Устройство для воздействия на поток текучей среды

 

Изобретение предназначено для возбуждения регулируемой гидродинамической кавитации, например, с целью нагрева текучей среды и/или диспергирования в ней твердых или жидких материалов. Оно имеет осесимметричный проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и отверстие в стенке этого канала для подачи в основной поток возмущающей струи и возбуждения гидродинамической кавитации. Для уменьшения гидравлических потерь и шумности, повышения надежности и КПД указанное отверстие открыто непосредственно в полость канала, а его геометрическая ось пересекается с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -60 до +45°. При этом предпочтительно иметь несколько таких отверстий для подачи в основной поток возмущающих струй той же самой или иной по химическому составу текучей среды. 14 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к конструкции устройств для воздействия на поток текучей среды, а более конкретно, к конструкции струйных генераторов регулируемой гидродинамической кавитации в потоке.

Эти устройства могут служить основой: кавитационных теплогенераторов, которые могут быть использованы предпочтительно в оборудованных теплоаккумуляторами автономных замкнутых системах теплоснабжения (в частности, водяного отопления жилых, общественных и промышленных зданий), которые работают от источников даровой энергии или от сетей электроснабжения (желательно в период действия "ночного" тарифа); нагревателей-смесителей по меньшей мере двух разных жидких материалов независимо от их способности к взаиморастворению и, в частности, нагревателей-смесителей: - для приготовления устойчивых водомазутных эмульсий предпочтительно непосредственно перед впрыском в топки, например паровых котлов, или в промышленные печи, - для гомогенизации и одновременной стерилизации таких пищевых продуктов, как молоко, овощные и фруктовые соки и т.п.; внешних проточных нагревателей-активаторов реакционных смесей в сочетании с емкостными химическими аппаратами, как правило, периодического действия; проточных реакторов-нагревателей для проведения химических реакций; реакторов-нагревателей для термомеханохимической обработки вязких органических материалов, например, термомеханодеструкции отходов нефтепереработки.

Здесь и далее термином "текучая среда" обозначены: преимущественно ньютоновские жидкости (например: вода, водные растворы, водные эмульсии типа молока, низкоконцентрированные водные суспензии, пиво и т.д.), если речь идет о материалах, в которых возбуждается кавитация, а также вязкие, неньютоновские жидкости типа мазута, жидких олигомеров или полимеров, произвольные по составу суспензии и эмульсии и газы (например: воздух, диоксид углерода и т.д.), если речь идет о материалах, вводимых в виде возмущающих струй в основной поток текучей среды.

Кавитация, то есть нарушение сплошности капельной жидкости из-за локальных падений давления ниже критического значения, которое практически равно давлению насыщенного пара этой жидкости при конкретной температуре, обычно рассматривается в технике как нежелательное явление. Действительно, кавитация, которая спонтанно возникает при работе судовых движителей, рабочих колес гидротурбин и рабочих органов насосов или гидромоторов, понижает их КПД, вызывает интенсивную эрозию, порождает сильный шум и способна привести к преждевременному (и что особенно опасно - к неожиданному) разрушению указанных частей гидромашин. Именно в таком аспекте нерегулируемая кавитация и ее последствия описаны в большинстве энциклопедических справочников (см., например, статьи "cavitation", "cavitation erosion", "cavitation noise" в словаре McGrow-Hill, Dictionary of Scientific and Technical Terms, Second Edition, p. 261).

Поэтому процессы генерирования тепла преобразованием кинетической энергии жидкости в тепловую энергию и химические процессы в потоке жидкости обычно стремятся проводить так, чтобы исключить кавитацию.

Например, из описания изобретения к а.с. СССР 1627790 известен сугубо фрикционный теплогенератор, в котором нагрев жидкой среды происходит вследствие ее трения о рабочие органы, приводимые во вращение от ветродвигателя. Этот теплогенератор работает в близком к ламинарному режиме, что исключает кавитацию, и потому весьма надежен в эксплуатации. Однако он имеет низкую удельную мощность и низкую же теплопроизводительность.

Существенно более мощный и производительный теплогенератор по а.с. СССР 1703924 имеет контур рециркуляции жидкого теплоносителя с центробежным насосом как средством разгона жидкости и водо-водяным кожухотрубчатым теплообменником как средством отбора тепла. Нагрев жидкой среды в таком теплогенераторе происходит вследствие ее интенсивной турбулизации. Поэтому для подавления кавитации на центральном входном патрубке насоса такого теплогенератора установлен "струйный аппарат" (эжектор), который обеспечивает питание насоса жидкостью с повышенным, исключающим кавитацию давлением.

Однако при определенных условиях кавитация весьма полезна и ее широко используют в технике, например: для очистки произвольных деталей машин от жировых загрязнений перед нанесением покрытий; для получения устойчивых суспензий или эмульсий диспергированием твердых или жидких материалов в несмешивающихся с ними и не растворяющих их жидкостях и т.п. Эти процессы обычно осуществляют с применением ультразвуковых средств возбуждения регулируемой акустической кавитации (см., например "Политехнический словарь".- М. : "Советская Энциклопедия", 1976, статья "Ультразвуковая обработка", с. 520).

Действительно, ультразвук весьма удобен как "кави- тационный" фактор из-за возможности точного и плавного регулирования амплитуды колебаний и плотности его мощности преимущественно в жидкой среде и практически незаменим в случаях, когда кавитацию необходимо возбуждать в неньютоновской (высоковязкой или пластичной) жидкости или в произвольной жидкости, находящейся в непроточном сосуде. Однако для многочисленных указанных выше областей применения регулируемой кавитации процессы желательно проводить в интенсивном потоке жидкой среды, общая масса или расход которой могут быть весьма значительными. Например, замкнутые рециркуляционные системы теплоснабжения могут вмещать от нескольких тонн до нескольких десятков тонн воды, а расход мазута в системах отопления мощных паровых котлов теплоэлектростанций может достигать от десятков до сотен тонн в сутки.

Для этих условий весьма желательно использовать именно гидродинамическую кавитацию и, соответственно, такие устройства для воздействия на поток текучей среды, которые обеспечивают регулируемое генерирование и схлопывание каверн.

Из таких устройств к предлагаемому наиболее близко устройство, схема которого известна из описания изобретения SU 1785115 (М.кл. B 01 F 5/00, 10.05.96, с. 6). Оно имеет осесимметричный проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и средство для возбуждения гидродинамической кавитации в виде отверстия в стенке этого канала, сквозь которое в основной поток подают возмущающую струю текучей среды и геометрическая ось которого перпендикулярна геометрической оси проточного канала.

Естественно, что изменением соотношения напора основного потока и напора возмущающей струи текучей среды можно в принципе регулировать кавитационный процесс.

Однако возможности такого регулирования весьма ограничены, ибо в любом случае подача возмущающей струи будет эффективна лишь тогда, когда ее напор существенно превышает напор основного потока текучей среды. При этом неизбежно возникают затруднения с формированием каверн вблизи геометрической оси основного потока, из-за чего стенки проточного канала испытывают интенсивные гидродинамические удары, устройство в целом становится мощным источником гидродинамического шума, а его КПД оказывается заметно ниже теоретически возможного.

Поэтому в основу изобретения положена задача путем усовершенствования конструктивных условий взаимодействия основного потока с вводимой в него возмущающей струей создать такое устройство для воздействия на поток текучей среды с возбуждением регулируемой гидродинамической кавитации, в котором гидравлические потери и шумность были бы существенно снижены (а надежность и КПД соответственно повышены) и которое обеспечивало бы как можно более эффективное регулирование процессов генерирования и схлопывания каверн.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для воздействия на поток текучей среды, имеющем осесимметричный проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и отверстие в стенке этого канала для подачи в основной поток возмущающей струи и возбуждения гидродинамической кавитации, согласно изобретению геометрическая ось указанного отверстия пересекается с геометрической осью проточного канала под углом, выбранным в интервале от -60 до +45^o относительно перпендикуляра к геометрической оси этого канала.

При подаче возмущающей струи через наклонные отверстия каверны образуются при незначительном дросселировании основного потока текучей среды, а их схлопывание существенно слабее отражается на надежности как самого устройства для воздействия на поток текучей среды, так и подключаемого к нему технологического оборудования (систем отопления, химических аппаратов и т.д.). Действительно, хаотичные колебания текучей среды при схлопывании каверн свободно распространяются вдоль канала преимущественно в текучей среде и довольно быстро самозатухают ниже по потоку за зоной взаимодействия струй, что снижает вибрации и шумность.

Первое дополнительное отличие заключается в том, что устройство имеет по меньшей мере одно дополнительное выполненное в стенке проточного канала и также непосредственно открытое в его полость отверстие для подачи в основной поток дополнительной возмущающей струи той же самой или иной по составу текучей среды. Это позволяет при необходимости, во-первых, интенсифицировать кавитацию в ограниченном объеме или "растягивать" зону кавитации вдоль канала и, во-вторых, вводить в основной поток текучей среды разные по химическому составу текучие ингредиенты.

Второе, дополнительное к первому отличие состоит в том, что отношение диаметра d_i каждого из отверстий в стенке канала к внутреннему диаметру D_к канала (d_i/D_к) не превышает 0,125. Это позволяет, во-первых, дополнительно повысить надежность предложенного устройства путем ограничения максимально возможных размеров каверн и, во-вторых, при необходимости наиболее эффективно формировать как основной поток, так и возмущающие струи от одного и того же источника текучей среды.

Третье, дополнительное к первому отличие предусматривает, что выходы отверстий расположены по периметру канала примерно в одной поперечной плоскости. Это позволяет возбуждать, наиболее интенсивную кавитацию в весьма ограниченной по объему части канала, что особенно важно при эмульгировании или суспендировании соответственно высоковязких жидких или прочных твердых материалов в текучей дисперсионной среде и при термомеханохимической обработке высоковязких материалов (в частности, при термомеханической деструкции полимеров).

Четвертое, дополнительное к третьему отличие предусматривает, что указанные выходы отверстий для подачи возмущающих струй расположены на равных угловых расстояниях. В этом случае указанные выше преимущества предложенного устройства как средства диспергирования проявляются наиболее полно.

Пятое, дополнительное к первому отличие предусматривает, что выходы отверстий для подачи возмущающих струй последовательно расположены вдоль канала. В этой форме выполнения при использовании предложенного устройства для нагрева текучей среды удается избежать локальных перегревов стенок канала, а при его использовании для диспергирования можно существенно уменьшить размер частиц эмульсии или суспензии при меньшей, чем в выше указанном случае, мощности единичных гидравлических ударов.

Шестое, дополнительное к пятому отличие предусматривает, что точки пересечения геометрических осей отверстий для подачи возмущающих струй с геометрической осью канала расположены одна от другой на разных линейных расстояниях b_i, которые выбраны с соблюдением следующих условий:
b₁ не менее 0,5D_к, считая по потоку от входа в цилиндрический участок проточного канала,
b₂ не менее 4d₁, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси первого отверстия с геометрической осью проточного канала, и каждое дальнейшее
b_i не менее 4d_i-1, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси (i-1)-ого отверстия с геометрической осью проточного канала,
где D_к - уже указанный внутренний диаметр канала, а
d_i - диаметры соответствующих отверстий.

При соблюдении этих условий, как было экспериментально установлено, каждый последующий этап возбуждения кавитации в потоке текучей среды начинается после схлопывания каверн, образовавшихся при впрыске предшествующей возмущающей струи. Это делает процесс более "гладким" и дополнительно способствует повышению надежности предложенного устройства.

Седьмое, дополнительное к первому отличие предусматривает, что в стенке указанного канала выполнено по меньшей мере одно отверстие для подачи газа в текучую среду, расположенное по ее потоку далее отверстия для подачи возмущающей струи. Основное преимущество такой формы выполнения предложенного устройства заключается в искусственном гашении кавитации ниже по потоку. Это особенно важно в тех случаях, когда предложенное устройство используется в качестве активатора химических процессов в чувствительных к чрезмерным термомеханохимическим воздействиям реакционных смесях. Другое преимущество такой формы выполнения предложенного устройства состоит в возможности сатурации текучей среды каким-либо полезным для ее последующего использования газом (например, при изготовлении шипучих напитков), а также в возможности повторного газирования таких текучих сред, как пиво, при их термомеханической стерилизации перед разливом в банки для длительного хранения.

Восьмое, дополнительное к седьмому отличие предусматривает, что оно имеет одно отверстие для подачи газа в текучую среду, которое расположено по ее потоку далее последнего отверстия для подачи возмущающей струи. Этот частный вариант осуществления изобретательского замысла наиболее прост.

Девятое, дополнительное к седьмому отличие предусматривает, что предложенное устройство имеет несколько отверстий для подачи газа в поток текучей среды, причем геометрические оси этих отверстий и отверстий для подачи возмущающих струй расположены примерно в одной плоскости. Эта форма выполнения предложенного устройства наиболее эффективна при сатурации текучей среды газами.

Десятое, дополнительное к седьмому отличие предусматривает, что геометрическая ось каждого из отверстий для подачи газа пересекается с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -10^o до +60^o. При соблюдении этого условия гашение кавитации в текучей среде ниже по ее потоку от места подачи возмущающей струи происходит наиболее эффективно.

Одиннадцатое дополнительное отличие предусматривает, что указанный канал для прокачивания основного потока текучей среды имеет цилиндрический участок и входной конфузор, раструб которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал. Тем самым обеспечивается ускорение основного потока текучей среды перед возбуждением кавитации.

Двенадцатое, дополнительное к одиннадцатому отличие состоит в том, что по меньшей мере одно отверстие для подачи возмущающей струи текучей среды в ее основной поток выполнено как продолжение байпасного патрубка, входной участок которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал. Тем самым создаются предпосылки для согласования напора основного потока текучей среды и возмущающих струй.

Тринадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что указанный байпасный патрубок снабжен регулятором проходного сечения, что позволяет настраивать предложенное устройство на требуемые режимы кавитации непосредственно в процессе его эксплуатации.

И, наконец, четырнадцатое, дополнительное к двенадцатому отличие состоит в том, что указанный байпасный патрубок подключен к средству нагнетания текучей среды через полость конфузора. Таким образом достигается наилучшее согласование напора основного потока текучей среды и напора возмущающей струи.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемого устройства со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фиг. 1 - простейшее устройство для воздействия на поток текучей среды (в продольном разрезе);
фиг. 2 - устройство для воздействия на поток текучей среды с множеством отверстий для подачи возмущающих струй и/или газа-успокоителя и/или иных материалов (в продольном разрезе);
фиг. 3 - поперечное сечение по АА с фиг. 1;
фиг. 4 - устройство для воздействия на поток текучей среды с одним отверстием для подачи газа-успокоителя кавитации (в продольном разрезе);
фиг. 5 - устройство для воздействия на поток текучей среды с двумя разнонаправленными отверстиями для подачи возмущающих струй (в продольном разрезе);
фиг. 6 - простейшее устройство для воздействия на поток текучей среды с входным конфузором (в продольном разрезе);
фиг. 7 - устройство для воздействия на поток текучей среды с входным конфузором и байпасными патрубками (в продольном разрезе);
фиг. 8 - схема теплогенераторной установки на основе устройства для воздействия на поток текучей среды (вид сбоку с частичным разрезом по баку-теплоаккумулятору);
фиг. 9 - то же, что на фиг. 8 (вид сверху).

Устройство для воздействия на поток текучей среды (см. фиг. 1) как минимум имеет осесимметричный ограниченный стенкой 1 проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и по меньшей мере одно отверстие 2 в стенке 1 указанного канала для подачи возмущающей струи такой же или иной по химическому составу текучей среды в ее основной поток для возбуждения гидродинамической кавитации. Отверстие 2 должно быть непосредственно открыто в проточный канал, а его геометрическая ось должна пересекаться с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -60 до +45^o.

Здесь и далее углы наклона отсчитывают от условного 0^o, соответствующего перпендикуляру к геометрической оси канала, ограниченного стенкой 1. При этом знаки [-] и [+] указывают на такие углы наклона геометрических осей отверстий 2 к геометрической оси канала, при которых возмущающие струи соответственно ориентированы либо навстречу, либо спутно основному потоку текучей среды.

Следует отметить, что при абсолютной величине углов наклона в указанных пределах взаимодействие основного потока и возмущающей струи текучей среды с генерированием и схлопыванием каверн протекает наиболее эффективно. Действительно, как показали экспериментальные исследования, при углах более +45^o процесс генерирования каверн становится тем более неустойчивым, чем более спутной основному потоку оказывается возмущающая струя, а при углах менее -60^o процесс схлопывания каверн тем далее "растягивается" по длине осесимметричного канала, чем более встречной потоку оказывается возмущающая струя.

Следует также отметить, что даже при одном отверстии 2 возможно использовать для формирования возмущающей струи такую текучую среду, химический состав и физические свойства (например, вязкость и/или плотность) которой существенно отличаются от состава и свойств текучей среды, используемой для формирования основного потока.

Однако технологические возможности предложенного устройства существенно расширяются, когда количество отверстий 2 в стенке 1, непосредственно открытых в проточный канал и наклоненных к его геометрической оси под выбранными в указанном диапазоне углами, будет не менее (а предпочтительно - более) двух.

В этом случае возможны два основных варианта расположения выходов отверстий 2 относительно проточного канала:
последовательно один за другим вдоль канала, как это видно на фиг. 2, или
по периметру канала примерно в одной плоскости и, предпочтительно, на равных угловых расстояниях, как это видно на фиг. 3.

Естественно, что при некоторых технологических потребностях не исключено и сочетание обоих вариантов расположения выходов отверстий 2.

Действительно, при последовательном расположении выходов отверстий 2 зона кавитации "растягивается" вдоль канала, что позволяет в довольно мягком режиме эффективно диспергировать компоненты (например, капли жира в молоке) в составе текучей среды и/или вводить одинаковые или разные добавки в основной поток текучей среды и эффективно их перемешивать.

Если же выходы отверстий 2 расположены по периметру проточного канала примерно в одной плоскости, генерирование каверн происходит в весьма ограниченном объеме, что позволяет интенсивными гидравлическими ударами диспергировать даже высокопрочные твердые добавки к основному потоку текучей среды или эффективно механохимически деструктировать полимеры, кубовые остатки переработки (особенно высоковязких) нефтей, частицы резины и т.п.

Специалисту понятно, что в последнем случае стенка 1 проточного канала вокруг зоны интенсивной кавитации для снижения опасности аварий может быть дополнительно армирована с использованием известных методов и средств.

Однако независимо от схемы взаиморасположения отверстий 2 относительно проточного канала предпочтительно (см. фиг. 2), чтобы отношение диаметра d_i каждого из отверстий 2 к внутреннему диаметру D_к канала (d_i/D_к) не превышало 0,125. При выполнении этого условия практически исключаются перекрытие просвета проточного канала образующимися кавернами и, соответственно, их схлопывание с прямой (не опосредованной слоем текучей среды) передачей ударных импульсов на стенку 1. Кроме того, при формировании основного потока и возмущающих струй от одного и того же источника текучей среды удается стабилизировать размеры генерируемых каверн и уровень гидродинамического шума.

Дополнительно следует отметить, что выходы последовательно расположенных вдоль проточного канала отверстий 2 (см. фиг. 2) предпочтительно должны находиться на разных линейных расстояниях, которые выбраны с соблюдением следующих условий:
b₁ не менее 0,5D_к, считая по потоку от входа в цилиндрический участок проточного канала,
b₂ не менее 4d₁, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси первого отверстия с геометрической осью проточного канала, и каждое дальнейшее
b_i не менее 4d_i-1, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси (i-1)-ого отверстия с геометрической осью проточного канала,
где D_к - уже указанный внутренний диаметр канала, а
d_i - диаметры соответствующих отверстий 2.

Как было выше отмечено, при таком расположении выходов отверстий 2 в проточный канал, каждый последующий этап возбуждения кавитации в потоке текучей среды обычно начинается после схлопывания каверн, образовавшихся при впрыске предшествующей возмущающей струи. Этот эффект, способствующий существенному повышению надежности предложенного устройства, особенно заметен при соблюдении также ранее указанного условия (d_i/D_к < 0,125.

Целесообразно (см. фиг. 2 и 4) иметь в стенке 1 указанного канала по меньшей мере одно отверстие 3 для подачи газа в текучую среду, расположенное по потоку далее отверстия 2 для подачи возмущающей струи. При этом желательно, чтобы геометрическая ось каждого такого отверстия 3 для подачи газа пересекалась с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -10 до +60^o.

Эти углы наклона также отсчитывают от условного 0^o, соответствующего перпендикуляру к геометрической оси канала, ограниченного стенкой 1. При этом знаки [-] и [+] указывают на такие углы наклона геометрических осей отверстий 3 к геометрической оси канала, при которых потоки газа соответственно ориентированы либо навстречу, либо спутно основному потоку текучей среды.

Если отверстие 3 для подачи газа всего одно, то предпочтительно, когда оно расположено далее последнего отверстия 2 для подачи возмущающей струи (см. фиг. 4). Если же имеется несколько отверстий 3, то желательно, чтобы геометрические оси этих отверстий 3 и отверстий 2 для подачи возмущающих струй были расположены примерно в одной плоскости (см. вновь фиг. 2), а выходы отверстий 3 находились ниже по потоку относительно выходов предшествующих отверстий 2.

Основная цель введения газа в поток кавитирующей текучей среды состоит в успокоении этой среды, снижении гидродинамического шума и, соответственно, повышении надежности устройства согласно изобретению как такового и технологических систем, в которые оно будет встроено.

Естественно, что газ, используемый только для указанной цели, должен быть отделен от потока текучей среды после его успокоения и что такое отделение может быть обеспечено общеизвестными коммерчески доступными средствами.

Однако технологические возможности, создаваемые описанной формой воплощения изобретательского замысла, этим не исчерпываются. Например, возможно применение описанного устройства для стерилизации таких шипучих напитков, как пиво. В этом случае использование отверстий 3 обеспечивает ресатурацию потока пива углекислым газом, выделившимся из него при нагреве.

В одной из предпочтительных форм выполнения предложенного устройства (см. фиг. 6) канал для прокачивания основного потока текучей среды имеет цилиндрический участок 4 и входной конфузор 5, раструб которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал.

При этом желательно, чтобы каждое отверстие 2 для подачи возмущающей струи текучей среды в ее основной поток было выполнено как продолжение байпасного патрубка 6, который предназначен для подключения к упомянутому средству нагнетания, в частности, через полость конфузора 5, как это показано на фиг. 7.

Целесообразно также, чтобы каждый указанный байпасный патрубок 6 был снабжен регулятором 7 проходного сечения.

Для дополнительного пояснения сущности предложенного устройства и возможностей его практического использования на фигурах 8 и 9 схематически показана теплогенераторная установка. Она имеет электродвигатель (или иной источник энергии) 8, предпочтительно центробежный насос 9, бак-теплоаккумулятор 10, придонная часть которого питающим патрубком 11 подключена на всас насоса 9, устройство 12 для воздействия на поток текучей среды, подключенное к нагнетательному патрубку насоса 9, и газовый (в частности, воздушный) резервуар-сепаратор 13, установленный над крышкой (или на крышке) бака-теплоаккумулятора 10 и включенный между газовой (воздушной) полостью указанного бака 10 и проточным каналом устройства 12.

Для возбуждения и поддержания кавитационного режима в устройстве 12 предусмотрены (в частности, два, как видно на фиг. 9), байпасных патрубка 6 с регуляторами 7 проходного сечения, соединяющие полость нагнетательного патрубка насоса 9 с цилиндрическим проточным каналом устройства 12 так, как это описано выше.

Насос 9, устройство 12 и бак-теплоаккумулятор 10 в совокупности образуют контур рециркуляции текучей среды. к которому известным для специалистов образом могут быть подключены потребители тепловой энергии, например, общеизвестные батареи водяного отопления.

Верхняя часть полости бака-теплоаккумулятора 10, резервуар-сепаратор 13 с газовым патрубком 14 и часть проточного канала устройства 12 в совокупности образуют контур рециркуляции газа (воздуха).

Хотя это и не показано особо на фиг. 8, выходы отверстий из байпасных патрубков 6 в проточный канал устройства 12 ориентированы, например, под углами около -45^o навстречу основному потоку, а выход в ту же полость из газового патрубка 14 ориентирован, например, под углом около +40^o спутно основному потоку текучей среды.

Устройство для воздействия на поток текучей среды, описанное выше на разных примерах воплощения изобретательского замысла, может быть следующим образом использовано для возбуждения регулируемой гидродинамической кавитации.

Как видно на фиг. 1, сквозь ограниченный стенкой 1 проточный канал прокачивают под давлением основной поток текучей среды, который обозначен тремя параллельными стрелками. По меньшей мере одну возмущающую струю (той же, или иной) текучей среды, которая обозначена штриховкой, впрыскивают в указанный основной поток, что вызывает локальное падение давления жидкости в основном потоке ниже критического значения и образование каверн, которые обозначены осесимметричной (для данного случая с двумя отверстиями 2) кривой контурной линией.

Эти каверны обычно дробятся на отдельные более мелкие "пустоты", которые самопроизвольно схлопываются ниже по потоку внутри проточного канала с преобразованием кинетической энергии напора основного потока текучей среды преимущественно в тепловую энергию и, в некоторой степени, в энергию механических колебаний (как правило, звуковой частоты).

Регулирование кавитационного режима в таком простейшем варианте возможно изменением соотношения напора и/или расхода в основном потоке текучей среды и напора и/или расхода текучей среды в возмущающих струях.

Как видно на фиг. 2, через отверстия 3, выходы которых расположены ниже по потоку относительно выходов предшествующих отверстий 2, в основной поток текучей среды можно вдувать газ-успокоитель, облегчающий схлопывание каверн, или иной газообразный (ре)агент для насыщения текучей среды и/или проведения в ней химических реакций.

В простейших же случаях, когда требуется лишь снижение уровня гидродинамического шума, достаточно вдувать газ-успокоитель через одно отверстие 3, расположенное по потоку ниже всех отверстий 2 (см. фиг. 4).

Как уже было сказано, при подаче возмущающих струй через несколько расположенных по периметру стенки 1 отверстий 2 (см. фиг. 3) в основном потоке текучей среды можно генерировать весьма мощные гидравлические удары, достаточные для термомеханохимической обработки (преимущественно деструкции) олигомерных и полимерных материалов.

Подача разнонаправленных возмущающих струй с использованием устройства согласно фиг. 5 наиболее предпочтительна при кавитационном приготовлении эмульсий или суспензий из разных по химическому составу и свойствам материалов на основе произвольных жидких дисперсионных сред, используемых для формирования основного потока текучей среды.

Дополнительный разгон текучей среды в конфузоре (см. фиг. 6) способствует наиболее эффективному преобразованию кинетической энергии жидкости в тепловую энергию, а использование байпасных патрубков 6 (в особенности, с регуляторами 7 их проходного сечения и, соответственно, расхода текучей среды на формирование возмущающих струй позволяет эффективно влиять на генерирование каверн в основном потоке.

При использовании устройства 12 для воздействия на поток текучей среды в составе теплогенераторной установки (см. фиг. 8 и 9) в качестве основных особенностей его работы следует отметить непрерывно и одновременно протекающие рециркуляцию жидкого теплоносителя через бак-теплоаккумулятор 10, сепарацию газа-успокоителя от жидкого теплоносителя в верхней части этого бака-теплоаккумулятора 10 и рециркуляцию газа-успокоителя через резервуар-сепаратор 13, газовый патрубок 14 и часть проточного канала устройства 12.

Естественно, что приведенные примеры конструктивного осуществления изобретательского замысла и примеры технологических возможностей не исчерпывают все аспекты промышленного применения устройства согласно изобретению.

Формула изобретения

1. Устройство для воздействия на поток текучей среды, имеющее осесимметричный проточный канал для прокачивания основного потока текучей среды и отверстие в стенке этого канала для подачи в основной поток возмущающей струи и возбуждения гидродинамической кавитации, отличающееся тем, что геометрическая ось указанного отверстия пересекается с геометрической осью проточного канала под углом, выбранным в интервале от -60 до +45^o относительно перпендикуляра к геометрической оси этого канала.

2. Установка по п. 1, отличающееся тем, что оно имеет по меньшей мере одно дополнительное выполненное в стенке проточного канала и также непосредственно открытое в его полость отверстие для подачи в основной поток дополнительной возмущающей струи той же самой или иной по составу текучей среды.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отношение диаметра d_i каждого из отверстий в стенке канала в внутреннему диаметру D_k канала (d_i/D_k) не превышает 0,125.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выходы отверстий расположены по периметру канала примерно в одной плоскости.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанные выходы отверстий для подачи возмущающих струй расположены на равных угловых расстояниях.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выходы отверстий для подачи возмущающих струй последовательно расположены вдоль канала.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что точки пересечения геометрических осей отверстий для подачи возмущающих струй с геометрической осью канала расположены одна от другой на разных линейных расстояниях b_i, которые выбраны с соблюдением следующих условий: b₁ не менее 0,5 D_k, считая по потоку от входа в цилиндрический участок проточного канала, b₂ не менее 4 d₁, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси первого отверстия с геометрической осью проточного канала, и каждое дальнейшее b_i не менее 4 d_i-1, считая по потоку от точки пересечения геометрической оси (i-1)-го отверстия с геометрической осью проточного канала, где D_k - уже указанный внутренний диаметр канала, а d_i - диаметры соответствующих отверстий.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в стенке указанного канала выполнено по меньшей мере одно отверстие для подачи газа в текучую среду, расположенное по ее потоку далее отверстия для подачи возмущающей струи.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно имеет одно отверстие для подачи газа в текучую среду, которое расположено по ее потоку далее последнего отверстия для подачи возмущающей струи.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно имеет несколько отверстий для подачи газа в текучую среду, причем геометрические оси этих отверстий и отверстий для подачи возмущающих струй расположены примерно в одной плоскости.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что геометрическая ось каждого из отверстий для подачи газа пересекается с геометрической осью канала под углом, выбранным в интервале от -10 до +60^o.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный канал для прокачивания основного потока текучей среды имеет цилиндрический участок и входной конфузор, раструб которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что по меньшей мере одно отверстие для подачи возмущающей струи текучей среды в ее основной поток выполнено как продолжение байпасного патрубка, входной участок которого предназначен для подключения к средству нагнетания текучей среды в канал.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанный байпасный патрубок снабжен регулятором проходного сечения.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанный байпасный патрубок подключен к средству нагнетания текучей среды через полость конфузора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.03.2006        БИ: 08/2006