RU2166987C1 - Cavitation apparatus - Google Patents

Abstract

FIELD: devices for forming artificial cavitation in liquid media for intensification of physico-chemical processes. SUBSTANCE: proposed apparatus has housing with inlet and outlet holes forming working chamber where rotor and stator are mounted on drive shaft. Rotor and stator consists of alternating disks. First disk of rotor is provided with radial blades whose front portion (in way of rotation) is made in form of wedge and rear portion is made in form of parallelepiped. Second disk of rotor is provided with radial slots and third of rotor is perforated. Disks of stator mounted in between disks of rotor are provided with radial slots. EFFECT: enhanced efficiency; increased capacity of activation of physicochemical processes. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для создания искусственной кавитации с целью использования возникающих кавитационных эффектов для интенсификации физико-химических процессов в различных отраслях промышленности: химической, пищевой, биохимической и др. The invention relates to devices for creating artificial cavitation with the aim of using the resulting cavitation effects to intensify physico-chemical processes in various industries: chemical, food, biochemical, etc.

Устройство может быть использовано для обеззараживания и дезактивации жидкостей, а также в качестве компактного и высокоэффективного источника тепла в любой отрасли народного хозяйства. The device can be used for disinfection and decontamination of liquids, as well as a compact and highly efficient source of heat in any industry.

Известен активатор физико-химических процессов, использующий эффекты гидродинамической кавитации, создаваемой в замкнутой камере с протекающей через нее жидкой рабочей средой [1]. В катере установлены статор и на приводном валу ротор, при вращении которого в результате взаимодействия статора и ротора с рабочей средой возникают кавитационные явления, сопровождающиеся локальными значительными по величине повышениями температуры и давления, которые являются инициирующими факторами различных физико-химических процессов. A well-known activator of physical and chemical processes using the effects of hydrodynamic cavitation created in a closed chamber with a fluid working medium flowing through it [1]. A stator is installed in the boat and a rotor is mounted on the drive shaft, during rotation of which, as a result of the interaction of the stator and rotor with the working medium, cavitation phenomena occur, accompanied by local significant increases in temperature and pressure, which are the initiating factors of various physicochemical processes.

Недостатками указанного устройства являются невысокая производительность и относительно низкая эффективность активации, особенно для энергоемких технологических процессов, обусловленные значительными потерями энергии на диссипативные явления - гидравлическое трение, преодоление гидродинамического сопротивления среды и др. The disadvantages of this device are the low productivity and relatively low activation efficiency, especially for energy-intensive technological processes, due to significant energy losses due to dissipative phenomena - hydraulic friction, overcoming the hydrodynamic resistance of the medium, etc.

Известен кавитационный активатор, в котором режим кавитации создается в интенсивном ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой рабочей среде [2]. Known cavitation activator, in which the cavitation mode is created in an intense ultrasonic field excited in a liquid working medium [2].

Известный активатор состоит, по меньшей мере, из двух рабочих камер, в первой из которых имеется входное отверстие для подачи рабочей среды, во второй - выходное. В каждой камере на приводном валу установлен ротор, представляющий собой рабочее колесо центробежного насоса. По окружности рабочего колеса закреплено кольцо с отверстиями. Статор выполнен в виде концентричного с ротором кольца с отверстиями, расположенными напротив отверстий в кольце ротора. The known activator consists of at least two working chambers, the first of which has an inlet for supplying a working medium, and in the second an outlet. In each chamber, a rotor is installed on the drive shaft, which is an impeller of a centrifugal pump. A ring with holes is fixed around the circumference of the impeller. The stator is made in the form of a ring concentric with the rotor with holes located opposite the holes in the rotor ring.

При вращении ротора рабочая жидкость колесом центробежного насоса подается на его выход и проходит через отверстия в кольцах ротора и статора, которые периодически перекрываются. Когда отверстия закрываются, давление в камере возрастает до некоторого максимального значения, определяемого напором жидкости на входе и напором насоса, т.е. его мощностью, при открывании падает до минимального значения, определяемого требуемым расходом, т.е. производительностью устройства. Таким образом, при работе устройства в рабочей среде возбуждается и распространяется переменное поле давлений, т.е. звук. When the rotor rotates, the working fluid is fed to the outlet of the centrifugal pump wheel and passes through the holes in the rotor and stator rings, which periodically overlap. When the openings are closed, the pressure in the chamber rises to a certain maximum value determined by the pressure of the liquid at the inlet and the pressure of the pump, i.e. its power, when opened, drops to the minimum value determined by the required flow rate, i.e. device performance. Thus, when the device is operating in a working environment, an alternating pressure field is excited and propagates, i.e. sound.

В известном устройстве количество отверстий в кольцах ротора и статора, скорость вращения и перепад давлений выбраны таким образом, что в рабочей среде возбуждается ультразвук, интенсивность которого достаточна для того, чтобы в среде возникли кавитационные явления, эффекты которых (локальные повышения давления и температуры, ионизация частиц среды и др.) активируют необходимые физико-химические процессы. In the known device, the number of holes in the rings of the rotor and stator, the rotation speed and the pressure drop are selected so that ultrasound is excited in the working medium, the intensity of which is sufficient to cause cavitation phenomena in the medium, the effects of which (local pressure and temperature increases, ionization particles of the medium, etc.) activate the necessary physical and chemical processes.

Недостатками известного устройства являются ограниченные эффективность активации физико-химических процессов и производительность устройства, обусловленные следующими причинами. The disadvantages of the known devices are the limited activation efficiency of physicochemical processes and the performance of the device due to the following reasons.

Известно (см. , например, Л. Д.Ландау, А.И.Ахиезер, Е.М. Лифшиц "Курс общей физики". -М.-1965 г), что кавитация ограничивает интенсивность ультразвука в жидкой среде. В известном устройстве увеличение интенсивности ультразвука связано с повышением перепада давлений p(max)-p(min) в рабочей камере, что, в свою очередь, ведет к увеличению мощности центробежного насоса или количества последовательно работающих устройств (как предложено авторами). Оба указанных способа приводят к увеличению размеров, массы, энергопотребления и стоимости устройства. It is known (see, for example, L. D. Landau, A.I. Akhiezer, E. M. Lifshits, "The Course of General Physics." - M.-1965), that cavitation limits the intensity of ultrasound in a liquid medium. In the known device, an increase in the intensity of ultrasound is associated with an increase in the pressure drop p (max) -p (min) in the working chamber, which, in turn, leads to an increase in the power of the centrifugal pump or in the number of sequentially operating devices (as suggested by the authors). Both of these methods lead to an increase in the size, weight, power consumption and cost of the device.

Более того, увеличение интенсивности ультразвука в известном устройстве указанными экстенсивными средствами ограничено тем, что при его работе в зазоре между роторными и статорными кольцами уже при относительно малых скоростях вращения ротора возникает гидродинамическая кавитация, которая ограничивает интенсивность генерируемого ультразвука. Указанное ограничение приводит к тому, что интенсивность кавитационных явлений и, соответственно, эффективность активации в известном устройстве не превосходят эффективности гидродинамических активаторов. Moreover, the increase in the ultrasound intensity in the known device by these extensive means is limited by the fact that when it is working in the gap between the rotor and stator rings, hydrodynamic cavitation occurs even at relatively low rotor speeds, which limits the intensity of the generated ultrasound. The specified limitation leads to the fact that the intensity of cavitation phenomena and, accordingly, the activation efficiency in the known device do not exceed the efficiency of hydrodynamic activators.

Кроме того, в известном устройстве интенсивность ультразвука нестабильна и существенно зависит от напора рабочей жидкости на входе и скоростного режима ротора, что ухудшает качество активации и создает определенные эксплуатационные проблемы, связанные с необходимостью контроля и регулировки режимов работы. In addition, in the known device, the ultrasound intensity is unstable and significantly depends on the pressure of the working fluid at the inlet and the speed regime of the rotor, which impairs the quality of activation and creates certain operational problems associated with the need to control and adjust the operating modes.

Целью настоящего изобретения является создание высокоэффективного кавитационного аппарата для активации различных физико-химических процессов в жидких средах, лишенного указанных недостатков. The aim of the present invention is to provide a highly efficient cavitation apparatus for activating various physicochemical processes in liquid media, devoid of these disadvantages.

Для этого в известном кавитационном аппарате, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями для рабочей жидкости, образующий рабочую камеру, в которой размещены ротор на приводном валу и статор, последние состоят из чередующихся между собой дисков, установленных перпендикулярно оси симметрии камеры, при этом первый от входа диск ротора имеет, по меньшей мере, две расположенные в его плоскости равномерно по окружности радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - параллелепипеда с радиальными проточками на его боковых гранях, во втором диске ротора и в дисках статора, установленных между дисками ротора, выполнены радиальные прорези, равномерно расположенные по своим окружностям, последний диск ротора выполнен перфорированным. To this end, in a well-known cavitation apparatus containing a housing with inlet and outlet openings for the working fluid, forming a working chamber in which the rotor is located on the drive shaft and the stator, the latter consist of alternating disks mounted perpendicular to the axis of symmetry of the chamber, the first of which the input of the rotor disk has at least two radial blades located in its plane uniformly around the circumference, the front part of which is made in the form of a wedge, the rear is a parallelepiped with a radial The grooves on its lateral faces, in the second rotor disk and in the stator disks installed between the rotor disks, made radial slots evenly spaced around their circumferences, the last rotor disk made perforated.

На фиг. 1 изображено осевое сечение кавитационного аппарата. In FIG. 1 shows an axial section of a cavitation apparatus.

На фиг. 2 - ротор кавитационного аппарата. In FIG. 2 - rotor cavitation apparatus.

На фиг.3 - две проекции диска статора. Figure 3 - two projections of the stator disk.

Заявляемый кавитационный аппарат содержит корпус 1, образующий рабочую камеру 2 с входным 3 и выходным 4 отверстиями, приводной вал 5, первый роторный диск 6 с лопастями 7, первый статорный диск 8, второй роторный диск 9, второй статорный диск 10, прорези 11 в дисках 8, 9, 10, третий роторный диск 12 с перфорацией 13, проточки 14. The inventive cavitation apparatus includes a housing 1, forming a working chamber 2 with input 3 and output 4 holes, a drive shaft 5, a first rotor disk 6 with blades 7, a first stator disk 8, a second rotor disk 9, a second stator disk 10, slots 11 in the disks 8, 9, 10, the third rotary disk 12 with perforation 13, the grooves 14.

Работает устройство следующим образом. При вращении ротора режущие лопасти 7 диска 6 рассекают рабочую жидкость в камере 2. За счет действия клина лопасти напряжения, возникающие в жидкости, значительно превышают предел прочности жидкости, вследствие чего на режущей кромке лопасти 7 происходит разрыв сплошности жидкости и позади лопасти образуется большая кавитационная полость. Одновременно скошенной гранью клина жидкость отбрасывается в направлении выхода 4 из камеры 2, т.е. создается ток жидкости в нужном направлении. Следующей набегающей лопастью образовавшаяся кавитационная полость дробится на более мелкие кавитационные полости, которые с током жидкости через прорези 11 статорного диска 8 проходят к следующей паре кавитатора - роторному диску 9 и статорному диску 10, где процесс образования и дробления кавитационных полостей продолжается. В зоне второго 9 и третьего 12 дисков ротора интенсивно образуются кавитационные пузырьки оптимальных размеров, которые при схлопывании инициируют мощные кавитационные эффекты, активирующие физико-химические процессы в рабочей среде. The device operates as follows. When the rotor rotates, the cutting blades 7 of the disk 6 cut through the working fluid in the chamber 2. Due to the action of the wedge of the blade, the stresses arising in the liquid significantly exceed the tensile strength of the liquid, as a result of which the continuity of the liquid breaks on the cutting edge of the blade 7 and a large cavitation cavity forms behind the blade . At the same time, the beveled face of the wedge is discarded in the direction of exit 4 from chamber 2, i.e. fluid flows in the right direction. With the next oncoming blade, the resulting cavitation cavity is crushed into smaller cavitation cavities, which pass through the slots 11 of the stator disk 8 with a fluid flow to the next pair of cavitator - rotor disk 9 and stator disk 10, where the process of formation and crushing of cavitation cavities continues. In the zone of the second 9 and third 12 rotor disks, cavitation bubbles of optimal sizes are intensively formed, which, when collapsed, initiate powerful cavitation effects that activate physicochemical processes in the working medium.

Таким образом, режущие лопасти ротора одновременно выполняют две функции: являются инициаторами кавитационных пузырьков и создают необходимый ток рабочей жидкости через камеру. Это позволило исключить из аппарата элементы нагнетательного насоса и уменьшить тем самым непроизводительные затраты энергии, т. е. увеличить КПД кавитационного аппарата. Использование второго диска ротора с прорезями и последнего перфорированного диска позволило интенсифицировать образование кавитационных пузырьков оптимальных размеров в зоне действия этих дисков, т.е. дополнительно повысить эффективность активации. Кроме того, в предлагаемом аппарате возможно использование однотипных статорных дисков с прорезями произвольного сечения, например прямоугольного, что снижает затраты на его изготовление. Thus, the rotor blades simultaneously perform two functions: they initiate cavitation bubbles and create the necessary flow of working fluid through the chamber. This made it possible to exclude the elements of the injection pump from the apparatus and thereby reduce the unproductive energy costs, i.e., increase the efficiency of the cavitation apparatus. The use of the second rotor disk with slots and the last perforated disk made it possible to intensify the formation of cavitation bubbles of optimal sizes in the zone of action of these disks, i.e. further increase activation efficiency. In addition, in the proposed device, it is possible to use the same type of stator disks with slots of arbitrary section, for example, rectangular, which reduces the cost of its manufacture.

Испытания опытного образца кавитационного аппарата показали, что его КПД по сравнению с известным в 4 раза выше. Настоящий аппарат при изготовлении технологичнее прототипа, некритичен к точности сборки и, в конечном счете, требует меньших затрат на его производство и эксплуатацию. Tests of the prototype cavitation apparatus showed that its efficiency is 4 times higher than the known one. This device in the manufacture of more technologically advanced prototype, uncritical to the accuracy of assembly and, ultimately, requires less cost for its production and operation.

Кавитационный аппарат может быть использован как генератор тепла. В настоящее время опытный образец используется на судах речфлота для обеззараживания воды. Cavitation apparatus can be used as a heat generator. Currently, a prototype is used on Rechflot ships for water disinfection.

Список литературы:
1. Авторское свидетельство N 1358140, МКИ B 01 F 11/02. Кавитационный смеситель.List of references:
1. Copyright certificate N 1358140, MKI B 01 F 11/02. Cavitation mixer.

2. PCT N 94/09894, МКИ B 01 F 7/00, 11/00. Ультразвуковой активатор. 2. PCT N 94/09894, MKI B 01 F 7/00, 11/00. Ultrasonic activator.

Claims (5)

1. Кавитационный аппарат, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, образующий рабочую камеру, в которой установлены ротор на приводном валу и статор, отличающийся тем, что ротор и статор состоят из чередующихся между собой дисков, при этом первый от входа диск ротора имеет расположенные в его плоскости радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - параллелепипеда, во втором диске ротора и дисках статора, установленных между дисками ротора, выполнены радиальные прорези, а третий диск ротора выполнен перфорированным. 1. Cavitation apparatus, comprising a housing with inlet and outlet openings, forming a working chamber in which a rotor is mounted on the drive shaft and a stator, characterized in that the rotor and stator consist of alternating disks, while the first rotor disk from the input has in its plane there are radial blades, the front part of which is made in the form of a wedge, the rear part is a parallelepiped, in the second rotor disk and stator disks installed between the rotor disks, radial slots are made, and the third disk otorrhea perforated. 2. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что плоскости дисков ротора и статора установлены перпендикулярно оси симметрии камеры. 2. The cavitation apparatus according to claim 1, characterized in that the plane of the rotor and stator disks are installed perpendicular to the axis of symmetry of the chamber. 3. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что первый диск ротора имеет по крайней мере две лопасти. 3. The cavitation apparatus according to claim 1, characterized in that the first rotor disk has at least two blades. 4. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что лопасти ротора, прорези дисков ротора и статора расположены равномерно по окружности своих дисков. 4. The cavitation apparatus according to claim 1, characterized in that the rotor blades, the slots of the rotor and stator disks are located uniformly around the circumference of their disks. 5. Кавитационный аппарат по п.1, отличающийся тем, что на боковых гранях параллелепипеда выполнены радиальные проточки. 5. The cavitation apparatus according to claim 1, characterized in that radial grooves are made on the side faces of the parallelepiped.

Images