RU2403095C1 - Cavitation generator - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to generation of cavitation and can be used in construction, chemical and food industries, etc. Proposed generator comprises casing with inner working chamber and branch pipes to feed and discharge fluid, drive shaft arranged in the chamber and activator fitted on the shaft. Activator represents a disk with wavy-walls branch pipes-cylinders arranged on disk one or both sides and aligned with the disk. Working chamber face walls accommodate fixed branch pipes-cylinders that allow rotation of branch pipes-cylinders secured on activator between fixed branch pipes-cylinders on face walls of working chamber. Waves on branch pipes-cylinders feature smooth periodic structure (with no angular folds). Note here that the number of waves on all branch pipe-cylinders located on one side of activator is equal and corresponds to that on branch pipes-cylinders fitted on working chamber face wall on the same side. During activator rotation in annular channels between movable and fixed branch pipes-cylinders, a dynamic system of vortex structures is formed as well as pulsating cavitation bubbles and their clusters.

EFFECT: higher efficiency of cavitation and longer life.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике генерации пузырьковой кавитации и может быть использовано в строительной, химической, пищевой и других отраслях промышленности для диспергирования, эмульгирования, получения однородных смесей и т.д.The invention relates to techniques for generating bubble cavitation and can be used in the construction, chemical, food and other industries for dispersing, emulsifying, obtaining homogeneous mixtures, etc.

Известен генератор кавитации [патент РФ №2235950, 2004 г., F24J 3/00], содержащий корпус с патрубками для подвода и отвода жидкости, расположенные внутри корпуса статор и ротор, привод ротора, причем статор и ротор выполнены в виде соосных дисков, перфорированных сквозными отверстиями. Статор выполнен в виде одного или нескольких кольцевых дисков, а ротор - в виде двух соосных дисков, установленных с зазором относительно друг друга. Диски ротора смонтированы на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы, и вращаются навстречу друг другу. При встречном вращении дисков ротора относительно друг друга или при их вращении относительно неподвижных дисков статора на кромках отверстий в дисках возникает пузырьковая кавитация. В узких зазорах между дисками может возникнуть вихревая кавитация.Known cavitation generator [RF patent No. 2235950, 2004, F24J 3/00], comprising a housing with nozzles for supplying and discharging liquid, a stator and a rotor located inside the housing, a rotor drive, the stator and rotor being made in the form of coaxial perforated disks through holes. The stator is made in the form of one or more annular disks, and the rotor is in the form of two coaxial disks installed with a gap relative to each other. The rotor disks are mounted on independent shafts having independent independent drives, and rotate towards each other. During counter rotation of the rotor disks relative to each other or during their rotation relative to the fixed stator disks, bubble cavitation occurs at the edges of the holes in the disks. In narrow gaps between the disks, vortex cavitation can occur.

Недостаток известного генератора заключается в том, что кавитация генерируется па стенках устройства. При работе данного генератора имеет место разрушение рабочих поверхностей и его эффективность значительно снижается.A disadvantage of the known generator is that cavitation is generated on the walls of the device. When this generator is operating, the destruction of the working surfaces takes place and its efficiency is significantly reduced.

Известен также генератор кавитации [патент РФ №2115176, 1998 г., G10K 15/04], содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводкой вал и установленный на валу активатор. Активатор выполнен в виде диска, на котором по нормали к его боковым поверхностям вдоль нескольких радиусов активатора на пилонах обтекаемой формы установлены цилиндрические кавитаторы, перекрывающие рабочую камеру с некоторым зазором от ее торцевых стенок, а на торцевых стенках рабочей камеры также на обтекаемых пилонах установлены подобные неподвижные кавитаторы.A cavitation generator is also known [RF patent No. 2115176, 1998, G10K 15/04], comprising a housing with an internal working chamber and nozzles for supplying and discharging liquid from the chamber, a shaft located in the chamber and an activator mounted on the shaft. The activator is made in the form of a disk on which cylindrical cavitators are installed on streamlined pylons normal to its lateral surfaces along several activator radii, covering the working chamber with some clearance from its end walls, and similar motionless pylon mounted on the end walls of the working chamber cavitators.

Недостатком этого генератора является недостаточно высокая эффективность при тонком измельчении сыпучих материалов.The disadvantage of this generator is not high enough efficiency for fine grinding of bulk materials.

Наиболее близким техническим решением является аппарат, включающий высокосдвиговые роторы и статоры для смесителей и эмульгаторов (High shear rotors and stators for mixers and emulsifiers) [патент США №US6241472, 2001 г., B01F 7/00; B01F 7; (IPC-7):F)1D1/02; B01F 7/00]. Этот аппарат содержит цилиндрический ротор, по крайней мере, на одной из боковых поверхностей которого выполнены продольные желобки, и цилиндрический статор, на боковой поверхности которого выполнены аналогичные продольные желобки, смонтированные таким образом, что при вращении ротора поверхность ротора с желобками перемещается относительно поверхности статора с желобками. При этом в желобках и ротора, и статора возбуждается пузырьковая кавитация, существенно увеличивающая интенсивность перемешивания и эмульгирования в жидкостях, суспензиях или эмульсиях, протекающих по желобкам.The closest technical solution is an apparatus including high-shear rotors and stators for mixers and emulsifiers (High shear rotors and stators for mixers and emulsifiers) [US patent No. US6241472, 2001, B01F 7/00; B01F 7; (IPC-7): F) 1D1 / 02; B01F 7/00]. This apparatus comprises a cylindrical rotor, at least on one of the side surfaces of which longitudinal grooves are made, and a cylindrical stator, on the lateral surface of which are made similar longitudinal grooves, mounted in such a way that when the rotor rotates, the surface of the rotor with grooves moves relative to the stator surface with grooves. In this case, bubble cavitation is excited in the grooves of both the rotor and stator, which significantly increases the intensity of mixing and emulsification in liquids, suspensions, or emulsions flowing through the grooves.

Недостатком данного устройства является тот факт, что стенки, формирующие желобки и на статорах, и на роторах, в известном решении в зонах максимальных сдвиговых напряжений в жидкости имеют острые кромки. При вращении ротора максимальные растягивающие усилия в жидкости образуются, прежде всего, вблизи острых кромок. При этом высока вероятность того, что за острой кромкой формируется не облако пузырьков, а один относительно большой пузырек. Такая кавитация недостаточно эффективна. Кроме того, в силу того, что кавитация развивается вблизи твердых стенок, при работе аппарата происходит интенсивное разрушение его стенок.The disadvantage of this device is the fact that the walls forming the grooves on both the stators and the rotors, in the known solution, have sharp edges in the zones of maximum shear stresses in the liquid. When the rotor rotates, maximum tensile forces in the liquid are formed, first of all, near sharp edges. Moreover, it is highly likely that behind the sharp edge, not a cloud of bubbles is formed, but one relatively large bubble. Such cavitation is not effective enough. In addition, due to the fact that cavitation develops near solid walls, the apparatus undergoes intensive destruction of its walls.

В основу изобретения положена задача создания генератора кавитации, конструкция которого позволила бы увеличить эффективность кавитационной обработки суспензий и эмульсий и повысить ресурс успешной работы аппаратов.The basis of the invention is the creation of a cavitation generator, the design of which would increase the efficiency of cavitation treatment of suspensions and emulsions and increase the resource of successful operation of the apparatus.

Поставленная задача решается с помощью генератора кавитации, содержащего корпус с внутренней рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на валу диск-активатор. При этом, по крайней мере, на одной из сторон диска-активатора соосно с валом жестко закреплены цилиндры-патрубки с волнистыми стенками, с зазором между цилиндрами и торцевой стенкой рабочей камеры, а на торцевых стенках рабочей камеры жестко установлены в просветах между цилиндрами-патрубками на диске-активаторе без контакта с ними подобные неподвижные цилиндры-патрубки с зазорами между цилиндрами и диском и с возможностью вращения цилиндров-патрубков на активаторе между неподвижными цилиндрами-патрубками на торцевых стенках рабочей камеры. При этом количества волн на всех цилиндрах-патрубках, расположенных с одной стороны активатора, совпадают между собой и с числом волн на цилиндрах-патрубках, установленных на торцевой стенке камеры с той же стороны. Периодические волны на цилиндрах-патрубках имеют гладкую по дуговой координате, без угловых изломов форму. Предпочтительно, волны на цилиндрах-патрубках имеют симметричную, например, синусоидальную по дуговой координате форму. В другом техническом решении предпочтительно периодические волны на цилиндрах-патрубках имеют несимметричную по дуговой координате форму.The problem is solved using a cavitation generator, comprising a housing with an internal working chamber and nozzles for supplying and discharging liquid from the chamber, a drive shaft located in the chamber and an activator disk mounted on the shaft. At the same time, at least on one side of the activator disk coaxial cylinders with wavy walls are rigidly fixed coaxially with the shaft, with a gap between the cylinders and the end wall of the working chamber, and on the end walls of the working chamber are rigidly mounted in the gaps between the cylinder-tubes on the activator disk without contact with them, such stationary cylinder-nozzles with gaps between the cylinders and the disk and with the possibility of rotation of the cylinder-nozzles on the activator between the stationary cylinder-nozzles on the end walls of the working cameras. In this case, the number of waves on all cylinder nozzles located on one side of the activator coincide with each other and with the number of waves on the cylinder nozzles mounted on the end wall of the chamber on the same side. Periodic waves on the nozzle cylinders have a smooth arc coordinate, without angular kinks. Preferably, the waves on the nozzle cylinders have a symmetrical, for example, sinusoidal shape along the arc coordinate. In another technical solution, it is preferable that the periodic waves on the nozzle cylinders have an asymmetric shape along the arc coordinate.

На фиг.1 и фиг.2 показана схема генератора кавитации в двух сечениях с симметричной формой волн на поперечном сечении цилиндров-патрубков. Генератор содержит корпус 1 с внутренней камерой 8 и с патрубками: 2 - для подвода жидкости и 3 - для отвода жидкости. Внутри корпуса 1 установлен приводной вал 4 с закрепленным на нем диском-активатором 5. На боковых поверхностях диска-активатора 5 установлены подвижные цилиндры-патрубки 7, а на торцевых стенках рабочей камеры 8 установлены неподвижные цилиндры-патрубки 6 с соответствующим выбором радиусов всех цилиндров-патрубков для обеспечения вращения активатора вокруг своей оси.Figure 1 and figure 2 shows a diagram of a cavitation generator in two sections with a symmetrical waveform on the cross section of the cylinder tubes. The generator contains a housing 1 with an internal chamber 8 and with nozzles: 2 - for supplying fluid and 3 - for draining fluid. Inside the housing 1, a drive shaft 4 is installed with an activator disk 5 mounted on it. On the lateral surfaces of the activator disk 5, mobile cylinders 7 are installed, and stationary cylinders 6 are installed on the end walls of the working chamber 8 with an appropriate choice of radii of all cylinders nozzles to ensure rotation of the activator around its axis.

На фиг.3 представлен вариант генератора кавитации с несимметричной формой волн по дуговой координате на цилиндрах-патрубках.Figure 3 presents a variant of the cavitation generator with an asymmetric waveform along the arc coordinate on the cylinder tubes.

Предложенный генератор кавитации работает следующим образом.The proposed cavitation generator operates as follows.

Обрабатываемая жидкость по патрубку 2 поступает в рабочую камеру 8 внутри корпуса 1. Через зазоры между неподвижными цилиндрами-патрубками 6 и диском-активатором 5, а затем между подвижными цилиндрами-патрубками 7 на диске 5 и стенками камеры 8 жидкость заполняет всю камеру 8. При вращении активатора 5 вокруг своей оси закрепленные на нем волнистые цилиндры-патрубки 7 заставляют жидкость двигаться по коридорам, образованным этими подвижными 7 стенками с соседними неподвижными волнистыми стенками 6. Неподвижные стенки камеры 8 и цилиндры-патрубки 6 тормозят потоки. В результате в кольцевых каналах между неподвижными цилиндрами-патрубками 6 и подвижными 7 формируется динамичная система вихревых структур, с образованием кластеров пульсирующих кавитационных пузырьков. При непрерывной подаче в рабочую камеру 8 жидкость проходит по лабиринту между стенками активатора и стенками рабочей камеры с их волнистыми цилиндрами-патрубками, участвует как в радиальном, так и в круговом движении и многократно подвергается кавитационной обработке. При этом пузырьковые кластеры образуются не на стенках устройства, а в объеме жидкости. Благодаря этому при работе устройства его стенки не подвергаются кавитационной эрозии. После обработки жидкость выводится из камеры 8 по патрубку 3.The processed fluid through the nozzle 2 enters the working chamber 8 inside the housing 1. Through the gaps between the stationary cylinder-nozzles 6 and the activator disk 5, and then between the movable cylinder-nozzles 7 on the disk 5 and the walls of the chamber 8, the liquid fills the entire chamber 8. When the rotation of the activator 5 around its axis, the wavy cylinders 7 mounted on it cause the liquid to move along the corridors formed by these movable 7 walls with adjacent stationary wavy walls 6. The fixed walls of the chamber 8 and the cylinder cylinders Ki 6 slow down the flow. As a result, a dynamic system of vortex structures is formed in the annular channels between the stationary cylinder-nozzles 6 and the movable 7, with the formation of clusters of pulsating cavitation bubbles. When continuously fed into the working chamber 8, the liquid passes through the maze between the walls of the activator and the walls of the working chamber with their wavy nozzle cylinders, participates in both radial and circular motion, and is subjected to cavitation several times. In this case, bubble clusters are formed not on the walls of the device, but in the volume of the liquid. Due to this, during the operation of the device, its walls are not subjected to cavitation erosion. After processing, the liquid is discharged from the chamber 8 through the pipe 3.

На предложенный генератор кавитации разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания на водоугольном топливе показали хорошее качество измельчения угля.Technical documentation has been developed for the proposed cavitation generator, prototypes have been manufactured and tested. Tests on water-coal fuel showed a good quality of grinding coal.

Claims (3)

1. Генератор кавитации, содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и с патрубками для подвода и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и закрепленный на валу диск-активатор, по крайней мере, на одной из сторон которого соосно с валом жестко закреплены цилиндры-патрубки с волнистыми стенками, с зазором между цилиндрами и торцевой стенкой рабочей камеры, а на торцевых стенках камеры жестко установлены в просветах между цилиндрами-патрубками на диске-активаторе без контакта с ними подобные цилиндры-патрубки с зазорами между цилиндрами и диском, отличающийся тем, что периодические волны на цилиндрах-патрубках по дуговой координате имеют гладкую без угловых изломов форму.1. Cavitation generator, comprising a housing with an internal working chamber and with nozzles for supplying and discharging liquid from it, a drive shaft located in the chamber and an activator disk fixed to the shaft, at least on one side of which the cylinders are coaxially aligned with the shaft - tubes with wavy walls, with a gap between the cylinders and the end wall of the working chamber, and on the end walls of the chamber are rigidly installed in the gaps between the cylinder tubes on the activator disk without contact with them similar cylinder tubes with gaps between the cylinders and the disk, characterized in that the periodic waves on the cylinder tubes along the arc coordinate have a smooth shape without angular kinks. 2. Генератор кавитации по п.1, отличающийся тем, что периодические волны на цилиндрах-патрубках имеют симметричную по дуговой координате синусоидальную форму.2. The cavitation generator according to claim 1, characterized in that the periodic waves on the nozzle cylinders have a sinusoidal shape symmetrical in arc coordinate. 3. Генератор кавитации по п.1, отличающийся тем, что периодические волны на цилиндрах-патрубках имеют несимметричную по дуговой координате форму. 3. The cavitation generator according to claim 1, characterized in that the periodic waves on the nozzle cylinders have an asymmetric shape along the arc coordinate.

Images