor by intensifying the cavitation 1.5-2 times of the process, while the combined use of all the features of the invention in one device ensures operability. The pressure regulator of the working fluid in the housing 1 using the tank 10 water treatment provides regulation of the level of cavitation, the choice of the optimal mode for each individual set of ingredients of the mixture fed into the cavitation reactor.

Как показал анализ патентной и научно-технической литературы, благодаря совокупности отличительных признаков у заявляемого устройства появляется новое свойство, ведущее к достижению нового положительного эффекта, заключающегося в повышении эффективности кавитационного реактора и снижению металлоемкости в сравнении с ранее заявленными изобретениями. As shown by the analysis of patent and scientific literature, due to the combination of distinctive features of the claimed device, a new property appears, leading to the achievement of a new positive effect, which consists in increasing the efficiency of a cavitation reactor and reducing metal consumption in comparison with the previously claimed inventions.

Claims

1. CAVITATION REACTOR, in the housing of which a movable high-speed cavitator is provided with a drive in the form of a disk with cylindrical cowls mounted on it and a soothing lattice with grooves made in it, mating with cowls on the disk, characterized in that the reactor is equipped with supports mounted on the disk, on which the fairings are installed, and the rows of fairings are arranged radially with a decrease in the diameter of the fairings from the center to the periphery of the disk, and the ratio
0.7 ≅ a / D ₁ ≅ 1.3,
where a is the distance between the fairings;
D ₁ is the diameter of the fairing closest to the center of rotation.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the supports are made of triangular section, not going beyond the cross section of each fairing.

3. The reactor according to claim 1, characterized in that the reactor is equipped with a pressure regulator of the working fluid in the housing, for example pneumatic.