RU101041U1 - CAVITATOR - Google Patents

Abstract

Кавитационный аппарат, содержащий последовательно соединенные конфузор потока входного материала, цилиндрический корпус, диффузор отвода обработанного материала, установленный вдоль горизонтальной оси корпуса кавитатор в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями и с направленными в сторону конфузора острыми передними кромками, отличающийся тем, что на плоскости гребня лопастей выполнены канавки в форме желобов, середина донной части которых находится на уровне середины расстояния между сквозными отверстиями. A cavitation apparatus containing a consecutively connected input material flow confuser, a cylindrical body, a processed material removal diffuser, a cavitator mounted along the horizontal axis of the body in the form of an impeller with a wedge-shaped blade with through holes and with sharp front edges directed towards the confuser, characterized in that grooves in the shape of the ridge of the blades are in the form of grooves, the middle of the bottom of which is at the level of the middle of the distance between the through holes style.

Description

Полезная модель относится к устройствам для обработки жидких технологических сред под действием механических эффектов, которые сопровождают кавитацию. Наиболее широкое применение она будет иметь в энергетике, пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной и парфюмерной промышленности.The utility model relates to devices for processing liquid process media under the action of mechanical effects that accompany cavitation. It will be most widely used in the energy, food, chemical, petrochemical, pharmaceutical, pulp and paper and perfume industries.

Кавитационные устройства снижают вязкость углеводного топлива, используются для образования водно-топливных эмульсий и смесей, перемешивания, диспергирования, эмульгирования и гомогенизации жидких сред, очистки поверхностей и деталей и для множества других процессов. Все эти процессы обязаны своим происхождением ударам, которые появляются при схлопывании пузырьков и микропотоков вблизи их, и их эффективность в первую очередь зависит от нюансов конструктивного строения основного рабочего органа кавитационного устройства - кавитатора.Cavitation devices reduce the viscosity of carbohydrate fuels, are used for the formation of water-fuel emulsions and mixtures, mixing, dispersing, emulsifying and homogenizing liquid media, cleaning surfaces and parts, and for many other processes. All these processes owe their origin to the blows that occur during the collapse of bubbles and microflows near them, and their effectiveness primarily depends on the nuances of the structural structure of the main working body of the cavitation device - cavitator.

Одним из разновидностей кавитаторов является лопастный завихритель, который придает жидкостному потоку разнонаправленное крутящее вихревое движение. Кавитация возникает на лопастях, которые обтекает жидкость, и зависит от условий подведения и отведения потока, профиля лопастей, особенностей их конструкций и пространственной ориентации в рабочем объеме кавитационного устройства.One of the types of cavitators is a paddle swirl, which gives the fluid flow a multidirectional twisting swirl movement. Cavitation occurs on the blades that the fluid flows around, and depends on the conditions for supplying and diverting the flow, the profile of the blades, the features of their designs and the spatial orientation in the working volume of the cavitation device.

В патенте Украины №44179 (МПК⁸: B01F 5/00, B01F 7/04, В21В 1/36, опубл. 15.01.2002 г., Бюл. №1) описан проточно-кавитационный смеситель, кавитатор которого выполнен в виде лопасти крыльчатки с направленной в сторону конфузора острой передней кромкой. Кавитатор размещен на движущейся оси. Для усиления кавитационного эффекта внутренняя поверхность проточной камеры кавитатора оснащена винтоподобной лопастью аналогичного профиля. При прохождении жидкостного потока через лопасть крыльчатки за кавитатором образуется присоединенная кавитационная каверна, которая дополняется каверной, генерируемой винтоподобной лопастью. Это позволяет усиливать ударно-волновую активность кавитационного поля, являющуюся безусловным достоинством устройства. Но вместе с тем этот смеситель имеет недостаточно высокую эффективность, а, значит, и ограниченную сферу применения. А возможность осевого передвижения кавитатора, с одной стороны, позволяет регулировать скорость потока в зоне его размещения, но, с другой стороны, усложняет его конструктивно, увеличивает габариты, материалоемкость и стоимость.In patent of Ukraine No. 44179 (IPC ⁸ : B01F 5/00, B01F 7/04, B21B 1/36, published on January 15, 2002, Bull. No. 1) a flow-cavitation mixer is described, the cavitator of which is made in the form of an impeller blade with the sharp leading edge directed towards the confuser. The cavitator is placed on a moving axis. To enhance the cavitation effect, the inner surface of the flow chamber of the cavitator is equipped with a screw-like blade of a similar profile. With the passage of the liquid flow through the impeller blade behind the cavitator, an attached cavitation cavity is formed, which is supplemented by a cavity generated by a screw-like blade. This allows you to enhance the shock wave activity of the cavitation field, which is an absolute advantage of the device. But at the same time, this mixer has not enough high efficiency, and, therefore, a limited scope. And the possibility of axial movement of the cavitator, on the one hand, allows you to adjust the flow rate in the zone of its placement, but, on the other hand, complicates it constructively, increases the size, material consumption and cost.

Кавитатор в виде ротора с радиальными лопастями описан также в патенте Украины №45639 (МПК⁶: B01F 7/16, опубл. 15.04.2002 г., Бюл. №4). Лопасти имеют переднюю острую кромку и клиноподобную или кривую форму, их поперечный профиль ассиметричен и имеет переднюю грань наклоненную таким образом, чтобы при движении лопаток обеспечивался насосный эффект в направлении выходной камеры. Это устройство, как и предыдущее, имеет аналогичные недостатки, основным из которых есть сложное конструктивное устройство, ведь для сообщения ротору крутящего движения устройство должно оснащаться соответствующими конструктивными узлами, обеспечивающими вращение. Кроме того, очевидно, что кавитатор, который в процессе роботы постоянно вращается, имеет ограниченный срок эксплуатации и требует частого ремонту.A cavitator in the form of a rotor with radial blades is also described in Ukrainian patent No. 45639 (IPC ⁶ : B01F 7/16, published on April 15, 2002, Bull. No. 4). The blades have a sharp front edge and a wedge-like or curved shape, their transverse profile is asymmetric and has a front face inclined so that when the blades move, a pump effect is provided in the direction of the outlet chamber. This device, like the previous one, has similar drawbacks, the main of which is a complex structural device, because to communicate with the rotor of the rotary movement, the device must be equipped with appropriate structural units that provide rotation. In addition, it is obvious that the cavitator, which constantly rotates during the work of the robot, has a limited life and requires frequent repairs.

Известен кавитационный аппарат (реактор), в корпусе которого на приводном валу установлен кавитатор, выполненный в виде крыльчатки с клиновидной формой сечения лопастей и острым передним краем (А.с. №467159, МПК⁶: D21B 1/36, опубл. 15.04.1975 г., Бюл. №14). Работа этого аппарата также связана с применением приводных устройств. Кроме этого, аппарат имеет ограниченную сферу применения, которая в основном охватывает размол волокнистых материалов, и не обеспечивает высокодисперсной обработки выходного сырья.Known cavitation apparatus (reactor), in the housing of which a cavitator is installed on the drive shaft, made in the form of an impeller with a wedge-shaped section of the blades and a sharp front edge (AS No. 467159, IPC ⁶ : D21B 1/36, publ. 04/15/1975 g., Bull. No. 14). The operation of this device is also associated with the use of drive devices. In addition, the apparatus has a limited scope, which mainly covers the grinding of fibrous materials, and does not provide highly dispersed processing of the feedstock.

В качестве прототипа полезной модели принят кавитационный аппарат, содержащий последовательно соединенные конфузор потока выходного материала, цилиндрический корпус, диффузор отведения обработанного материала, при этом, вдоль горизонтальной оси корпуса установлен кавитатор в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями и с направленными в сторону конфузора острыми передними краями (А.с. №1353858, МПК⁴: D21B 1/36, опубл. 23.11.1987 г., Бюл. №43).As a prototype of the utility model, a cavitation apparatus is adopted, containing a consecutively connected outlet flow confuser, a cylindrical body, a processed material abstraction diffuser, and a cavitator in the form of an impeller with wedge-shaped blades with through holes and directed towards the confuser is installed along the horizontal axis of the body sharp front edges (A.S. No. 1353858, IPC ⁴ : D21B 1/36, publ. 11/23/1987, Bull. No. 43).

При прохождении жидкостного потока за лопастями крыльчатки образуются кавитационные каверны по всему сечению проточной камеры, которые зарождаются на кромках каждой лопасти. Острые кромки сквозных отверстий являются дополнительными турбулизаторами потока. Струи, которые вытекают из отверстий, взаимодействуют с основным потоком, разбивая и тем самым еще больше измельчая его. В этом аппарате отсутствует принудительное вращение кавитатора, благодаря чему он имеет упрощенное конструктивное исполнение по сравнению с представленными выше устройствами.With the passage of the liquid flow behind the impeller blades, cavitation cavities are formed over the entire cross section of the flow chamber, which nucleate at the edges of each blade. The sharp edges of the through holes are additional flow turbulators. The jets that flow from the holes interact with the main stream, breaking and thereby grinding it even more. In this apparatus, there is no forced rotation of the cavitator, so it has a simplified design in comparison with the above devices.

Очевидно, что для любой области, где применяются кавитационные технологии, оптимальными являются условия, обеспечивающие сочетание высокого качества конечной продукции с использованием недорогого оборудования. В этом смысле кавитационный аппарат, принятый в качестве прототипа, можно отнести к категории недорогого оборудования, но эффективность смешивания аппарата является недостаточно высокой, а диапазон режимов кавитационного смешивания ограничен, что сужает его технологичные возможности.Obviously, for any area where cavitation technologies are used, the conditions are optimal that ensure the combination of high quality of the final product using inexpensive equipment. In this sense, the cavitation apparatus, adopted as a prototype, can be classified as inexpensive equipment, but the mixing efficiency of the apparatus is not high enough, and the range of cavitation mixing modes is limited, which narrows its technological capabilities.

В основу полезной модели поставлена задача увеличения эффективности работы и расширения технологических возможностей кавитационного аппарата путем усовершенствования формы лопастей кавитатора, в частности, выполнения на плоскости гребня лопастей равноудаленных жолобоподобных канавок, в результате чего инициированные канавками кавитационные потоки начинают выполнять функцию дополнительных турбулизаторов, их кавитационные струи, взаимодействуя с основным потоком, разбивают его и способствуют возникновению пульсаций (нестационарности) каверны с микророизмельчением и гомогенизацией потока.The utility model is based on the task of increasing the operating efficiency and expanding the technological capabilities of the cavitation apparatus by improving the shape of the cavitator blades, in particular, performing equidistant gutter-like grooves on the plane of the ridge of the blades, as a result of which cavitation flows initiated by the grooves begin to function as additional turbulators, their cavitation jets, interacting with the main stream, they break it and contribute to the appearance of pulsations (non-stationary ) cavities with microparticulation and flow homogenization.

Поставленная задача достигается за счет того, что в кавитационном аппарате, содержащем последовательно соединенные конфузор потока выходного материала, цилиндрический корпус и диффузор отведения обработанного материала, вдоль горизонтальной оси корпуса установлен кавитатор в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями и с направленными в сторону конфузора острыми передними кромками, а на площади гребня лопастей выполнены канавки в форме желобов, середина донной части которых находится на уровне середины расстояния между сквозными отверстиями.The problem is achieved due to the fact that in the cavitation apparatus, containing a series-connected confuser of the output material stream, a cylindrical body and a diffuser for removing the processed material, a cavitator in the form of an impeller with a wedge-shaped blade with through holes and directed towards the confuser is installed along the horizontal axis of the body sharp leading edges, and on the area of the ridge of the blades grooves are made in the form of grooves, the middle of the bottom of which is at the level of the middle The distance between the through-holes.

Предложенная конструкция отличается от описанной в прототипе наличием желобоподобных канавок на гребнях лопастей. Эта отличительная особенность обуславливает отмеченный выше технический результат, который достигается в процессе эксплуатации кавитационного аппарата.The proposed design differs from that described in the prototype by the presence of groove-like grooves on the ridges of the blades. This distinctive feature determines the technical result noted above, which is achieved during the operation of the cavitation apparatus.

Канавки, размещенные на плоскости гребня каждой лопасти на одинаковом расстоянии одна от другой, являются локальными турбулизаторами потока, образующими в полости корпуса кавитационного аппарата пульсирующие ударные волны («микровзрывы») и кумулятивные микроструи, которые влекут интенсивное перемешивающее и эрозионное действие на обрабатываемую среду.The grooves located on the ridge plane of each blade at the same distance from each other are local flow turbulators that form pulsating shock waves (“microexplosions”) and cumulative microjets in the cavity of the cavitation apparatus body, which entail intense mixing and erosion on the medium being treated.

При натекании жидкостного потока на острые кромки лопастей кавитатора в корпусе кавитационного прибора за кавитатором образуется поток микропузырьков - кавитационные каверны. Их эрозионная активность дополнительно увеличивается потоком пузырьков, который генерируются на острых кромках сквозных отверстий кавитатора. Генерирование этих микропузырьков резко увеличивается в момент прохождения жидкостного потока через гребни лопастей, когда он попадает на желобоподобные канавки. Так, наткнувшись на первую канавку, поток подвергается внезапному расширению, и, двигаясь дальше, натекает на отрезок горизонтальной площади гребня (расстояние между канавками), где резко сужается, после чего он попадает в полость следующей канавки, в которой снова расширяется. Таким «прыжкам» поток подвергается в процессе обтекания гребня лопасти. Такая своеобразная динамика потока вызывает образование пульсирующих каверн на выходе кавитатора, возникновение ударных волн и колебаний высокой частоты с микроизмельчением и гомогенизацией жидкости, являющейся намного выше, чем та, которая достигается при работе кавитатора, лопасти которого имеют только сквозные отверстия. Это позволяет значительно расширять сферу применения кавитационного аппарата и внедрять его в те области, которые нуждаются в наиболее тщательной и особенно мелкодисперсной обработке жидкостной среды. Эрозионная активность кавитационного поля в предложенном кавитационном аппарате является достаточной для эффективной обработки тяжелорастворимых жидкостей, для получения эмульсий, суспензий т.д.When a liquid stream flows onto the sharp edges of the cavitator blades, a flow of microbubbles — cavitation cavities — forms behind the cavitator in the body of the cavitation device. Their erosion activity is additionally increased by the flow of bubbles, which are generated on the sharp edges of the through holes of the cavitator. The generation of these microbubbles increases sharply at the moment of passage of the fluid flow through the ridges of the blades when it enters the groove-like grooves. So, having stumbled upon the first groove, the flow undergoes a sudden expansion, and, moving on, flows onto a segment of the horizontal ridge area (the distance between the grooves), where it narrows sharply, after which it enters the cavity of the next groove, in which it expands again. The flow is subjected to such “jumps” during the flow around the ridge of the blade. Such a peculiar flow dynamics causes the formation of pulsating caverns at the cavitator output, the occurrence of shock waves and high-frequency oscillations with micronization and homogenization of the liquid, which is much higher than that achieved with the cavitator, whose blades have only through holes. This allows you to significantly expand the scope of application of the cavitation apparatus and introduce it in those areas that need the most thorough and especially finely dispersed treatment of a liquid medium. The erosive activity of the cavitation field in the proposed cavitation apparatus is sufficient for the effective treatment of highly soluble liquids, to obtain emulsions, suspensions, etc.

Предложенный кавитационный аппарат объясняют чертежи, где представлено:The proposed cavitation apparatus is explained by the drawings, which show:

- на фиг.1 - схематическое изображение кавитационного аппарата;- figure 1 is a schematic illustration of a cavitation apparatus;

- на фиг.2 - кавитирующая крыльчатка.- figure 2 - cavitating impeller.

В состав кавитационного аппарата входят последовательно соединенные конфузор 1 потока выходного материала, цилиндрический корпус 2 и диффузор 3 выведения обрабатываемого материала (фиг.1). Вдоль горизонтальной оси корпуса установлен стержень 4 с кавитатором 5 в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями 6. На площади гребня лопастей выполнены канавки 7 в форме желобов (фиг.1, 2), середина донной части которых (точка А) находится на уровне середины расстояния b между сквозными отверстиями. Или, другими словами, середина донной части желобоподобных канавок (точка А) находится на воображаемой вертикальной плоскости, которая проходит через середину расстояния b между сквозными отверстиями. Лопасти крыльчатки имеют острые передние края 8, направленные в сторону конфузора (фиг.2).The composition of the cavitation apparatus includes series-connected confuser 1 of the flow of the output material, a cylindrical body 2 and a diffuser 3 of the output of the processed material (figure 1). Along the horizontal axis of the casing, a rod 4 is installed with a cavitator 5 in the form of an impeller with a wedge-shaped shape of the blades with through holes 6. On the area of the ridge of the blades, grooves 7 are made in the form of grooves (Figs. 1, 2), the middle of the bottom of which (point A) is on midpoint distance b between through holes. Or, in other words, the middle of the bottom of the groove-like grooves (point A) is on an imaginary vertical plane that passes through the middle of the distance b between the through holes. The impeller blades have sharp front edges 8 directed towards the confuser (Fig.2).

Кавитационный аппарат работает следующим образом.The cavitation apparatus works as follows.

Поток жидкости, поступающий к конфузору 1, набегает на кромки 8 лопастей кавитатора 5, повернутые навстречу потоку, и на кромки отверстий 6. В суженном канале между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 2 кавитационного аппарата и кавитатором 5 скорость потока резко увеличивается, при этом происходит резкое снижение давления с генерированием кавитационных микропузырьков - за кавитатором образуются кавитационные каверны по всему сечению корпуса 2 (проточной камеры). В моменты прохождения потока через желобоподобные канавки 7 генерирование микропузырьков еще больше увеличивается. При столкновении с первой канавкой поток резко расширяется, а на отрезке между канавками резко сужается, после чего попадает в следующую канавку, в которой снова расширяется - происходит так называемый «срыв» потока. Кавитационные струи, которые вытекают из отверстий 6, дополнены струями, вытекающими из канавок 7, разбивают общую каверну, образованную передним краем 8, предоставляя ей пульсирующий характер и повышенную эрозионную активность. Каверна, образованная на выходе кавитатора, характеризуется высокой степенью турбулизации, что способствует эффективному измельчению и гомогенизации потока.The fluid flow entering the confuser 1 runs on the edges 8 of the cavitator blades 5, turned towards the flow, and on the edges of the holes 6. In the narrowed channel between the inner surface of the cylindrical body 2 of the cavitation apparatus and the cavitator 5, the flow rate increases sharply, with a sharp decrease pressure with the generation of cavitation microbubbles - cavitation cavities are formed behind the cavitator throughout the entire cross section of the housing 2 (flow chamber). At the moments when the flow passes through the groove-like grooves 7, the generation of microbubbles is further increased. In the collision with the first groove, the flow expands sharply, and sharply narrows in the interval between the grooves, after which it falls into the next groove, in which it expands again - the so-called “stall” of the flow occurs. Cavitation jets that flow out of openings 6, supplemented by jets flowing out of grooves 7, break a common cavity formed by the front edge 8, providing it with a pulsating character and increased erosion activity. The cavity formed at the exit of the cavitator is characterized by a high degree of turbulization, which contributes to the effective grinding and homogenization of the flow.

Таким образом, особенности формообразования клиновидных лопастей крыльчатки, выраженные в сочетании сквозных отверстий с желобоподобными канавками, позволили создать кавитационный аппарат, имеющий высокие эксплуатационные характеристики без принудительного вращения кавитатора.Thus, the features of the formation of wedge-shaped impeller blades, expressed in a combination of through holes with groove-like grooves, made it possible to create a cavitation apparatus having high operational characteristics without forced rotation of the cavitator.

Claims (1)

Кавитационный аппарат, содержащий последовательно соединенные конфузор потока входного материала, цилиндрический корпус, диффузор отвода обработанного материала, установленный вдоль горизонтальной оси корпуса кавитатор в виде крыльчатки с клиновидной формой лопастей со сквозными отверстиями и с направленными в сторону конфузора острыми передними кромками, отличающийся тем, что на плоскости гребня лопастей выполнены канавки в форме желобов, середина донной части которых находится на уровне середины расстояния между сквозными отверстиями.

A cavitation apparatus containing a consecutively connected input material flow confuser, a cylindrical body, a processed material removal diffuser, a cavitator mounted along the horizontal axis of the body in the form of an impeller with a wedge-shaped blade with through holes and with sharp front edges directed towards the confuser, characterized in that grooves in the shape of the ridge of the blades are in the form of grooves, the middle of the bottom of which is at the level of the middle of the distance between the through holes style.