Способ и устройство шестеренко диспергирования газожидкостной смеси

Изобретение относится к технике диспергирования газожидкостной смеси и может использоваться в различных областях техники. Оно также может быть использовано в качестве устройства для транспортировки газожидкостной смеси по трубам в качестве эрлифта и устройства для разгона до больших скоростей газожидкостной смеси в устройствах, использующих действие реактивной струи (турбинах, движителях, моечных и полировочных машинах и т.д.). Газожидкостный поток разгоняют при сверхзвуковой скорости в соплах Лаваля. В результате эжекторного вакуумирования полостей создаются условия мгновенного закипания жидкой фазы при разрыве ее частичек на более мелкие и перевод части жидкой фазы в газообразную фазу. Газожидкостный поток получает дополнительную кинетическую энергию, что очень важно для транспортировки ее или использования этой энергии для выполнения определенной работы, которая может быть использована в различных областях техники. Устройство содержит последовательно соединенные сопла Лаваля. Технический результат состоит в получении высокодисперсной газожидкостной смеси. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к технике диспергирования газожидкостной смеси для различных областей техники.

Известны «Способ и устройство Шестеренко эжекторного разгона газа с получением энергии из вакуума» по международной заявке PCT/RU 02/0039, опубликованной 27 марта 2003 года (номер международной публикации WO 03.025 379 А1), включающее в себя:

1. Способ разгона газа с получением энергии, состоящий в том, что под действием источника принудительного прокачивания в сверхзвуковом эжекторном режиме потоком газа вакуумируют полость, в которой используют возникший в результате эжекции полости перепад давления в разгонной части эжектора и доразгоняют поток газа до больших скоростей и увеличивают этим эффект эжекции и вакуумирования полости и продолжают взаимное увеличение вакуумирования полости и ускорения потока газа до максимальных возможных пределов, отличающийся тем, что дополнительно полученную в результате ускорения потока газа кинетическую энергию отводят из полости с потоком газа через выводящую часть эжектора.

2. Способ по пункту 1, отличающийся тем, что после создания внутри полости устойчивого разрежения источник принудительного прокачивания газа устраняют от последующего процесса прокачивания и разгона газа, что осуществляют в эжекторном режиме самовакуумирования полости.

3. Способы по пунктам 1 и 2, отличающиеся тем, что источником принудительного прокачивания газа создают или в полости, или в последовательно размещенных полостях дозвуковую скорость потока газа, которым в эжекторном дозвуковом режиме вакуумируют или полость, или полости и который вакуумом или этой полости, или этих полостей сначала разгоняют до скорости звука, а затем до сверхзвуковых скоростей.

4. Способ по пунктам 1, 2 и 3, отличающийся тем, что оптимизируют эффект эжекции и разгона газа за счет изменения или расстояния между критическими сечениями, или изменения геометрий внутри эжектора, или изменения площади критических сечений или их сочетания.

5. Устройство для осуществления способа по пунктам 1 и 2 содержит сверхзвуковые сопла, герметично соединенные между собой, причем критическое сечение каждого сверхзвукового сопла не меньше критического сечения первого по ходу движения газа сверхзвукового сопла.

6. Устройство по пункту 5, отличающееся тем, что не менее чем одно сопло или жестко, или с возможностью осевого перемещения введено коаксиально в последующее по ходу движения сопло с образованием полости и выполнено в виде сверхзвукового сопла, или в виде трубки Вентури, или в виде их комбинации, или в виде расширяющего сопла, при этом полость (полости) или являются автономно-герметичной, или не менее чем одна полость сообщена через устройство перекрытия или с окружающей средой, или с труборессивером (емкостями), который сообщен через устройство перекрытия или с источником принудительного прокачивания газа (разрежения), или с окружающей средой, или с тем и другим.

7. Устройство по пунктам 5 и 6, отличающееся тем, что или входное, или выходное, или входное и выходное сечение (сечения) устройства установлено (установлены) в резервуаре (резервуарах), который сообщен магистралью с источником принудительного прокачивания газа, при этом магистраль снабжена устройством перекрытия магистрали, а резервуар снабжен или отверстием, или сужающимся соплом, или сверхзвуковым соплом, или патрубком, который, в свою очередь, снабжен устройством перекрытия и имеет критическое сечение не меньше первого по ходу газа сопла устройства, причем устройство перекрытия сообщено либо с окружающей средой, либо с газопроводом закольцовывания газовых потоков установки.

8. Устройство по пункту 7, отличающееся тем, что магистраль, соединяющая резервуар с источником принудительного прокачивания (разрежения) газа, снабжена не менее чем одним дополнительным устройством, причем каждое последующее по ходу газа дополнительное устройство меньше предыдущего, а первое по ходу газа сопло каждого последующего устройство сообщено с магистралью каждого предыдущего устройства.

9. Устройство по пунктам 5 и 6, отличающееся тем, что в первом по ходу движения газа сопле негерметично и коаксиально или жестко, или с возможностью осевого передвижения установлено или дозвуковое, или сверхзвуковое возбуждающее сопло, сообщенное с источником повышенного давления через газовод или не менее чем однократно возбуждающее сопло выполнено в виде устройства по пункту или 6 или 9, но меньшего размера по сравнению с каждым последующим по ходу движения газа устройством.

10. Устройство по пунктам 5, 6, 7, 8, 9, отличающееся тем, что не менее чем одно сопло выполнено с возможностью изменения или критического сечения сопла, или угла наклона образующих сопла по отношению к направлению движения потока газа или их сочетания.

Недостатком прототипа является неиспользование его в качестве диспергатора.

Известно авторское свидетельство СССР №1426642, дополнительное к №1422248, в котором насадок состоит из сверхзвуковых сопел, соединенных между собой герметично, и снабжен по меньшей мере одним дополнительным соплом, критическое сечение которого выбрано меньшим критического сечения предыдущего по ходу движения газа сопла, но не меньшим критического сечения первого сверхзвукового сопла. У аналога недостаток в том, что он не используется в качестве диспергатора.

Аналог 2

Известно авторское свидетельство СССР №1242248, в котором насадок содержит соосно установленные сверхзвуковые сопла, критическое сечение каждого из которых не меньше критического сечения предыдущего по ходу движения аэрозоля сопла, причем сверхзвуковые сопла связаны между собой с образованием герметичного соединения.

Однако вышеуказанный аналог 2 не используется в качестве диспергатора.

Аналог 3

Известны диспергаторы механические в виде распылителей жидкостей (инжектирование), например распыление жидкого топлива в форсунках. Также известны диспергаторы, основанные на применении вибрационных методов (воздействия колебаний достаточно высокой частоты и малой амплитуды), применяемых в вибромельницах. К этой группе относятся диспергаторы, работающие в дозвуковых и ультразвуковых полях (см. Большая Советская Энциклопедия, том 14, стр.434-436).

Известные диспергаторы не могут в процессе диспергирования придать материалу сверхзвуковую скорость, что ограничивает их применение.

Целью изобретения является получение высокодисперсной газожидкостной смеси. Цель достигается тем, что:

1. Применяется способ Шестеренко эжекторного разгона газа в качестве способа диспергирования газожидкостной смеси.

2. Применение устройства Шестеренко эжекторного разгона газа в качестве диспергатора газожидкостной смеси.

Предлагаемый способ и устройство поясняются на фиг.1, 2, 3, 4, 5 и 6. На фиг.1 изображен вариант диспергатора, состоящего из сопел Лаваля 1, 2, 3 и 4, которые имеют критические сечения 5, 6, 7 и 8 соответственно. Герметичное соединение между соплами Лаваля 1, 2, 3 и 4 осуществляется при помощи болтов 9, гаек 10 и резиновых прокладок 11. Сопло Лаваля 1 введено в сопло Лаваля 2 коаксиально и установлено при помощи плоскости 12. Между плоскостью 12 и соплами Лаваля 1 и 2 образована герметичная полость 13. Сопло Лаваля 1 имеет входное сечение 14. Сопло Лаваля 4 имеет выходное сечение 15.

На фиг.2 изображен вариант, когда на плоскости 12 установлено сужающееся дозвуковое сопло 16, имеющее критическое сечение 17 и входное сечение 18.

На фиг.3 изображен вариант, когда между дозвуковым сужающимся соплом 16 и соплом Лаваля 2 установлены дозвуковое сужающееся сопло 19, имеющее критическое сечение 20, и сужающееся сопло 21, имеющее критическое сечение 22. Сужающиеся сопла 19 и 21 установлены при помощи плоскостей 23 и 24, которые аналогичны плоскости 12. Между сужающимися соплами 16, 19, 21 и соплом Лаваля 2, а также плоскостями 12, 23 и 24 образованы соответственно полости 25, 26 и 27.

На фиг.4 изображен вариант, когда сопла Лаваля 1, 2, 3 и 4 установлены с последовательным увеличением расстояния и объема внутренних полостей между критическими сечениями 5, 6, 7 и 8. Причем критические сечения 6 и 7 прогрессивно увеличиваются по сравнению с критическим сечением 5, которое является наименьшим. Критическое сечение 8 может быть меньше или равным критических сечений 6 и 7 или быть больше их, что определяется задачами и физическими параметрами обрабатываемых газожидкостных смесей. Сечение 28 соответствует расчетному сечению при заданном сверхзвуковом перепаде давления на входе в сечение 14. Линия 29 соответствует движению оторванной от стенок сопла Лаваля 1 газожидкостной смеси в расчетном режиме. Сечение 30 показывает место, где газожидкостная смесь на расчетном режиме касается сопла Лаваля 2 и притормаживается в нем перед критическим сечением 6. Полость 31 показывает зону, которая вакуумируется за счет эффекта эжекции. Сечение 32 соответствует месту отрыва газожидкостной смеси от сопла Лаваля 2 после приращения кинетической энергии в сопле Лаваля 1 за счет вакуумирования полости 31. Линия 33 соответствует движению потока газожидкостной смеси до сечения 34, за которым находится область торможения перед критическим сечением 7. Герметичная полость 35 является областью вакуумирования.

Аналогично предыдущему сечение 36 соответствует сечению отрыва потока газожидкостной смеси от стенок сопла Лаваля 3. Причем этот поток уже получил приращение кинетической энергии за счет вакуумирования полости 35. Линия 37 соответствует линии движения оторванного потока газожидкостной смеси до сечения 38, когда поток тормозится на стенках сопла Лаваля 4 перед критическим сечением 8. Герметичная полость 39 является областью вакуумирования за счет эффекта эжекции.

На фиг.5 изображена схема применения устройства, где изображен смеситель 40, газоподающий коллектор 41, отстойник 42, один из вариантов устройства диспергирования газожидкостной смеси (диспергатор) 43, трубопроводы 44, отвод 45 и накопитель твердых частиц 46, насос 47, отвод 48 газа к компрессору 49, который возвращает газ в газоподающий коллектор 50 и смеситель 51, за которым идет диспергатор 43, а за ним идет трубопровод 44.

На фиг.6 изображен вариант уже известных элементов, которые могут являться самостоятельным комплектом насоса, который может быть использован в различных отраслях техники для подачи газожидкостной смеси с большой скоростью. Предлагаемые способ и устройство работают следующим образом.

Под действием давления, создаваемого компрессорами, подается газожидкостная смесь через сечение 14 в сопло Лаваля 1, где разгоняется до сверхзвуковой скорости. Поток газожидкостной смеси перед критическим сечением 6 притормаживается и за ним опять разгоняется. Аналогичное происходит в соплах Лаваля 3 и 4. При этом газожидкостная смесь перед критическим сечением 5 за счет возрастания скорости и сильного падения давления в потоке попадает в режим кавитации. Жидкая фракция закипает, переходя в газообразную, а затем концентрируясь в виде более мелких частичек жидкости.

За критическим сечением 5 в сопле Лаваля 1 процесс закипания жидкой фракции почти мгновенно усиливается. Если газожидкостная смесь состоит из перегретого пара и нефти, то легкие фракции нефти превращаются в газ, причем при закипании фракций нефти происходит интенсивный разрыв ее частиц на мелкие частички. Перед критическим сечением 6 поток газожидкостной смеси притормаживается и затем в сопле Лаваля 2 опять разгоняется до сверхзвуковой скорости. За счет эффекта эжекции полость 13 вакуумируется, что увеличивает перепад давления в сопле Лаваля 1 и за счет этого скорость потока перед критическим сечением 6 в виде перерасширения бочки увеличивается при увеличении эффекта разрыва частиц жидкой фракции на более мелкие частицы. Аналогичное происходит в соплах Лаваля 2,3 и 4. Причем сопла Лаваля 2 и 3 выполнены в режиме перерасширения газа, что позволяет в режиме эжекторного вакуумирования межкритических герметичных пространств в соплах Лаваля 2, 3 и 4 создать максимально возможную скорость потока газожидкостной смеси, создав максимальный эффект разрыва частиц жидкой фракции, повторяя это многократно, пока весь поток не превратится в устойчивый туман (высокодисперсную газожидкостную систему). При этом закипание жидкости и конденсация ее происходит поочередно и многократно.

Аналогичное происходит и в варианте, изображенном на фиг.2 и 3. Только на фиг.2 за счет максимального приближения критического сечения 17 сужающегося сопла 16 к критическому сечению 6 выход на режим эжекции происходит при меньших перепадах давления. Это можно осуществить или в жесткой фиксации, или при осевом перемещении сопла 16 (на фиг. не показано). За счет вакуумирования полости 13 в сужающемся сопле 16 перепад давления возрастает, выводя режим истечения продукта на сверхзвуковой режим.

В момент запуска газовой фазы должно быть достаточно, чтобы выйти на сверхзвуковой режим, а на рабочем режиме суммарное количество газовой фазы с учетом закипания жидкости также должно обеспечивать сверхзвуковой режим работы устройства. На фиг.3 вакуумируются полости 25, 26 и 27 в момент запуска. На рабочем режиме жидкая фракция прибавляется. Причем за счет вакуумируемых полостей 25, 26 и 27 закипание жидкой фракции и разрыв ее частиц на более мелкие усиливается. На фиг.4 показано, как можно увеличить эффект приращения кинетической энергии за счет последовательного вакуумирования полостей 31, 35 и 39. При этом эффект разрыва более крупных частиц жидкой фазы на мелкие за счет закипания жидкости усиливается и диспергация увеличивается, превращая газожидкостную смесь в поток тумана (или высокую дисперсию смеси).

На фиг.5 изображен вариант, когда по стрелке А компрессором подается жидкость в смеситель 40, где через коллектор 41 подается компрессором сжатый газ (пар). В отстойнике 42 из газожидкостной смеси твердые фракции (песок, камешки) оседают и удаляются через отвод 45 в накопитель твердых частичек 46. Отвод осуществляется непрерывно или периодически. На фиг.5 механизм отвода частиц не показан. Далее газожидкостная смесь подается давлением в диспергатор 43 и далее в трубопровод 44. В трубопроводе 44 постепенно по мере прохождения его из смеси выделяется газ, который через отвод 48 компрессором 49 подается в коллектор 50. Газожидкостная смесь компрессором 47 подается в смеситель 51, а далее стоит опять диспергатор. Таким образом, можно транспортировать газожидкостную смесь. При этом приращение энергии за счет вакуумирования полостей используется на диспергирование и разгон смеси.

На фиг.6 изображен вариант, когда трубопровод 44 выполнен в виде диффузора. Жидкость насосом 47 подается в смеситель 51, а газ в него подается компрессором 49 через коллектор 50. Газожидкостная смесь подается в диспергатор 43, где разгоняется до больших скоростей. По стрелке Б движется поток диспергированной газожидкостной смеси со сверхзвуковой скоростью, на пути которой может быть либо полируемый предмет, либо порода размываемого грунта, либо лопатка турбины. Это устройство также может служить реактивным движетелем для спортивных лодок или морских и речных судов, а также может служить эрлифтом при строительных и других работах. Предлагаемое изобретение может быть использовано для подготовки жидкого горючего перед форсункой. Например, обработанная таким образом нефть горит лучше мазута. Практически все пункты прототипа «Способа и устройства Шестеренко эжекторного разгона газа» в той или иной мере могут быть применены в качестве способа и устройства диспергирования газожидкостной смеси. Однако на фигурах и в описаниях они рассматриваются не все. Допустим вариант, когда через коллектор 41 не подается газ, тогда за счет энергии кавитации жидкость в насадке частично переходит в газообразную фазу (например, холодный крекинг сырой нефти) и ее достаточно для процесса.

Технический эффект заключается в том, что в результате эжекторного вакуумирования полостей создаются условия мгновенного закипания жидкой фазы при разрыве ее частичек на более мелкие и перевод части жидкой фазы в газообразную фазу. При этом газожидкостный поток получает дополнительную кинетическую энергию, что очень важно для транспортировки ее или использования этой энергии для выполнения определенной работы, которая может быть использована в различных областях техники.

1. Применение способа Шестеренко эжекторного разгона газа в качестве способа диспергирования газожидкостной смеси.

2. Применение устройства Шестеренко эжекторного разгона газа в качестве диспергатора газожидкостной смеси.