Кавитационный смеситель

 

Сущность изобретения: смеситель содержит корпус прямоугольного сечения с установленными внутри него цилиндрическими обтекателями-возбудителями кавитации . В каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверстия, сообщающиеся с радиальными отверстиями меньшего диаметра. Последние выполнены равномерно по поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным скорости набегающего потока и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01- 0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекателя В корпусе, начиная с периметра этого сечения, вниз по потоку в шахматном порядке выполнены отверстия меньшего диаметра 2 ил , 1 табл

„„Я2„„ 1754194 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л 8 01 F 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТЙЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (54) КАВИТАЦИО ННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ (57) Сущность изобретения: смеситель содержит корпус прямоугольного" сечения с

Изобретение относится к устройвтвам изогнутые.в сторойу вращения-лопасти для для смешивания, диспергировайия жйдко- подачи (прокачки) жидкости. сти с жидкостью, жидкости с газом и может Недостатком этого устройства является быть использовано в химической, пищевой, низкая степень диспергйрования газа в микробиологической и в других отраслях:жидкости и низкое качество смеСи, так как промышленности;напримермикробиологи- при этом не возникают в потоке. большие ческом синтезе в качестве аэрирующегоус- силы, перемешивающйе газ в жидкости. троь ства, в аэротенках, для проведения Кроме того, в этом устройстве использован реакций между жидкостью и газом, для очи- довольно сложный ротор, выполняющий стки и обеззараживания природных и сточ- роль как насоса, так и устройства для подачи ных вод с использованием кислорода, газа. Следовательно, недостатком устройстозона, хлора, химических реагентов и т;д.. ва является также сложность конструкции."

Все это снижает как интенСивность процесИзвестно устройство для смешивания са перемешивания, так и качество получае. жидкости с газом, содержащее смеситель, MOA смеси жидкости с газом, увеличивает выполненный в виде корпуса-статора, íà на энергозатраты на смесеобраэование. ружной поверхности которого размещены . Известен также кавитационный смесигазораспределительные коллекторы с коль - тель, содержащий цилиндоический корпус с цевыми щелями для ввода газа. Внутри кор- торцовыми отверстиями для подвода и отвопуса размещено перемешивающее да среды, ряды конических обтекателей. устройство в виде полого ротора с патруб- размещенных радйалЬно и закрепленных ком для входа-газа и с щелевыми отверсти-- большими основаниями rib"ïåðèìéòðó корями на периферии для подачи газа, на пуса во втулке, а меньаим основанием — по наружной поверхности ротора размещены периметрупологоцентральногообтекателя.

1 (21) 4889049/26 (22) 05.11,90 (46) 15,08,92, Бюл. ¹ 30 (71) Кировский политехнический институт (72) P. Ю, Акчурин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 799801, кл. В 01 F 5/16, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 1287928, кл. В 01 F 5/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР ¹ 745050, кл. В 01 F 3/08. 1977. устайовленными внутри него цилиндриче-. скими обтекателями-возбудителями кавитации. B каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверстия, сообщающиеся с радиальнйми отверстиями меньшего диаметра. Последние выполнены равномерно по поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным скороСти набегающего потока и отстоящим от ocN обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,010 174)R, где R — радиус цилиндрического обтекателя, В корпусе, начиная с периметра этого сечекия, вниз по потоку в шахматном порядке выполйены отверстия мейьшего диаметра, 2 ил., 1 табл, 1754194

Б корпус под давлением подаются смешиваемые компоненты и при обтекании конических обтекателей со скоростью выше критической создаются зоны кавитации за каждым рядом обтекателей, перемешивающие, диспергирующие обрабатываемую среду, Данный смеситель имеет тот недостаток, что для подачи компонента смеси, составляющего меньшую часть перед первым рядом обтекателей, необходимо иметь до5

10 полнительный источник энертйи; например насос, компрессор, что снижает экономичность процесса смешения. Кроме того, в данном смесителе не обеспечивается равномерное распределение во всем объеме протекающей среды компоненты, составляющего меньшую часть и, тем самым, не обеспечивается высокая степень диспергирования и высокое качество смеси.20

Наиболее близким к предлагаемому является кавитационный реактор. содержащий корпус прямоугольного сечения, в тели кавитации, за -которыми в корпусе выполнены отверстия для подачи компонента смеси, составляющего меньшую часть.

При обтекании цилиндрических обтекателей со скоростью выше критической за ними образуется зона кавитации, куда через отверстия, расположенные за обтекателями, подается компонента смеси И переме30 шивается с основным потоком, Этот реактор имеет тот недостаток, что в нем не происходит равномерного качественного перемешивания компонент смеси, так как подача компоненты осуществляется не в начало зоны кавитации, равномерно по всему объему в сечении между обтекателями, меж40 ду крайними обтекателями и боковыми стенками, а лишь за обтекателями снаружи потока. Поэтому получается невысокое качество смеси в этом реакторе, Цель изобретения — интенсификация процесса перемешивания и повышения качества смеси за счет увеличения степени диспергирования и равномерной подачи компонента в зону кавитации, Поставленная цель достигается тем, что в каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверстия, сообщающиеся с радиальными отверстиями меньшего диаметра, выполненными равномерно по боковой поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным оси корпуса и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01-0,174)R, где R — радиус цилиндрического обтекателя, а начиная с пе50

55 риметра этого сечения вниз по потоку в котором перпендикулярно потоку установ-лены цилиндрические обтекатели-возбуди- 25 корпусе в шахматном порядке выполнены отверстия меньшего диаметра, В предлагаемом смесителе смешение, диспергирование жидкости с жидкостью или газом осуществляется за счет гидродинамической кавитации, возникающей при обтекании цилиндрических обтекателейвозбудителей кавитации, установленных поперек потока. Зона кавитации представляет 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 пузырьков с образованием местных гидравлических ударов, пульсаций давления (давления при этом достигают 10 МПа), кумулятивные струйки с огромной скоростью (200-400 м/с) дробят каверны на мелкие части, создается сильная турбулизация потока, происходят термодинамические, электрохимические и другие процессы, Все это оказывает перемешивающее, диспергирующее действие на обрабатываемую среду. Таким образом, мощные силы более тонко и качественно перемешивают, диспергируют частицы среды, Газ или другая компонента подводится через малые радиальные отверстия в цилиндрических возбудителях и в корпусе равномерно по всему объему протекающего потока в начало зоны кавитации. За зоной кавитации (ниже по течению).в области повышенного давления поток приобретает сплошность, а поступивший газ или компонента оказывается равномерно в токодисперснйом виде распределенной в потоке — основном компоненте смеси, Равномерное поступление компоненты смеси в зону кавитации осуществляется че рез малые радиальные отверстия в цилиндрических обтекателях, в корпусе между обтекателями, между крайними обтекателями и боковыми стенками и в боковых стен.ках. Радиал ьн ые отверстия расположены равномерно по боковой поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным скорости набегающего потока и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01-0,174)R, где R — радиус цилйндрического обтекателя, Малые отверстия в корпусе располагаются в шахматном порядке, начиная С периметра этого сечения вниз по потоку, что позволяет более равномерно распределять компоненту смеси в основном потоке, Такое расположение малых отверстий в обтекателях и корпусе, как показывают проведенные нами опыты, объясняется тем, что в этой зоне образуется глубокий вакуум, который подсасывает компоненту

1754194

6 смеси, составляющую меньшую часть. При обтекателей 2 со скоростью выше критичерасположении этих отверстий выше сече- ской (8 м/с) за ними образуются зоны кавиния, перпендикулярного скорости набегаю- таиии, .где создается глубокий вакуум щего потока и отстоящего вверх по потоМу (— 0,97 кг/см = — 97 кПа). Компонента смеси, на расстояние больше 0,174R, т.е. в лобовых 5 составляющая мейьшую часть, за счет вакучастях цилиндрических обтекателей-возбу- ума подсасывается в зоны кавитации через дителей кавитации и в сечении корпуса, со- отверстия 6 в корпусе, осевые отверстия 3 в здается избыточное давление; где нет обтекателях, через малые отверстия 4 в обвакуума, Малые отверстия, равномерно ох- текателях и через отверстия 5 в ко пусе в ватывающие потоки по периметру, позволя- 10 начале зоны кавитации и перемешивается с ют мелкими струйками равномерно со всех компонентой, составляющей большую сторон подводить компоненту, составляю- часть. В зоне кавитации жидкость перевощую малую часть (газ), в основной поток в дится в газообразное состояние. Поэтом оэтому ачало кавитации и, тем самым, качествен- площадь контакта сред увеличйвается в тына перемешивать, диспергировать компо- 15 сячи раз,чтоспособствуеттонкодисперсноненты смеси. За счет того, что при му, качественному перемешиванию смеси. кавитации образуется глубокий вакуум в Пульсация давления(давление повышается сжатом сечении, поступление компоненты в:до 10 МПа) от огромного количества схлоэту область осуществляется самовсасыва- пывающихся пузырьков, микроструйки, дением. При этом не требуется дополнитель- 20 лящие частицы на части, сильная ного оборудования — насоса, компрессора турбулизация потока в зоне кавитации сподля подачи. компоненты смеси, — что умейь- собствует смесеобразованию высокого кашает энергозатраты на смешивание, чества. За зоной кавитации поток

На фиг. 1 изображен кавитационный . приобретает сплошность, т.е. пузырьки касмеситель, разрез; на фиг. 2 — сечение А-А 25 витационные, заполненные паром компонент смеси, уже сконденсировались, т.е.

Смеситель содержит корпус 1 прямо- захлопнулись, угольного сечения, цилиндрические обтека- С целью максимального использования тели 2 — возбудители гидродинамической энергии потока и регулирования длины зокавитации. В обтекателях имеются осевые 30 ны кавитации за первым рядом обтекателей отверстия 3, сообщающиеся с малыми ради- нужно устанавливать второй ряд обтекатеальными отверстиями 4 на их поверхностях, лей с эллиптическими сечениями, имеющиразмещенных за сечением, перпендикуляр- ми возможность поворачиваться вокруг . ным скорости набегающего потока и отсто- своих вертикальных осей и отстоящих от ящим от оси обтекателей вверх по потоку на 35 первого ряда на расстоянии 10-15 радиусов расстояние (0,01-0.174)R, где R — радиус ци- цилиндрического обтекателя. При этом эллиндрического обтекателя. Имеются допол- липтические возбудители будут выполнять нительные отверстия 5 меньшего диаметра двоякую роль — сами являться возбудителя-. . в корпусе, выполненные, начиная с пери- ми вторичной кавитации и регуляторами . метра этого сечения вниз по потоку, в шах- 40 длины зоны кавитации за первым рядом матном порядке между обтекателями, возбудителей. При увеличении свободного между крайними обтекателями и боковыми сечения между эллиптическими возбудитестенками и в боковых стенках, отверстий 6 лями длина зоны кавитации за первым рядля подвода компоненты, составляющей дом увеличивается, а при уменьшении этого меньшую часть в осевое отверстия в обтека- 45 сечения, наоборот, уменьшается из-за увеличения противодавления(подпора).

Отношение высоты обтекателя к его ди- Расположение радиальных отверстий аметру составляет 0,8 — 1,2, отношение рас- . равномерно на поверхности цилиндричестояния между обтекателями между . ских обтекателей за сечением, перпендикукрайним обтекателем и боковой стенкой к 50 лярным скорости набегающего потока и его диаметру составляет 0,4 — 1,1, Например, отстоящим от оси обтекателей вверх по попри цилиндрических обтекателях диамет- току на расстояние (0,01 — 0,174)R, где R— ром 10 мм их высота равна 8-12 мм, а рас- . радиус цилиндрического обтекателя и в корстояние между ними, между крайним пусе, начиная с периметра этого сечения, обтекателем и боковой стенкой 4-11 мм. 55 между обтекателями, между крайними обтеСмеситель работает следующим обра- кателями и боковыми стенками и в боковых стенках установлены на основании провеКомпонента смеси, составляющая боль- денных исследований. В режиме кавитацишую часть, подается под давлением на вход онного обтекания при различных расходах смесителя, При обтекании цилиндрических воды определялось распределение давле1754194 ния по поверхности цилиндрического обтекателя. Отбор давления производился через радиальное отверстие диаметром 1 мм и в осевое отверстие в обтекателе к образцовому вакуумметру и манометру. 5

В таблице в качестве примера приводится распределение давления по поверхнос ти цилиндрического о,бтекателя диаметром 10 мм, обтекаемого в кавитационном режиме со скоростью в сжатом сече- 10 нии 36,35 м/с и относительной длине зоны кавитации л, =3 (отношение длины зоны кавитации к дйаметру обтекателя).

Из приведенных экспериментальных данных видно, что зона глубокого вакуума 15 образуется ниже сечения, отстоящего от оси обтекателя вверх по потоку на расстояние

0,174R. В кормовой части обтекателя также образуется. глубокий вакуум, а в лобовой точке — избыточное давление. 20

Таким образом, предлагаемый кавитационный смеситель обладЖ1 простой- конструкцией, имеет малые габариты и его можно изготовить в любой мастерской прак тически на любой расход. С помощью пред- 25 лагаемого смесителя за счет мощных сил, возникающих при кавитации. можно осуществлять процессы смешения на высоком уровне и просто регулировать интенсивность процесса смешивания за счет измене- 30 ния интенсивности кавитации путем изменения длины зоны кавитации, авление, кг/см, по обтекателю с рифленой сетчатой поверхностью (рифление сетчатое

1,0) без рифления

0,01 R

0,087 R

0,174 R

0,26 R

0,34 R — 0,966 — 0,967 — 0,97 — 0,76 — 0,69

-0,968

-0,966 -0,965

-0,90 — 0,525

Расстояние, отсчитываемое вверх по потоку от оси обтекателя, перпендикулярного скорости потока

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

Формула изобретения

Кавитационный смеситель, содержащий проточный корпус прямоугольного сечения с отверстиями в боковой стенке для подвода подмешиваемого компонента, цилиндрические обтекатели, установленные перпендикулярно оси корпуса, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью интенсификации процесса перемешивания и повышения качества смеси за счет увеличения степени диспергирования и равномерной подачи компонента в зоне кавитации, каждый обтекатель имеет осевое отверстие, сообщенное с отверстием в боковой стенке для подвода подмешиваемого компонента, и радиальные отверстия меньшего диаметра, выполненные равномерно по боковой поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным продольной оси корпуса и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01 — 0,174)R, где R— радиус цилиндрического обтекателя, а начиная с этого сечения вниз по потоку в боковой поверхности корпуса по его периметру в шахматном порядке выполнены дополнительные отверстия меньшего диаметра.

1754194 (аа1- а 174) Я

Составитель Р. Акчурин

Техред M.Моргентал Корректор С. Лисина

Редактор Э, Слиган

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2841 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5