Способ получения кавитации

 

Изобретение относится к области гидродинамики, а именно к способам получения кавитации в жидкости, может быть применено для интенсификации процессов смешивания, контакта, диспергирования, эмульгирования, массообмена, теплообмена жидкостей, ускорения химических реакций в жидких средах, а также для перевода упорядоченной энергии (давления и скорости) жидкости в тепловую энергию. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности получения кавитации. Способ включает создание в жидкости двух гидродинамических режимов, первого, обеспечивающего кавитацию путем разгона жидкости до скорости, при которой статическое давление в ней равно давлению насыщенного пара, и второго, обеспечивающего торможение кавитирующей жидкости путем повышения статического давления до величины прекращения в ней кавитации, последующий отвод жидкости, при этом из жидкости создают парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создают в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а на периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в торообразных потоках вокруг их кольцевых осей перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гидродинамики, а именно к способам получения кавитации в жидкости. Оно может быть применено для интенсификации процессов смешивания, контакта, диспергирования, эмульгирования, массообмена, теплообмена жидкостей, ускорения химических реакций в жидких средах, а также для перевода упорядоченной энергии (давления и скорости) жидкости в тепловую энергию.

Известен способ получения кавитации в жидкостях (см. Большой энциклопедический словарь “ФИЗИКА” - М.: Научное издательство “Большая Российская энциклопедия”, 1999, с.236-237) путем излучения в жидкость интенсивных звуковых волн.

Несмотря на широкое распространение в промышленности для интенсификации технологических процессов в химической и нефтехимической промышленности (см. книгу Федоткина И.М., Немчина А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах - Киев: Высшая школа, 1986, 47 с.), данный способ получения кавитации энергоемок. Для получения кавитации этим способом необходимо излучать акустические колебания в частотном диапазоне 0,3-35 кГц с интенсивностью порядка 1,5-2,5 Вт/см². Что требует дорогостоящих, мощных ультразвуковых генераторов. Кроме того, кавитация образуется только в непосредственной близости от источника звуковых волн и занимает в общей массе жидкости незначительный объем. Последнее обстоятельство существенно уменьшает эффективность действия кавитации на технологические процессы, которые интенсифицируют с ее помощью. Кроме того, возникновение и развитие кавитации в непосредственной близости от источника звуковых волн разрушительно действует на ультразвуковой генератор, снижая его надежность и работоспособность.

Проще и экономичней получить кавитацию гидродинамическим путем (см. Труды ЦАГИ №655 с. Возникновение и развитие кавитации // Л.А.Эпштейн - Издательство новой техники - 1948 - С.4-5; книгу Холпанова Л.П., Запорожца Е.П., Зиберта Г.К., Кащицкого Ю.А. Математическое моделирование нелинейных термогазодинамических процессов в многокомпонентных струйных течениях. - М.: Наука, 1998, с.211). Данный способ получения кавитации включает два гидродинамических режима, в первом из которых жидкость разгоняют до скорости, при которой статическое давление в жидкости становиться равным давлению ее насыщенного пара, и при котором происходит кавитация, во втором режиме кавитирующую жидкость затормаживают, повышая статическое давление до величины, при которой кавитация прекращается, и отводят жидкость.

Однако кавитация, получаемая таким способом, образуется не по всему сечению потока, а только в некоторой ее части. Она образуется у стенок устройств (обычно это трубки с пережатием - сопла типа Вентури). Поэтому не вся жидкость участвует в кавитационном процессе, а только ее часть. Это снижает эффективность ее использования. Кроме того, образование и развитие кавитации у стенок устройств разрушительно действует на них и снижает надежность работы.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности получения кавитации и увеличения надежности работы аппаратов.

Для достижения названного технического результата в способе получения кавитации, включающем создание в жидкости двух гидродинамических режимов, первого, обеспечивающего кавитацию путем разгона жидкости до скорости, при которой статическое давление в ней равно давлению насыщенного пара, и второго, обеспечивающего торможение кавитирующей жидкости путем повышения статического давления до величины прекращения в ней кавитации, и последующий отвод жидкости, из жидкости создают парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создают в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а на периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в торообразных потоках вокруг их кольцевых осей перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно.

Вращение потоков вокруг кольцевой оси в каждой паре торообразных потоков производят в противоположных направлениях с образованием суммарной составляющей, направленной к центру.

Парные торообразные потоки в жидкости создают многократно.

Жидкость отводят с периферии парных торообразных потоков в одном или противоположных направлениях.

Жидкость отводят несколькими потоками с различных радиусов.

Отличительными признаками предложенного способа являются создание из жидкости парных торообразных потоков, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создают в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а на периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в торообразных потоках вокруг их кольцевых осей перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно. Эго позволяет интенсифицировать процесс кавитации за счет сложения энергии однонаправленных течений двух вращающихся в разные стороны потоков и перемещения области кавитации от периферии к центру и благодаря этому расширить область кавитации, повысить эффективность получения кавитации и увеличить надежность работы установки для осуществления способа кавитации жидкости за счет исключения действия кавитирующей жидкости на оболочку, окружающую потоки.

Парные торообразные потоки в жидкости создают многократно для увеличения эффективности кавитации жидкости.

Жидкость отводят с периферии парных торообразных потоков в одном или противоположных направлениях для предотвращения разрушения стенок отводящих патрубков или с разных радиусов с целью разделения ее по составу или плотности.

На фиг.1 приведена схема аппарата для осуществления способа получения кавитации;

На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

На фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;

На фиг.4 приведена схема аппарата с расширенной областью кавитации.

На схеме (фиг.1-3) показан корпус 1 аппарата для осуществления способа получения кавитации с парными вихревыми патрубками 2. В корпусе аппарата 1 показаны торообразные потоки жидкости 3 и 4 с центральной осью вращения 5 и кольцевыми осями вращения 6, внутренняя область 7 для создания первого гидродинамического режима, обеспечивающего кавитацию, периферийная область 8 для создания второго гидродинамического режима, обеспечивающего прекращение кавитации в жидкости, и патрубки для отвода жидкости 9.

Способ осуществляется следующим образом.

В корпус 1 (фиг.1-3) аппарата для осуществления способа получения кавитации через парные вихревые патрубки 2 подают жидкость. Из жидкости внутри корпуса 1 аппарата создают парные торообразные потоки 3 и 4. Путем вращения жидкости в каждом торообразном потоке 3 и 4 вокруг центральной оси 5 создают высокое давление жидкости на периферии 8 и низкое давление во внутренней области 7. За счет создания низкого давления во внутренней области 7 торообразных потоков 3 и 4 реализуют первый гидродинамический режим, при котором осуществляют кавитацию. На периферии 8 торообразных потоков 3 и 4 за счет создания высокого давления реализуют второй гидродинамический режим, при котором прекращают кавитацию. Перемещение жидкости с периферии 8 во внутреннюю область 7 и обратно осуществляют путем вращения жидкости вокруг кольцевых осей 6 каждого из торообразных потоков 3 и 4. То есть осуществляют циркуляцию жидкости, находящейся на периферии 8 через внутреннюю область 7, в которой осуществляют кавитацию, тем самым повышают количество жидкости, участвующей в процессе кавитации.

Парные торообразные потоки 3 и 4 (фиг.4) создают многократно и тем самым расширяют область 7, в которой осуществляют кавитацию жидкости. Жидкость отводят с периферии 8 парных торообразных потоков 3 и 4 в одном или противоположных направлениях через патрубки 9. Этим исключают действие кавитации на отводящие жидкость патрубки и таким образом повышают надежность работы аппарата.

Жидкость разной плотности или состава отводят с разных радиусов, более плотная или с большим молекулярным весом через патрубки, расположенные на максимальных радиусах.

Пример.

Из жидкости, температура которой 300К, давление 5·10⁵ Па и расход 20 кг/с, создают парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости, которую разгоняют до скорости порядка 30 м/с, вокруг центральной оси создают в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим. При такой скорости статическое давление в жидкости становится равным давлению ее насыщенного пара 2000 Па, и происходит кавитация. При этом на периферии создают второй гидродинамический режим, при котором статическое давление имеет величину порядка 1,5·10⁵ Па и тем самым обеспечивают прекращение кавитации в жидкости на периферии торообразных потоков и, как следствие, прекращают ее разрушающее действие на цилиндрический корпус аппарата. Вращением жидкости в парных торообразных потоках вокруг их кольцевых осей в противоположных направлениях перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно, чем повышают эффективность получения кавитационных потоков.

Парные торообразные потоки в жидкости создают многократно. Это позволяет достигнуть наибольшей эффективности кавитации.

Жидкость отводят с периферии парных торообразных потоков в одном или противоположных направлениях, чем исключают разрушающее действие кавитации на отводящие жидкость патрубки, при необходимости использования кавитирующей жидкости она отводится из центральной зоны по оси 5.

Таким образом, повышение эффективности получения кавитации и увеличения надежности работы аппарата достигается тем, что из жидкости создаются парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращается вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создается в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, обеспечивающий кавитацию, а на периферии - второй гидродинамический режим, обеспечивающий торможение кавитирующей жидкости, а перемещается жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно путем вращения ее в торообразных потоках вокруг их кольцевых осей.

Формула изобретения

1. Способ получения кавитации, включающий создание в жидкости двух гидродинамических режимов, первого, обеспечивающего кавитацию, путем разгона жидкости до скорости, при которой статическое давление в ней равно давлению насыщенного пара, и второго, обеспечивающего торможение кавитирующей жидкости, путем повышения статического давления до величины прекращения в ней кавитации, и последующий отвод жидкости, отличающийся тем, что из жидкости создают парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создают в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а на периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в торообразных потоках вокруг кольцевых осей перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращение потоков вокруг кольцевой оси в каждой паре торообразных потоков производят в противоположных направлениях с образованием суммарной составляющей, направленной к центру.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что парные торообразные потоки в жидкости создают многократно.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что жидкость отводят с периферии парных торообразных потоков в одном или противоположных направлениях.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что жидкость отводят несколькими потоками с различных радиусов торообразных потоков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4