SU1754194A1 - Кавитационный смеситель - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : смеситель содержит корпус пр моугольного сечени  с установленными внутри него цилиндрическими обтекател ми-возбудител ми кавитации . В каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверсти , сообщающиес  с радиальными отверсти ми меньшего диаметра. Последние выполнены равномерно по поверхности обтекател  за сечением, перпендикул рным скорости набегающего потока и отсто щим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто ние (0,01- 0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекател  В корпусе, начина  с периметра этого сечени , вниз по потоку в шахматном пор дке выполнены отверсти  меньшего диаметра 2 ил , 1 табл

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  смешивани , диспергировани  жидкости с жидкостью, жидкости с газом и может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и в других отрасл х промышленности. Например микробиологическом синтезе в качестве аэрирующего устройства , в аэротенках, дл  проведени  реакций между жидкостью и газом, дл  очистки и обеззараживани  природных и сточных вод с использованием кислорода, озона, хлора, химических реагентов и т.д.

Известно устройство дл  смешивани  жидкости с газом, содержащее смеситель, выполненный в виде корпуса-статора, на наружной поверхности которого размещены газораспределительные коллекторы с кольцевыми щел ми дл  ввода газа Внутри корпуса размещено перемешивающее устройство в виде полого ротора с патрубком дл  входа газа и с щелевыми отверсти ми на периферии дл  подачи газа, на наружной поверхности ротора размещены

изогнутые в сторону вращени  лопасти дл  подачи (прокачки) жидкости.

Недостатком этого устройства  вл етс  низка  степень диспергировани  газа в жидкости и низкое качество смеси, так как при этом не возникают в потоке большие силы, перемешивающие газ в жидкости. Кроме того, в этом устройстве использован довольно сложный ротор, выполн ющий роль как насоса, так и устройства дл  подачи газа. Следовательно, недостатком устройства  вл етс  также сложность конструкции. Все это снижает как интенсивность процесса перемешивани , так и качество получаемой смеси жидкости с газом, увеличивает энергозатраты на смесеобразование.

Известен также кавитационный смеситель , содержащий цилиндоический корпус с торцовыми отверсти ми дл  подвода и отвода среды, р ды конических обтекателей, размещенных радиально и закрепленных большими основани ми пб гТеримбтру корпуса во втулке, а меньшим основанием - по периметру полого центрального обтекател .

Ё

VI

сл

Ю

В корпус под давлением подаютс  смешиваемые компоненты и при обтекании конических обтекателей со скоростью выше критической создаютс  зоны кавитации за каждым р дом обтекателей, перемешивающие , диспергирующие обрабатываемую

среду.

Данный смеситель имеет тот недостаток , что дл  подачи компонента смеси, составл ющего меньшую часть перед первым р дом обтекателей, необходимо иметь дополнительный источник энергии, например насос, компрессор, что снижает экономичность процесса смешени . Кроме того, в данном смесителе не обеспечиваетс  равномерное распределение во всем объеме протекающей среды компоненты, составл ющего меньшую часть и, тем самым, не обеспечиваетс  высока  степень диспергировани  и высокое качество смеси.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  кавитационный реактор, содержащий корпус пр моугольного сечени , в котором перпендикул рно потоку установлены цилиндрические обтекатели-возбудители кавитации, за которыми в корпусе выполнены отверсти  дл  подачи компонента смеси, составл ющего меньшую часть.

При обтекании цилиндрических обтекателей со скоростью выше критической за ними образуетс  зона кавитации, куда через отверсти , расположенные за обтекател ми , подаетс  компонента смеси л перемешиваетс  с основным потоком. Этот реактор имеет тот недостаток, что в нем не происходит равномерного качественного перемешивани  компонент смеси, как подача компоненты осуществл етс  не в начало зоны кавитации, равномерно по всему объему в сечении между обтекател ми, между крайними обтекател ми и боковыми стенками, а лишь за обтекател ми снаружи потока. Поэтому получаетс  невысокое качество смеси в этом реакторе.

Цель изобретени  - интенсификаци  процесса перемешивани  и повышени  качества смеси за счет увеличени  степени диспергировани  и равномерной подачи компонента в зону кавитации.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверсти , сообщающиес  с радиальными отверсти ми меньшего диаметра , выполненными равномерно по боковой поверхности обтекател  за сечением, перпендикул рным оси корпуса и отсто щим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто ние (0,01-0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекател , а начина  с периметра этого сечени  вниз по потоку в

корпусе в шахматном пор дке выполнены отверсти  меньшего диаметра.

В предлагаемом смесителе смешение, диспергирование жидкости с жидкостью

или газом осуществл етс  за счет гидродинамической кавитации, возникающей при обтекании цилиндрических обтекателей- возбудителей кавитации, установленных поперек потока. Зона кавитации представ0 л ет собой область с глубоким вакуумом и с огромным количеством пузырьков (каверн), заполненных газом и паром жидкости. При кавитации в микрообъемах жидкости происходит схлопывание огромного количества

5 пузырьков с образованием местных гидравлических ударов, пульсаций давлени  (давлени  при этом достигают 10 МПа), кумул тивные струйки с огромной скоростью (200-400 м/с) дроб т каверны на мел0 кие части, создаетс  сильна  турбулизаци  потока, происход т термодинамические, электрохимические и другие процессы. Все это оказывает перемешивающее, диспергирующее действие на обрабатываемую сре5 ду. Таким образом, мощные силы более тонко и качественно перемешивают, диспергируют частицы среды, Газ или друга  компонента подводитс  через малые радиальные отверсти  в цилиндрических возбу0 дител х и в корпусе равномерно по всему объему протекающего потока в начало зоны кавитации. За зоной кавитации (ниже по течению) в области повышенного давлени  поток приобретает сплошность, а поступив5 ший газ или компонента оказываетс  равно- мерно в токодисперснном виде распределенной в потоке - основном компоненте смеси.

Равномерное поступление компоненты

0 смеси в зону кавитации осуществл етс  через малые радиальные отверсти  в цилиндрических обтекател х, в корпусе между обтекател ми, между крайними обтекател ми и боковыми стенками и в боковых стен5 ках. Радиальные отверсти  расположены равномерно по боковой поверхности обтекател  за сечением, перпендикул рным скорости набегающего потока и отсто щим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто0  ние (0,01 -0,174)R, где R - рйдиус цилиндрического обтекател , Малые отверсти  в корпусе располагаютс  в шахматном пор дке , начина  с периметра этого сечени  вниз по потоку, что позвол ет более равномерно

5 распредел ть компоненту смеси в основном потоке, Такое расположение малых отверстий в обтекател х и корпусе, как показывают проведенные нами опыты, объ сн етс  тем, что в этой зоне образуетс  глубокий вакуум, который подсасывает компоненту

смеси, составл ющую меньшую часть. При расположении этих отверстий выше сечени , перпендикул рного скорости набегающего потока и отсто щего вверх по потоку на рассто ние больше 0,174R, т.е. в лобовых част х цилиндрических обтекателей-возбудителей кавитации и в сечении корпуса, создаетс  избыточное давление, где нет вакуума. Малые отверсти , равномерно охватывающие потоки по периметру, позвол ют мелкими струйками равномерно со всех сторон подводить компоненту, составл ющую малую часть (газ), в основной поток в начало кавитации и, тем самым, качественно перемешивать, диспергировать компоненты смеси. За счет того, что при кавитации образуетс  глубокий вакуум в сжатом сечении, поступление компоненты в эту область осуществл етс  самовсасыванием . При этом не требуетс  дополнительного оборудовани  - насоса, компрессора дл  подачи компоненты смеси, - что уменьшает энергозатраты на смешивание.

На фиг. 1 изображен кавитационный смеситель, разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Смеситель содержит корпус 1 пр моугольного сечени , цилиндрические обтекатели 2 - возбудители гидродинамической кавитации. В обтекател х имеютс  осевые отверсти  3, сообщающиес  с малыми радиальными отверсти ми 4 на их поверхност х, размещенных за сечением, перпендикул рным скорости набегающего потока и отсто щим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто ние (0,01-0.174)R, где R - радиус цилиндрического обтекател . Имеютс  дополнительные отверсти  5 меньшего диаметра в корпусе, выполненные, начина  с периметра этого сечени  вниз по потоку, в шахматном пор дке между обтекател ми, между крайними обтекател ми и боковыми стенками и в боковых стенках, отверстий 6 дл  подвода компоненты, составл ющей меньшую часть в осевое отверсти  в обтекател х .

Отношение высоты обтекател  к его диаметру составл ет 0,8-1,2, отношение рассто ни  между обтекател ми между крайним обтекателем и боковой стенкой к его диаметру составл ет 0,4-1,1. Например, при цилиндрических обтекател х диаметром 10 мм их высота равна 8-12 мм, а рассто ние между ними, между крайним обтекателем и боковой стенкой 4-11 мм.

Смеситель работает следующим образом .

Компонента смеси, составл юща  большую часть, подаетс  под давлением на вход смесител . При обтекании цилиндрических

обтекателей 2 со скоростью выше критической (8 м/с) за ними образуютс  зоны кавитации , где, создаетс  глубокий вакуум (-0,97 кг/см2 - 97 кПа). Компонента смеси,

составл юща  меньшую часть, за счет вакуума подсасываетс  в зоны кавитации через отверсти  б в корпусе, осевые отверсти  3 в обтекател х, через малые отверсти  4 в обтекател х и через отверсти  5 в корпусе в

0 начале зоны кавитации и перемешиваетс  с компонентой, составл ющей большую часть. 8 зоне кавитации жидкость переводитс  в газообразное состо ние. Поэтому площадь контакта ср&Д ув еличТ/1ваёТс  вты5 с чи раз, что способствует тонкодисперсному , качественному перемешиванию смеси. Пульсаци  давлени  (давление повышаетс  до 103 МПа) от огромного количества схло- пыв ающихс  пузырьков, микроструйки, де0 л щие частицы на части, сильна  турбулизаци  потока в зоне кавитации способствует смесеобразованию высокого качества . За зоной кавитации поток приобретает сплошность, т.е. пузырьки ка5 витационные, заполненные паром компонент смеси, уже сконденсировались, т.е. захлопнулись.

С целью максимального использовани  энергии потока и регулировани  длины зо0 ны кавитации за первым р дом обтекателей нужно устанавливать второй р д обтекателей с эллиптическими сечени ми, имеющими возможность поворачиватьс  вокруг своих вертикальных осей и отсто щих от

5 первого р да на рассто нии 10-15 радиусов цилиндрического обтекател . При этом эллиптические возбудители будут выполн ть дво кую роль - сами  вл тьс  возбудител -. ми вторичной кавитации и регул торами

0 длины зоны кавитации за первым р дом возбудителей. При увеличении свободного сечени  между эллиптическими возбудител ми длина зоны кавитации за первым р дом увеличиваетс , а при уменьшении этого

5 сечени , наоборот, уменьшаетс  из-за увеличени  противодавлени  (подпора).

Расположение радиальных отверстий равномерно на поверхности цилиндрических обтекателей за сечением, перпендику0 л рным скорости набегающего потока и отсто щим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто ние (0,01-0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекател  и в корпусе , начина  с периметра этого сечени ,

5 между обтекател ми, между крайними обте кател ми и боковыми стенками и в боковых стенках установлены на основании проведенных исследований. В режиме кавитаци- онного обтекани  при различных расходах воды определ лось распределение давлени  по поверхности цилиндрического обтекател . Отбор давлени  производилс  через радиальное отверстие диаметром 1 мм и в осевое отверстие в обтекателе к образцовому вакуумметру и манометру.

В таблице в качестве примера приводитс  распределение давлени  по поверхности цилиндрического обтекател  диаметром 10 мм, обтекаемого в кавитаци- онном режиме со скоростью в сжатом сече- нии 36,35 м/с и относительной длине зоны кавитации Л 3 (отношение Длины зоны кавитации к диаметру обтекател ).

Из приведенных экспериментальных данных видно, что зона глубокого вакуума образуетс  ниже сечени , отсто щего от оси обтекател  вверх по потоку на рассто ние 0.174R. В кормовой части обтекател  также образуетс  глубокий вакуум, а в лобовой точке - избыточное давление.

Таким образом, предлагаемый кавита- ционный смеситель облада т п|юстой конструкцией , имеет малые габариты и его можно изготовить в любой мастерской практически на любой расход. С помощью пред- лагаемого смесител  за счет мощных сил, возникающих при кавитации, можно осуществл ть процессы смешени  на высоком уровне и просто регулировать интенсивность процесса смешивани  за счет измене- ни  интенсивности кавитации путем изменени  длины зоны кавитации.

Предлагаемый смеситель может успешно заменить громоздкие малоэффективные механические мешалки, имеющие в своем состаЕе электродвигатели, редукторы, резервуары и т.д.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Кавитационный смеситель, содержащий проточный корпус пр моугольного сечени  с отверсти ми в боковой стенке дл  подвода подмешиваемого компонента, цилиндрические обтекатели, установленные перпендикул рно оси корпуса, отличающийс  тем, что, с целью интенсификации процесса перемешивани  и повышени  качества смеси за счет увеличени  степени диспергировани  и равномерной подачи компонента в зоне кавитации, каждый обтекатель имеет осевое отверстие, сообщенное с отверстием в боковой стенке дл  подвода подмешиваемого компонента, и радиальные отверсти  меньшего диаметра, выполненные равномерно по боковой поверхности обтекател  за сечением, перпендикул рным продольной оси корпуса и отсто щим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто ние (0,,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекател , а начина  с этого сечени  вниз по потоку в боковой поверхности корпуса по его периметру в шахматном пор дке выполнены дополнительные отверсти  меньшего диаметра.

   фиг.1

   А-А

   (o,ot-arr4)K

   /////S///// /////. фиг. 2