Some content of this application is unavailable at the moment.
If this situation persist, please contact us atFeedback&Contact
1. (WO2019032076) CAVITATION APPARATUS FOR TREATING LIQUID MEDIA
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

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))/pVp2,

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.