WO2019032076A1 - Кавитационный аппарат для обработки жидких сред - Google Patents
Кавитационный аппарат для обработки жидких сред Download PDFInfo
- Publication number
- WO2019032076A1 WO2019032076A1 PCT/UA2017/000115 UA2017000115W WO2019032076A1 WO 2019032076 A1 WO2019032076 A1 WO 2019032076A1 UA 2017000115 W UA2017000115 W UA 2017000115W WO 2019032076 A1 WO2019032076 A1 WO 2019032076A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- chamber
- cavitation
- cavitators
- rotor
- liquid media
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
- B01F27/60—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis
- B01F27/73—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis with rotary discs
Definitions
- the invention relates to devices intended for the treatment of liquid media by creating cavitation in the flow to influence them with the aim of changing their properties, and can be used to implement various technological processes (modification, grinding, dispersing, mixing, emulsifying, homogenizing, activating, disinfection, heating, etc.), flowing in liquid media in the mining, oil, fuel, chemical, pharmaceutical, food and other industries.
- Cavitational devices for the treatment of liquid media are widely known, the principle of operation of which is based on the excitation of hydrodynamic oscillations in a rotor-stator pair with toothed elements.
- Requirements for hydrodynamic devices can vary significantly, depending on the problem to be solved.
- the degree of impact on the treated liquid medium in hydrodynamic devices mainly depends on three main parameters - the velocity of the liquid relative to the solid surface, the gap between the solid surfaces and the residence time of the liquid in the treatment area.
- the energy costs of processing in addition to the above parameters, also depend on the density and viscosity of the liquid.
- Known rotary hydrodynamic cavitation apparatus for processing liquid media comprising a housing with nozzles for supplying and discharging the processed liquid medium and a working chamber, inside which a stator containing at least one concentric row of cavitators and a rotor mounted on the drive shaft are mounted coaxially blades and at least one concentric row of cavitators, while the number of rotor cavitators in the row is a prime number not less than 7 and increases in each subsequent concentric skom row in a direction away from the drive shaft to the periphery [1].
- the disadvantage of this device is that the design is suitable only for work with low fluid pressure at the inlet. With increasing inlet pressure, a significant force is applied to the rotor, which is transmitted to the rotor suspension. In this case, the design of the suspension is much more complicated, the weight increases and the life of the suspension bearings is reduced. It is also possible their failure of bearings and bearings in case of exceeding the maximum rating load.
- a cavitation generator comprising a housing with an internal working chamber and nozzles for supplying and removing fluid from the chamber, a drive shaft placed in the chamber and mounted on the shaft activator - a rotor made in the form of a disk, on which along the normal to its lateral surfaces along the radius, mobile cavitators are mounted on streamlined pylons overlapping the working chamber with a certain gap from its end walls, and on the end walls of the working chamber also on streamlined pylons are installed similar motionless cavitators [2].
- the disadvantages of the known device prototype include the following: it is not able to work with significant inlet pressure, designed for low productivity, there is only one row of cavitators on the rotor, and one row of cavitators on the diameter line on the end walls of the chamber. As a result, only a small part of the volume of the chamber is used to process the liquid, which leads to a decrease in the quality of the treatment. At the same time, most of the liquid in the chamber rotates as a whole and is not exposed to cavitation, that is, the completeness of processing is not achieved. In addition, to fill the entire chamber, that is, to allow fluid to pass from the inlet to the second part of the chamber behind the disk, the liquid must bypass this disk along the outer edge. In this case, part of it is removed from the chamber through the outlet, without being subjected to cavitation. It also affects the completeness and quality of processing of liquid media, which generally reduces the efficiency of their cavitation treatment.
- the objective of the invention is to eliminate these disadvantages and the development of an effective design of a cavitation apparatus for the treatment of liquid media.
- the basis of the invention is the task of improving the cavitation apparatus for processing liquid media, in which there is no axial load on the rotor suspension bearings when work with excess pressure at the inlet, which leads to simplification of the bearing assembly, reducing the total weight of the structure and increasing the reliability and service life of the cavitation apparatus, as well as maximally using the volume of the chamber for processing and achieving multiple cavitational effects on the entire fluid volume in a single pass, which increases the completeness and quality of the treatment fluid, and in general increases the efficiency of cavitation processing.
- a cavitation apparatus for processing liquid media comprising a housing with a working chamber of cylindrical shape and nozzles for supplying and expelling fluid from the chamber, a drive shaft placed in the chamber and a rotor mounted on it which, along the normal to the lateral surfaces along the disk radius, are mounted movable cavitators, which overlap the working chamber with a certain gap from its end walls, and similar Fixed cavitators, with their corresponding displacement relative to each other along the radius, according to the invention, in the rotor disk near the shaft holes with a total cross section not less than the cross-sectional area of the inlet nozzle are made; movable and fixed cavitators are made in the form of a parallelepiped and arranged in concentric rows, is not less than three, while the distance between the cavitators of one concentric row is not less than 5 times less than the length of the cavitator.
- the use of the proposed cavitation apparatus for processing liquid media is characterized by the fact that in the side walls of the chamber from different sides are installed inlet nozzles for supplying liquid separately into each half of the chamber.
- the use of the claimed invention provides a technical result, which consists in eliminating the axial load on the suspension bearings when working with excess fluid pressure at the inlet, which leads to a simplified design of the bearing unit, reducing the overall weight of the structure and increasing the reliability of the cavitation apparatus, improving the quality of processing due to reusable cavitation effect on the entire volume of fluid in a single pass, increasing the completeness of processing due to the maximum use mations chamber volume.
- Elimination of axial load on the bearings of the suspension is achieved by making holes in the rotor disk near the shaft with a total cross section not less than the cross-sectional area of the inlet nozzle.
- figure 1 shows a General view of the cavitation apparatus for processing liquid media with one inlet pipe run
- figure 2 General view of the cavitation apparatus for the treatment of liquid media with two inlet nozzle run
- Fig. 3 shows a cross section of a cavitation apparatus for treating liquids perpendicular to the axis of rotation of the rotor along the line A-A, Figures 1, 2
- figure 4 presents a graph of the number of cavitation for water, depending on the pressure and speed at the periphery of the rotor
- figure 5 shows the connection diagram of a cavitation apparatus for processing liquid media, which was used to test its performance.
- the cavitation apparatus for processing liquid media includes a housing 1 with suspension bearings 2, a working chamber 3 of cylindrical shape, in which there is an inlet 4 and an outlet 5 nozzle for supplying and expelling fluid from the chamber.
- the drive shaft 6 on which is mounted a rotor 7, made in the form of a disk, on which normal to the side surfaces along the radius of the rotor disk 7 are mounted movable cavitators 8, which overlap the working chamber 3 with a certain gap from its end walls 9.
- working chambers 3 also installed similar fixed cavitators 10, with a corresponding displacement relative to each other along the radius.
- holes 1 1 are made with a total cross section not less than the cross-sectional area of the inlet nozzle 4.
- the movable 8 and fixed 10 cavitators are made in the form of a parallelepiped and arranged in concentric rows, the number of which is at least three (see FIG. H). At the same time, the distance between the cavitators 8, 10 of one concentric row is not less than 5 times less than the length of the cavitator (see Fig. 3).
- the design of the proposed cavitation apparatus may have along the axis of the working chamber 3 a single inlet 4 (see Figure 1) or two inlet 4, which are installed in the end walls 9 of the chamber 3 from its different sides (see Fig.2 ), where the holes for the supply of fluid separately in each half of the chamber.
- the number and configuration of the inlet nozzles 4 (see Figures 1, 2) of the proposed cavitation apparatus depends on the dynamic viscosity of the treated fluid, that is, the property of the fluid with minimal resistance to equalize pressure drops.
- the rotor disk 7 divides the working chamber 3 into two equal parts.
- the rotor 7 rotates through the shaft 6.
- holes 1 1 are made centrally symmetrically with respect to the axis of rotation for the flow of fluid from one half of the chamber to the other.
- the total area of the holes 1 1 must be at least the area of the inlet pipe 4 so that the dynamic resistance when the flow of half of the total fluid flow from the area in front of the disk to the area behind the disk was minimal.
- the proposed cavitation apparatus for processing liquid media can be repeatedly implemented in the petrochemical, chemical and other fields in industrial production conditions using standard known equipment, to obtain the stated expected technical result.
- the claimed cavitation apparatus for processing liquids with one inlet works as follows (see Fig. 1, 3).
- the processed fluid under pressure through the inlet 4 enters the part of the working chamber 3 in front of the rotor 7, where it is divided into two streams - half of the liquid remains in the space in front of the rotor 7 and the other half through the holes 1 1 in the rotor disk 7 enters the space behind the rotor 7 working chamber 3. Due to the overpressure at the inlet and the centrifugal effect of the rotating rotor 7, the fluid in two streams passes through the gaps between the moving cavitators 8 and the fixed cavitators 10 and is repeatedly subjected to cavitation from the effects and mixing. After reaching the periphery of the rotor 7, the treated fluid is removed from the chamber 3 through the outlet 5.
- the cavitation flow is characterized by a dimensionless parameter - the number of cavitation.
- the cavitation number is determined by the formula [3]:
- a v (Pintet - Pv (T)) / pV p 2 , where: ⁇ ⁇ is the cavitation number, Pintet is the inlet pressure, Pv (T) is the pressure of saturated liquid vapors at a certain temperature, p is the density of a liquid medium, V - flow rate at the periphery.
- Table 1 shows the values of cavitation number ⁇ for water, depending on the pressure and speed at the periphery of the rotor.
- Figure 4 shows graphs of the number of cavitation ⁇ ⁇ for water versus pressure and peripheral speed at the periphery of the rotor, where it is marked: 1 - plot of dependency at a pressure of 0.1 MPa (1 atm.), 2 - plot of dependency at a pressure of 0.5 MPa (5 atm.), 3 - dependence graph at a pressure of 1 MPa (10 atm.).
- 1 - plot of dependency at a pressure of 0.1 MPa (1 atm.)
- 2 - plot of dependency at a pressure of 0.5 MPa 5 atm.
- 3 - dependence graph at a pressure of 1 MPa (10 atm.).
- persistent cavitation at a pressure of 0.1 MPa begins at a speed of about 10 m / s, at lower speeds - laminar flow.
- the load on the rotor suspension was calculated on the basis of the pressure difference in the inlet 4 and the outlet 5 of the working chamber 3 and the surface area of the rotor 7 in a section perpendicular to the axis (see Fig. 3). So, for water treatment at a temperature of 20 ° C and work with a pressure difference of 1 MPa (10 atm.) In the inlet 4 and in the outlet 5 of the working chamber 3 in the mode of resistant (film) cavitation ( ⁇ ⁇ ⁇ 1), (see Table 1 and Fig. 4), the speed at the periphery of the rotor should be about 35 m / s.
- the rotor disk 7 For a standard drive with an engine of 3000 revolutions per minute, the rotor disk 7 should be 223 mm in diameter, while the estimated axial load on the suspension for the prototype is 3910 kg. Compared with the prototype, in the proposed device when it is working with excess pressure at the inlet, there is no axial load, which greatly simplifies the design of the suspension and bearing assembly. This reduces the weight and size, which leads to a decrease in the total weight of the cavitation apparatus and an increase in its reliability.
- the wiring diagram (see Figure 5) that was used for performance checks, includes: 1 - tank for water-in-oil emulsion, 2 - gear pump, 3 - cavitation apparatus for processing liquid media, 4 - pressure gauge measuring fluid pressure in the inlet nozzle, 5 - pressure gauge that measures the fluid pressure in the output nozzle (see Figure 1).
- a water-oil emulsion in a water-oil ratio was used as a treated liquid medium, in percentage ratio equal to 95/5. Oil addition was necessary to ensure the passport operating conditions of the gear pump. Processing was carried out in flow-through mode.
- test was carried out as follows: water-oil emulsion from tank 1 with gear pump 2 was supplied under pressure to input 3 of the cavitation apparatus, where it was processed, after which the emulsion returned to tank 1. Pressure at input 3 to the cavitation apparatus was controlled by changing the rotational speed shaft gear pump 2, and was measured with a pressure gauge 4, the pressure at the outlet - pressure gauge 5.
- the performance of the present invention was estimated by the magnitude of the axial load on the bearings of the suspension. It is known that an increase in the load on the bearings of the suspension leads to an increase in the friction force, which in turn causes an increase in the temperature of the bearings during operation. Bearing temperature was measured through a hole in the suspension using a thermometer bimetallic TBU-100, accuracy class 1, with a measurement range of 0-420 ° C.
- the axial load for the device according to the prototype was calculated based on the rotor area in cross section perpendicular to the axis (see Fig. 3) and the pressure difference ⁇ at the inlet and outlet of the cavitation device.
- the rotors in both devices had a diameter of 225 mm.
- the rotor was driven by an AIRM1 12M2 electric motor with a frequency of rotation of 2895 revolutions per minute. With the specified parameters, the peripheral speed of the rotor in the periphery was 34.1 m / s.
- the results were averaged according to data from no less than three experiments, the data were recorded after the suspension temperature stabilized.
- the ambient temperature during the testing period ranged from 19-23 ° C.
- the temperature of the suspension bearings taking into account fluctuations in ambient temperature, lies within the statistical error, which confirms the absence of axial load on the rotor suspension when the device operates with overpressure fluid inlet. And this allows you to simplify the whole structure. In this case, the dimensions and weight of the suspension are significantly reduced, which leads to a decrease in the total weight of the structure and an increase in the reliability and service life of the cavitation device.
- the proposed cavitation apparatus for the treatment of liquid media can be used for the treatment of multicomponent liquids, under pressure, including for the modification of petroleum and petroleum products, as well as used as a chemical reactor, where cavitation is used as the initiator and catalyst of reactions.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Centrifugal Separators (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для создания кавитации в потоке жидких сред для воздействия на них с целью направленного изменения их свойств, и может быть использовано, преимущественно в нефтяной и химической промышленности. Кавитационный аппарат для обработки жидких сред содержит корпус с рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на нем ротор, выполненный в виде диска. В заявленном устройстве в диске ротора вблизи вала выполнены отверстия с общим сечением не менее, чем площадь сечения входного патрубка, подвижные и неподвижные кавитаторы выполнены в форме параллелепипеда и расположены концентрическими рядами, число которых составляет не менее трех, при этом, расстояние между кавитаторами одного концентрического ряда не менее, чем в 5 раз меньше, чем длина кавитатора. Технический результат - устранение осевой нагрузки на подвеску при работе с избыточным давлением жидкости на входе, что приводит к упрощению конструкции камеры и подвески подшипникового узла, уменьшению веса, увеличению надежности кавитационного аппарата, а также повышению качества и полноты обработки жидких сред.
Description
АВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД
Область техники
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки жидких сред путем создания кавитации в потоке для воздействия на них с целью направленного изменения их свойств, и может быть использовано для осуществления различных технологических процессов (модификации, измельчения, диспергирования, перемешивания, эмульгирования, гомогенизации, активации, обеззараживания, нагревания и др.), протекающих в жидких средах, в горнорудной, нефтяной, топливной, химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Предшествующий уровень техники
Широко известны кавитационные аппараты для обработки жидких сред, принцип работы которых основан на возбуждении гидродинамических колебаний в роторно-статорной паре с зубчатыми элементами. Требования, предъявляемые к гидродинамическим устройствам, могут различаться значительно, в зависимости от решаемой задачи.
Степень воздействия на обрабатываемую жидкую среду в гидродинамических устройствах главным образом зависит от трех основных параметров - скорости жидкости относительно твердой поверхности, зазора между твердыми поверхностями и времени нахождения жидкости в зоне обработки. Затраты энергии на обработку, кроме вышеуказанных параметров, зависят еще от плотности и вязкости жидкости.
Известен роторный гидродинамический кавитационныЙ аппарат для обработки жидких сред, содержащий корпус с патрубками подачи и отвода обрабатываемой жидкой среды и рабочей камерой, внутри которой соосно установлены статор, содержащий, по меньшей мере, один концентрический ряд кавитаторов, и закрепленный на приводном валу ротор, содержащий насосные лопатки и, по меньшей мере, один концентрический ряд кавитаторов, при этом количество кавитаторов ротора в ряду является простым числом не менее 7 и увеличивается в каждом следующем концентрическом ряду в направлении от приводного вала к периферии [1].
Недостатком данного устройства является то, что конструкция пригодна только для работы с низким давлением жидкости на входе. При повышении давления на входе, на ротор подается значительное усилие, которое передается на подвеску ротора. При этом конструкция подвески значительно усложняется, увеличивается вес и снижается ресурс подшипников подвески. Возможен также выход их из строя подшипников и опор в случае превышении предельной паспортной нагрузки.
Наиболее близким к заявляемому устройству является генератор кавитации, содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на валу
активатор - ротор, выполненный в виде диска, на котором по нормали к его боковым поверхностям вдоль радиуса, на пилонах обтекаемой формы установлены подвижные кавитаторы, перекрывающие рабочую камеру с некоторым зазором от ее торцевых стенок, а на торцевых стенках рабочей камеры также на обтекаемых пилонах установлены подобные неподвижные кавитаторы [2].
К недостаткам известного устройства по прототипу следует отнести следующее - он не способен работать при значительном давлении на входе, рассчитан на малую производительность, на роторе имеется только один ряд кавитаторов, а на торцевых стенках камеры - также один ряд кавитаторов, расположенных на линии диаметра. Вследствие этого, только небольшая часть объема камеры используется для обработки жидкости, что приводит к снижению качества обработки. При этом большая часть жидкости камере вращается как единое целое и не подвергается кавитационному воздействию, то есть, полнота обработки не достигается. Кроме того, для заполнения всей камеры, то есть, для прохождения жидкости от входного патрубка во вторую часть камеры за диском, жидкость должна обойти этот диск по внешнему краю. При этом часть ее удаляется из камеры через выходной патрубок, не подвергаясь кавитационному воздействию. Это также ухудшает полноту и качество обработки жидких сред, что в целом снижает эффективность их кавитационной обработки.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и разработка эффективной конструкции кавитационного аппарата для обработки жидких сред.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования кавитационного аппарата для обработки жидких сред, в котором отсутствует осевая нагрузка на подшипники подвески ротора при
работе с избыточным давлением на входе, что приводит к упрощению конструкции подшипникового узла, снижению общего веса конструкции и увеличению надежности и ресурса кавитационного аппарата, а также максимально используется объем камеры для обработки и достигается многократное кавитационное воздействие на весь объем жидкости за один проход, что повышает полноту и качество обработки жидкости, и в целом увеличивает эффективность кавитационной обработки.
Поставленная задача достигается тем, что в кавитационном аппарате для обработки жидких сред, содержащем корпус с рабочей камерой цилиндрической формы и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на нем ротор, выполненный в виде диска, на котором по нормали к боковым поверхностям вдоль радиуса диска установлены подвижные кавитаторы, которые перекрывают рабочую камеру с некоторым зазором от ее торцевых стенок, а на торцевых стенках рабочей камеры также установлены подобные неподвижные кавитаторы, с соответствующим их смещением относительно друг друга по радиусу, согласно изобретению, в диске ротора вблизи вала выполнены отверстия с общим сечением не менее, чем площадь сечения входного патрубка, подвижные и неподвижные кавитаторы выполнены в форме параллелепипеда и расположены концентрическими рядами, число которых составляет не менее трех, при этом, расстояние между кавитаторами одного концентрического ряда не менее чем в 5 раз меньше чем длина кавитатора.
Кроме того, в отдельных случаях использования предлагаемого кавитационного аппарата для обработки жидких сред, он отличается тем, что в боковых стенках камеры с разных сторон установлены входные патрубки для подачи жидкости отдельно в каждую половину камеры.
В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получения технического результата, заключающегося в устранении осевой нагрузки на подшипники подвески при работе с избыточным давлением жидкости на входе, что приводит к упрощению конструкции подшипникового узла, снижению общего веса конструкции и увеличению надежности кавитационного аппарата, повышению качества обработки за счет многоразового кавитационного воздействия на весь объем жидкости за один проход, повышению полноты обработки за счет максимального использования объема камеры.
Достигаемый технический результат, как показали данные испытаний, может быть реализован только взаимозависимой совокупностью всех существенных признаков заявленного кавитационного аппарата для обработки жидких сред, указанных в формуле изобретения.
Устранение осевой нагрузки на подшипники подвески достигается за счет выполнения в диске ротора вблизи вала отверстий с общим сечением не менее, чем площадь сечения входного патрубка. Вследствие этого, существует свободный переток обрабатываемой жидкости по обе стороны диска ротора, на котором расположены кавитаторы, и таким образом давление жидкости с обеих сторон одинаково, и осевая нагрузка на подвеску отсутствует при работе с избыточным давлением на входе. Это приводит к упрощению конструкции камеры и подвески, снижению общего веса конструкции и увеличению надежности кавитационного устройства. Кроме того, наличие таких отверстий приводит к тому, что жидкость поступает в обе части рабочей камеры вблизи ротора и проходит к выходному патрубку только между подвижными и неподвижными кавитаторами через все концентрические ряды, что способствует повышению полноты обработки жидкости. А осуществление многократного кавитационного воздействия на весь
объем жидкости за один проход достигается выполнением подвижных и неподвижных кавитаторов в форме параллелепипеда, которые расположены на роторе и торцевых стенках рабочей камеры концентрическими рядами со смещением относительно друг друга по радиусу, с расстоянием между кавитаторами одного концентрического ряда не менее, чем в 5 раз меньше, чем длина кавитатора. Это способствует повышению качества и полноты обработки жидких сред.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен общий вид кавитационного аппарата для обработки жидких сред с одним входным патрубком выполнения; на Фиг.2 - общий вид кавитационного аппарата для обработки жидких сред с двумя входными патрубками выполнения; на Фиг.З изображен поперечный разрез кавитационного аппарата для обработки жидких сред перпендикулярно оси вращения ротора по линии А- А, Фиг.1 ,2; на Фиг.4 представлен график зависимости числа кавитации для воды в зависимости от давления и скорости на периферии ротора; на Фиг.5 изображена схема подключения кавитационного аппарата для обработки жидких сред, которая использовалась для проверки его работоспособности.
Варианты осуществления изобретения
Кавитационный аппарат для обработки жидких сред (см.Фиг.1 ,2,3) содержит корпус 1 с подшипниками подвески 2, рабочую камеру 3 цилиндрической формы, в которой имеется входной 4 и выходной 5 патрубки для подвода в камеру и отвода из нее жидкости. В камере 3 размещен приводной вал 6, на котором установлен ротор 7, выполненный в виде диска, на котором по нормали к боковым поверхностям вдоль радиуса диска ротора 7 установлены подвижные кавитаторы 8, которые перекрывают рабочую камеру 3 с некоторым зазором от ее торцевых стенок 9. А на торцевых стенках 9 рабочей
камеры 3 также установлены подобные неподвижные кавитаторы 10, с соответствующим смещением их относительно друг друга по радиусу. В диске ротора 7 вблизи вала 6 выполнены отверстия 1 1 с общим сечением не менее, чем площадь сечения входного патрубка 4. Подвижные 8 и неподвижные 10 кавитаторы выполнены в форме параллелепипеда и расположены концентрическими рядами, число которых составляет не менее трех (см. Фиг.З). При этом, расстояние между кавитаторами 8, 10 одного концентрического ряда, не менее, чем в 5 раз меньше, чем длина кавитатора (см. Фиг.З).
В некоторых случаях выполнения конструкция предлагаемого кавитационного аппарата может иметь по оси рабочей камеры 3 один входной патрубок 4 (см. Фиг.1) или два входных патрубка 4, которые установлены в торцевых стенках 9 камеры 3 с разных ее сторон (см.Фиг.2), где выполнены отверстия для подачи жидкости отдельно в каждую половину камеры. Количество и конфигурация входных патрубков 4 (см. Фиг.1 ,2) предлагаемого кавитационного аппарата зависит от динамической вязкости обрабатываемой жидкости, то есть, свойством жидкости с минимальным сопротивлением выравнивать перепады давления. Так, при обработке жидкостей с динамической вязкостью менее 100 сСт, предпочтительнее использовать один входной патрубок 4 по оси ротора 7 (см. Фиг.1 ), а при обработке жидкостей с вязкостью более 100 сСт - использовать два входных патрубка 4 (см.Фиг.2) для подачи жидкости отдельно в каждую половину рабочей камеры 3.
Диск ротора 7 разделяет рабочую камеру 3 на две равные части. Вращение ротора 7 осуществляется через вал 6. Вблизи вала 6 в диске ротора 7 выполнены отверстия 1 1 , центрально симметрично относительно оси вращения, для перетока жидкости из одной половины камеры в другую. Общая площадь отверстий 1 1 должна быть не менее
площади входного патрубка 4 для того, чтобы динамическое сопротивление при перетоке половины общего потока жидкости из области перед диском в область за диском было минимальным.
Промышленная применимость
Предлагаемый кавитационный аппарат для обработки жидких сред может быть многократно реализован в нефтехимической, химической и других областях в условиях промышленного производства при использовании стандартного известного оборудования, с получением заявленного ожидаемого технического результата.
Заявленный кавитационный аппарат для обработки жидких сред с одним входным патрубком работает следующим образом (см. Фиг. 1 ,3).
Обрабатываемая жидкость под давлением через входной патрубок 4 поступает в часть рабочей камеры 3 перед ротором 7, где разделяется на два потока - половина жидкости остается в пространстве перед ротором 7, а другая половина через отверстия 1 1 в диске ротора 7 поступает в пространство за ротором 7 рабочей камеры 3. За счет избыточного давления на входе и центробежного эффекта вращающегося ротора 7, жидкость в два потока проходит сквозь зазоры между подвижными кавитаторами 8 и неподвижными кавитаторами 10 и многократно подвергается кавитационному воздействию и перемешиванию. После достижения периферии ротора 7, обработанная жидкость удаляется из камеры 3 через выходной патрубок 5.
Поскольку динамическое сопротивление потока жидкости в пространстве между подвижными кавитаторами 8 ротора 7 и неподвижными кавитаторами 10 торцевых стенок 9 рабочей камеры 3 значительно превышает динамическое сопротивление перетока жидкости через отверстия 1 1 в роторе 7, то потоки в области камеры 3 перед диском ротора 7 и за диском можно считать практически одинаковыми. Кавитация в движущейся жидкости возникает в
результате локального снижения давления, когда целостность потока нарушается, и в жидкости образовываются парообразные пустоты, которые при повышении давления схлопываются. Условия возникновения кавитации зависят от свойств жидкости, давления и конфигурации поверхности.
Кавитационное течение характеризуется безразмерным параметром - числом кавитации. Для насосов (роторные кавитационные устройства - это подобие центробежного насоса), число кавитации определяется формулой [3]:
av = (Pintet - Pv(T))/pVp 2, где: σν - число кавитации, Pintet - давление на входе, Pv(T) - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре, р - плотность жидкой среды, V - скорость потока на периферии.
В зависимости от величины σν различают четыре вида потоков:
1. Докавитационный - сплошной (однородный) поток при σν > 1.
2. Кавитационный - (двухфазный) поток при σν ~ 1.
3. Пленочный - со стойким отделением кавитационной области от другого сплошного потока (пленочная кавитация) при σν < 1. 4. Суперкавитация - при σν « 1.
В Таблице 1 приведены значения числа кавитации σν для воды в зависимости от давления и скорости на периферии ротора.
Таблица 1
Число Окружная скорость на периферии ротора Vp, м/с кавитации σν 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 при давлении
0,1 МПа 0,99 0,44 0,25 0,16 0,1 1 0,08 0,06 0,05 0,04 0,03
0,5 МПа 4,95 2,2 1,24 0,79 0,55 0,40 0,31 0,24 0,20 0,16
1 МПа 9,89 4,40 2,47 1,58 1 , 10 0,81 0,62 0,49 0,40 0,33
На Фиг.4 представлены графики зависимости числа кавитации σν для воды от давления и окружной скорости на периферии ротора, где обозначено: 1 - график зависимости при давлении 0, 1 МПа (1 атм.), 2 - график зависимости при давлении 0,5 МПа (5 атм.), 3 - график зависимости при давлении 1 МПа (10 атм.). Как видно из графиков (Фиг.4), стойкая кавитация при давлении 0,1 МПа начинается при скорости около 10 м/с, при меньших скоростях - течение ламинарное.
Расчеты нагрузки на подвеске ротора осуществлялись исходя из разницы давлений во входном патрубке 4 и выходном патрубке 5 рабочей камеры 3 и площади поверхности ротора 7 в сечении перпендикулярно оси (см. Фиг.З). Так, для обработки воды при температуре 20°С и работе с разностью давления 1 МПа (10 атм.) во входном патрубке 4 и в выходном патрубке 5 рабочей камеры 3 в режиме стойкой (пленочной) кавитации (σν < 1), (см. Таблицу 1 и Фиг. 4), скорость на периферии ротора должна быть порядка 35 м/с. Для стандартного привода с двигателем 3000 оборотов в минуту диск ротора 7 должен быть диаметром 223 мм, при этом расчетная осевая нагрузка на подвеске для прототипа составляет 3910 кг. По сравнению с прототипом, в предлагаемом устройстве при его работе с избыточным давлением на входе, осевая нагрузка отсутствует, что существенно упрощает конструкцию подвески и подшипникового узла. При этом уменьшаются вес и габариты, что приводит к снижению общего веса кавитационного аппарата и увеличению его надежности.
Для подтверждения эффективности работы кавитационного аппарата для обработки жидких сред были проведены сравнительные испытания, где использовалось два кавитационных устройства:
1. прототип (по патенту РФ Ν_> 21 15176 [2]),
2. предлагаемое.
Схема подключения (см. Фиг.5), которая использовалась для
проверки работоспособности, включает: 1 - бак для водно-масляной эмульсии, 2 - насос шестеренчатый, 3 - кавитационный аппарат для обработки жидких сред, 4 - манометр, измеряющий давление жидкости во входном патрубке, 5 - манометр, который измеряет давление жидкости в выходном патрубке (см. Фиг.1).
В качестве обрабатываемой жидкой среды использовалась водно- масляная эмульсия в соотношении вода/масло, в процентном соотношении равном 95/5. Добавка масла была необходима для обеспечения паспортных условий работы шестеренчатого насоса. Обработка проводилась в проточном режиме.
Проверка осуществлялась следующим образом: водно-масляная эмульсия из бака 1 шестеренчатым насосом 2 подавалась под давлением на вход 3 кавитационного аппарата, где происходила ее обработка, после чего эмульсия возвращалась в бак 1. Давление на входе 3 в кавитационный аппарат регулировалось за счет изменения частоты вращения вала шестеренчатого насоса 2, и измерялось манометром 4, давление на выходе - манометром 5.
Эффективность работы предлагаемого изобретения оценивалась по величине осевой нагрузки на подшипники подвески. Известно, что увеличение нагрузки на подшипники подвески приводит к увеличению силы трения, что в свою очередь вызывает повышение температуры подшипников во время работы. Температура подшипников измерялась через отверстие в подвеске термометром биметаллическим ТБУ-100, класс точности 1 , с диапазоном измерений 0-420 °С.
Осевая нагрузка для устройства по прототипу рассчитывалась исходя из площади ротора в сечении перпендикулярно оси (см. Фиг.З) и разницы давлений ΔΡ на входе и выходе кавитационного устройства.
Роторы в обоих устройствах имели диаметр 225 мм. Ротор приводился во вращение электродвигателем АИРМ1 12М2 с частотой
вращения 2895 оборотов в минуту. При указанных параметрах окружная скорость ротора на периферии составляла 34,1 м/с.
Полученные результаты усреднялись по данным не менее, чем трех экспериментов, данные фиксировались после стабилизации температуры подвески. Температура окружающей среды в период проведения испытаний колебалась в пределах от 19-23 °С.
Результаты испытания представлены в Таблице 2.
Таблица 2
В эксперименте с разницей давлений между входом и выходом ΔΡ= -0,02 МПа, кавитационный аппарат для обработки жидких сред работал в режиме минимального давления на входе, в результате чего давление на выходе было больше из-за центробежного эффекта вращающегося ротора.
На основании данных, представленных в таблице 2, можно сделать следующие выводы: при увеличении давления на входе кавитационного аппарата за счет разницы давлений на входе и выходе от ΔΡ = -0,02 МПа до ΔΡ = 1 МПа, рабочая температура подшипников подвески прототипа возрастает от 40 °С до 92 °С. Следует отметить, что при увеличении давления, рост температуры замедлялся за счет увеличения теплообмена с окружающей средой, который зависит от разницы температур.
Как показали проведенные испытания, при работе предлагаемого кавитационного аппарата для обработки жидких сред, температура подшипников подвески, с учетом колебания температуры окружающего среды, лежит в пределах статистической погрешности, что подтверждает отсутствие осевой нагрузки на подвеске ротора при работе устройства с
избыточным давлением жидкости на входе. А это позволяет упростить в целом всю конструкцию. При этом габариты и вес подвески существенно уменьшаются, что ведет к снижению общего веса конструкции и увеличению надежности и ресурса кавитационного устройства.
Использование всей совокупности существенных признаков заявленного изобретения позволяет создать кавитационный аппарат для обработки жидких сред, работающий при избыточном давлении на входе рабочей камеры, при отсутствии осевой нагрузки на подшипниках подвески, а также с высокой эффективностью кавитационной обработки жидких сред.
Предлагаемый кавитационный аппарат для обработки жидких сред может быть использован для обработки многокомпонентных жидкостей, под давлением, в том числе для модификации нефти и нефтепродуктов, а также использоваться в качестве химического реактора, где в роли инициатора и катализатора реакций используется кавитация.
Источники информации.
1. Патент РФ Ν» 2438769, МП B01F 3/08, B01F 1 1/02, приоритет от 13.07.2010, опубл. 10.01.2012.
2. Патент РФ Ν° 21 15176, МПК G10K 15/04, B01F 1 1/02, приоритет от 26.03.1977, опубл. 10.07.1998 (прототип).
3. Jean-Pierre Franc, Jean-Marie Michel. Fundamentals of Cavitation. - Dordrecht, luwer Academic Publishers, 2004. P. 1 1.
Claims
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ
СРЕД, содержащий корпус с рабочей камерой цилиндрической формы и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на нем ротор, выполненный в виде диска, на котором по нормали к боковым поверхностям вдоль радиуса диска установлены подвижные кавитаторы, которые перекрывают рабочую камеру с некоторым зазором от ее торцевых стенок, а на торцевых стенках рабочей камеры также установлены подобные неподвижные кавитаторы, с соответствующим их смещением относительно друг друга по радиусу, отличающийся тем, что в диске ротора вблизи вала выполнены отверстия с общим сечением не менее, чем площадь сечения входного патрубка, подвижные и неподвижные кавитаторы выполнены в форме параллелепипеда и расположены концентрическими рядами, число которых составляет не менее трех, при этом, расстояние между кавитаторами одного концентрического ряда не менее чем в 5 раз меньше чем длина кавитатора.
2. Кавитационный аппарат для обработки жидких сред по п.1, отличающийся тем, что в боковых стенках камеры с разных сторон установлены входные патрубки для подачи жидкости отдельно в каждую половину камеры.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CONC2020/0002592A CO2020002592A2 (es) | 2017-08-07 | 2020-03-09 | Dispositivo por cavitacion para tratar medios liquidos |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201708192 | 2017-08-07 | ||
| UAA201708192 | 2017-08-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2019032076A1 true WO2019032076A1 (ru) | 2019-02-14 |
Family
ID=65271151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/UA2017/000115 WO2019032076A1 (ru) | 2017-08-07 | 2017-11-27 | Кавитационный аппарат для обработки жидких сред |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CO (1) | CO2020002592A2 (ru) |
| WO (1) | WO2019032076A1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2329862C2 (ru) * | 2006-02-03 | 2008-07-27 | Научно-производственное предприятие "Никос-1" | Диспергатор-активатор |
| MD3747F1 (en) * | 2007-07-16 | 2008-11-28 | Institutul De Tehnica Agricola "Mecagro" | Cavitation generator for liquid mixture dispersion |
| EA012471B1 (ru) * | 2007-03-28 | 2009-10-30 | Владимир Николаевич Козаков | Роторно-кавитационное устройство |
| RU2438769C1 (ru) * | 2010-07-13 | 2012-01-10 | Лев Серафимович Скворцов | Роторный гидродинамический кавитационный аппарат для обработки жидких сред (варианты) |
-
2017
- 2017-11-27 WO PCT/UA2017/000115 patent/WO2019032076A1/ru active Application Filing
-
2020
- 2020-03-09 CO CONC2020/0002592A patent/CO2020002592A2/es unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2329862C2 (ru) * | 2006-02-03 | 2008-07-27 | Научно-производственное предприятие "Никос-1" | Диспергатор-активатор |
| EA012471B1 (ru) * | 2007-03-28 | 2009-10-30 | Владимир Николаевич Козаков | Роторно-кавитационное устройство |
| MD3747F1 (en) * | 2007-07-16 | 2008-11-28 | Institutul De Tehnica Agricola "Mecagro" | Cavitation generator for liquid mixture dispersion |
| RU2438769C1 (ru) * | 2010-07-13 | 2012-01-10 | Лев Серафимович Скворцов | Роторный гидродинамический кавитационный аппарат для обработки жидких сред (варианты) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CO2020002592A2 (es) | 2020-05-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6016798A (en) | Method of heating a liquid and a device therefor | |
| EP3072579B1 (en) | Cavitation device | |
| US11236756B2 (en) | Cavitation device | |
| RU2438769C1 (ru) | Роторный гидродинамический кавитационный аппарат для обработки жидких сред (варианты) | |
| WO2014189479A1 (ru) | Гидроударный кавитационный реактор | |
| WO2019032076A1 (ru) | Кавитационный аппарат для обработки жидких сред | |
| PL211672B1 (pl) | Urządzenie do kawitacyjnej obróbki mediów płynnych | |
| JP5263877B2 (ja) | 混合装置及び混合システム | |
| JP5760205B2 (ja) | 混合方法、混合装置、及び混合流体 | |
| Shulaev et al. | Energy consumption of small-since mixers in emulsification processes | |
| RU2591974C1 (ru) | Роторно-пульсационный аппарат | |
| RU2346733C1 (ru) | Генератор кавитации | |
| RU2156648C1 (ru) | Роторный диспергатор | |
| UA124336U (uk) | Кавітаційний апарат для обробки рідких середовищ | |
| CA2937398C (en) | Cavitation device | |
| RU2412750C1 (ru) | Способ разрушения молекулярных связей в жидких средах и установка для его осуществления | |
| RU2666418C1 (ru) | Дисковый кавитационный аппарат для обработки жидких и вязких сред | |
| RU2785966C1 (ru) | Роторно-импульсный аппарат с разделенным кольцом статора | |
| RU2483794C2 (ru) | Роторный аппарат | |
| EP1108463A1 (en) | Emulsifying method and device for realising the same | |
| RU2354445C1 (ru) | Акустический способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный акустический аппарат для его осуществления | |
| RU2167704C2 (ru) | Эмульгатор | |
| Promtov | Analysis of basic parameters of radial types of pulsed rotary equipment. | |
| Laponov et al. | Modificated small size rotor-disc mixer | |
| RU2600049C1 (ru) | Роторный гидродинамический аппарат |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 17921143 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 17921143 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |