Кавитационный смеситель
Использование: смешение, диспергирование жидкости с жидкостью, жидкости с газом. Сущность изобретения: дополнительные патрубки подвода компонента сообщены с камерой, выполненной между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевой втулки. Полость камеры сообщена с полостью стержня каналами. Оси каналов выполнены вдоль осей обтекателей. Полости стержней сообщены с полостью корпуса каналами, оси которых перпендикулярны осям обтекателей. Эти каналы расположены по поверхности втулки и стержня. Каналы отстоят от осей обтекателей вверх по потоку на расстоянии R1sin 5 
5o и R2sin 5 5o и далее по ходу потока, где R1 - внутренний радиус втулки; R2 - нагружают радиус стержня. Выходные отверстия каналов на обтекателях выполнены на тыльной поверхности обтекателей с центральным углом в поперечном сечении равным 190 10o. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для смешивания, диспергирования жидкости с жидкостью, жидкости с газом и может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и в других отраслях промышленности, например микробиологическом синтезе в качестве аэрирующего устройства, в аэротенках, для проведения реакций между жидкостью и газом, для очистки и обеззараживания природных и сточных вод с использованием кислорода, озона, хлора, химических реагентов и т.д. Известно устройство для смешивания жидкости с газом, содержащее смеситель, выполненный в виде корпуса-статора, на наружной поверхности которого размещены газораспределительные коллекторы с кольцевыми щелями для ввода газа. Внутри корпуса размещено перемешивающее устройство в виде полого ротора с патрубком для входа газа и с щелевыми отверстиями на периферии для подачи газа, на наружной поверхности ротора размещены изогнутые в сторону вращения лопасти для подачи (прокачки) жидкости. Смешивание жидкости с газом осуществляется следующим образом. При вращении ротора его лопастями захватывается жидкость и под действием центробежных сил жидкость отбрасывается к периферии ротора и выходит из статора в радиальном направлении. За счет эжекции и давления газ подсасывается из отверстий ротора и из кольцевых щелей между бортами статора и газораспределительных коллекторов и смешивается с жидкостью. При выходе газожидкостной смеси из статора не исключается возможность барботирования крупных пузырей в жидкости, так как они могут всплывать на поверхность и нет сил, препятствующих этому. Следовательно, недостатком этого устройства является низкая степень диспергирования 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 перемешивающим устройством является довольно сложный ротор, выполняющий роль как насоса, так и устройства для подачи газа. Следовательно, недостатком устройства является также сложность конструкции. Все это снижает как интенсивность процесса перемешивания, так и качество получаемой смеси жидкости с газом, увеличивает энергозатраты на смесеобразование. Известен также кавитационный реактор, содержащий корпус прямоугольного сечения, в котором перпендикулярно потоку установлены цилиндрические обтекатели возбудители 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 подается компонента смеси и перемешивается с основным потоком. Этот реактор имеет тот недостаток, что в нем не происходит равномерного качественного перемешивания компонентов смеси, так как подача компоненты осуществляется лишь за обтекателями снаружи потока, а не равномерно по всему объему в сечении между обтекателями. Поэтому получается невысокое качество смеси в этом реакторе. Известен кавитационный смеситель, принятый за прототип, содержащий цилиндрический корпус с отверстиями подвода компонентов и отвода смеси, обтекатели, выполненные в виде усеченных конусов и размещенные в корпусе рядами перпендикулярно оси смесителя и закрепленные большими основаниями на внутренней поверхности корпуса, а меньшими на полом стержне, установленном вдоль оси корпуса, и кольцевую втулку, установленную на внутренней поверхности корпуса. В 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 дополнительный источник энергии, 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 готового продукта. Целью изобретения является уменьшение энергозатрат и повышение качества смеси за счет увеличения степени диспергирования и равномерной подачи компонента в зону кавитации. Поставленная цель достигается тем, что кавитационный смеситель снабжен дополнительным патрубком подвода компонента и сообщенной с ним камерой, выполненной между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевой втулки, полость которой сообщена с полостью стержня каналами, выполненными вдоль осей обтекателей, и с полостью корпуса -каналами, выполненными в обтекателях, оси которых перпендикулярны осям обтекателей, при этом полость корпуса сообщена с полостями стержня и камеры каналами, оси которых перпендикулярны оси корпуса, причем эти каналы расположены между обтекателями по поверхности втулки и стержня, начиная с сечений, отстоящих от оси обтекателей вверх по потоку на расстоянии R1sin 5 5о и R2sin 5 5о, и далее по ходу потока, где R1 внутренний радиус втулки, R2 наружный радиус стержня, а выходные отверстия каналов, оси которых перпендикулярны осям обтекателей, выполнены на тыльной поверхности обтекателей с центральным углом в поперечном сечении равным 190 10о. В предлагаемом смесителе смешение, диспергирование жидкости с жидкостью или газом осуществляется за счет гидродинамической кавитации, возникающей при обтекании конических обтекателей-возбудителей 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, давления при этом достигают 103 МПа, кумулятивные струйки с огромной скоростью (250-400 м/с) дробят каверны на мелкие части, создается сильная турбулизация потока, оказывающие 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 отверстия в конических обтекателях-возбудителях, втулке и полом стержне равномерно по всему объему протекающего потока в зону кавитации. За зоной кавитации (ниже по течению) в области повышенного давления поток приобретает сплошность, а поступившая компонента оказывается равномерно в тонкодисперсном виде распределенной в потоке. Равномерная подача компоненты смеси, составляющей меньшую часть, в зону кавитации осуществляется через малые радиальные каналы в конических обтекателях во втулке и в полом стержне, т.е. в сечениях потока между обтекателями. Выходные отверстия каналов, оси которых пеpпендикулярны осям обтекателей, выполнены на тыльной поверхности обтекателей с центральным углом в поперечном сечении равным 190 10о, а выходные отверстия каналов, оси которых перпендикулярны оси корпуса, расположены между обтекателями по поверхностям втулки и полого стержня, начиная с сечений, отстоящих от осей обтекателей вверх по потоку на расстоянии R1sin 5 5о и R2sin 5 5о, и далее по ходу потока, где R1 внутренний радиус втулки и R2 наружный радиус стержня. Такое расположение каналов и их выходных отверстий, как показывают проведенные нами эксперименты, объясняются тем, что в этой зоне (тыльной поверхности обтекателей и между ними) образуется глубокий вакуум, который подсасывает, эжектирует компоненту смеси. При центральном угле в поперечном сечении обтекателя большем 200о и в сечениях втулки и полого стержня, отстоящими от оси обтекателей на расстоянии больше R sin 10о создается вакуум небольшой величины, а в лобовой части избыточное давление, где уничтожается вакуум. Таким образом, в протекающий поток между коническими обтекателями равномерно со всех сторон мелкими струйками за счет глубокого вакуума подсасывается, эжектируется компонента смеси, составляющая меньшую часть, и за счет кавитации качественно перемешиваются, диспергируются компоненты смеси. Кроме того, в этом случае не требуется оборудования и дополнительного источника энергии (насоса, компрессора) для подачи компоненты смеси, что уменьшает энергозатраты на смешение. На фиг.1 изображен смеситель, разрез; на фиг.2 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.3 сечение В-В на фиг.1. Кавитационный смеситель содержит цилиндрический корпус 1 с отверстием 2 подвода компонента смеси, составляющего большую часть, и отверстие 3 отвода смеси, обтекатели 4,5, выполненные в виде усеченных конусов и размещенные в корпусе рядами перпендикулярно оси смесителя и закрепленные на внутренней поверхности корпуса в кольцевой втулке 6, а меньшими на полом стержне 7, установленном вдоль оси корпуса. В обтекателях выполнены осевые каналы 8, сообщающиеся с выходными в полость корпуса каналами 9, оси которых перпендикулярны осям обтекателей и которые расположены на тыльной поверхности обтекателей с центральным углом в поперечном сечении равным 190 10о. По поверхности втулки и стержня между обтекателями выполнены каналы 10,11, оси которых перпендикулярны оси корпуса, начинающиеся с сечений, отстоящих от оси обтекателей вверх по потоку на расстоянии R1sin 5 5о и R2 sin 5 5о, и далее по ходу потока, где R1 внутренний радиус втулки, R2 наружный радиус полого стержня. Такое расположение каналов (выходных отверстий) связано с образованием глубокого вакуума в этих зонах, подсасывающего компоненту, и равномерной подачи по всему объему компоненты смеси, составляющего меньшую часть. Между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевой втулки выполнена камера 12, сообщающаяся с дополнительным патрубком 13 подвода компонента, составляющего меньшую часть. Вместо каналов с выходными отверстиями для поступления компоненты в зону кавитации также можно использовать сетки-фильтры с различной тонкостью фильтрации. Например, при подаче газа при аэрации, озона, хлора, при очистке и обеззараживании природных и сточных вод можно использовать фильтры керамические, металлокерамические и металлические, полученные методом порошковой металлургии. Кавитационный смеситель работает следующим образом. Компонента смеси, составляющая большую часть под давлением поступает во входное отверстие 2 смесителя и при обтекании конических возбудителей 4 первого ряда со скоростью выше критической (8-10 м/с) создается зона кавитации за ними. При этом в зоне кавитации на тыльной поверхности обтекателей 4 с центральным углом в поперечном сечении равным 190 10о и в сечениях кольцевой втулки 6 и полого стержня 7, начиная с сечений, отстоящих от оси обтекателей вверх по потоку на расстояния R sin 5 5о и далее по ходу потока образуется глубокий вакуум, происходит образование огромного количества пузырьков (каверн), заполненных паром жидкости и газом. Компонента смеси, составляющая меньшую часть, поступает (подсасывается) в дополнительный патрубок 13, расход через который может регулироваться, например, вентилем, далее поступает в камеру 12 и через осевые отверстия 8 в обтекателях 4 в полость стержня 7. В зону кавитации (в полость корпуса) компонента смеси поступает равномерно со всех сторон через каналы 9,10,11 в обтекателях, кольцевой втулке и в полом стержне и смешивается с основной компонентой смеси. В зоне кавитации эта компонента переводится в парообразное состояние (если жидкость), при этом поверхность контакта сред увеличивается во много раз и за счет мощных сил, возникающих при кавитации, происходит качественное перемешивание,диспергирование компонент смеси, что приводит к повышению качества готового продукта. С помощью конических обтекателей возбудителей кавитации 5 последнего ряда, имеющих в сечении эллиптическую форму, можно регулировать длину зоны кавитации за предыдущим рядом конических обтекателей 4 путем поворота их вокруг своих осей и изменения проходного сечения между ними. При увеличении проходного сечения между коническими обтекателями 5 длина зоны кавитации за обтекателями 4 увеличивается, а при уменьшении уменьшается, так как увеличивается подпор (противодавление). Расстояние между рядами конических обтекателей-возбудителей кавитации берется равным 10-15 их среднего диаметра, т. к. при больших расстояниях (длинных зон кавитации) интенсивность кавитации уже незначительная. Поджимом гайкой 14 прокладки 15 обеспечивается герметичность обтекателей 5 в корпусе. Расположение каналов 9 равномерно на тыльной поверхности обтекателей 4 с центральным углом в поперечном сечении 190 10о и каналов 10, 11 по поверхности втулки 6 и полого стержня 7, начинающихся с сечений, отстоящих от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние соответственно R1sin 5 5о и R2sin 5 5о, и далее по ходу потока, где R1, R2 радиус внутренней поверхности втулки и наружной поверхности полого стержня, установлены на основании проведенных исследований. В кавитационном режиме обтекания при разных расходах определялось распределение давления по поверхности обтекателя, в котором было выполнено малое радиальное отверстие диаметром 1 м для отбора давления и осевое отверстие для подвода давления к образцовому манометру (вакуумметру). Ниже в таблице в качестве примера, приводятся данные о распределении давления по поверхности среднего обтекателя в зависимости от угла, отсчитываемого от лобовой точки (при трех обтекателях в ряду и расходе воды 6,55 л/с). Таким образом, из приведенных экспериментальных данных видно, что зона глубокого вакуума образуется на поверхности конических обтекателей с тыльной стороны с центральным углом в поперечном сечении 190 10о и в сечениях кольцевой втулки и полого стержня, начиная с сечений, отстоящих от оси обтекателей вверх по потоку на расстояния R1sin 5 5о и R2sin 5 5о, и далее по ходу потока, где R1 радиус внутренней поверхности втулки, R2 радиус наружной поверхности полого стержня. Таким образом, предлагаемый кавитационный смеситель обладает простотой конструкции (все его детали тела вращения), в нем отсутствуют вращающиеся части, имеет малые габариты и его можно выполнить практически на любой расход (производительность). С помощью предлагаемого смесителя за счет мощных сил, возникающих при кавитации, можно получать смеси высокого качества, в нем просто регулируется интенсивность процесса смешения за счет изменения длины зоны кавитации.
Формула изобретения
КАВИТАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, содержащий цилиндрический корпус с отверстиями подвода компонентов и отвода смеси, обтекатели, выполненные в виде усеченных конусов и размещенные в корпусе рядами перпендикулярно оси смесителя и закрепленные большими основаниями на внутренней поверхности корпуса, а меньшими на полом стержне, установленном вдоль оси корпуса, и кольцевую втулку, установленную на внутренней поверхности корпуса, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат и повышения качества готового продукта, он снабжен дополнительным патрубком подвода компонента и сообщенной с ним камерой, выполненной между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью кольцевой втулки, полость которой сообщена с полостью стержня каналами, выполненными вдоль осей обтекателей, и с полостью корпуса - каналами, выполненными в обтекателях, оси которых перпендикулярны осям обтекателей, при этом полость корпуса сообщена с полостями стержня и камеры каналами, оси которых перпендикулярны оси корпуса, причем эти каналы расположены между обтекателями по поверхности втулки и стержня, начиная с сечений, отстоящих от оси обтекателей вверх по потоку на расстоянии R1 sin 5 5o и R2 sin 5 5o, и далее по ходу потока, где R1 внутренний радиус втулки, R2 наружный радиус стержня, а выходные отверстия каналов, оси которых перпендикулярны осям обтекателей, выполнены на тыльной поверхности обтекателей с центральным углом в поперечном сечении равным (190 10o).РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000
Извещение опубликовано: 10.11.2000
