RU2255797C1

RU2255797C1 - Device for hydrodynamic treatment of liquid

Info

Publication number: RU2255797C1
Application number: RU2003137672/15A
Authority: RU
Inventors: А.А. Озеренко (RU); А.А. Озеренко; Ю.И. Яресько (RU); Ю.И. Яресько
Original assignee: Озеренко Алексей Анатольевич
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2005-07-10

Abstract

FIELD: cavitation treatment of liquids and their mixtures and dispersion of solid particles in them; chemical, petrochemical and other industries.

SUBSTANCE: proposed device has housing with rotary disk mounted inside it. Disk has conical member mounted coaxially relative to it. Generatrix of member may straight or curvilinear line. Mounted above disk at adjustable clearance is chamber.

EFFECT: enhanced efficiency.

7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии кавитационной обработки жидкости или смеси жидкостей и диспергированных в них твердых частиц. Может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.The invention relates to the technology of cavitation treatment of a liquid or mixture of liquids and solid particles dispersed in them. It can be used in chemical, petrochemical and other industries.

Предпосылки изобретения и уровень техники.BACKGROUND OF THE INVENTION AND BACKGROUND

Известно устройство гидродинамической обработки жидкости, содержащее сосуд для жидкости и установленный в сосуде акустический вибратор (см. RU 2209112, МПК B 01 J 19/10, опубл. 04.06.2004).A device is known for hydrodynamic processing of a liquid, comprising a vessel for liquid and an acoustic vibrator installed in the vessel (see RU 2209112, IPC B 01 J 19/10, publ. 04.06.2004).

Существенным недостатком этого устройства является зависимость энергопередачи акустических колебаний в среду от вязкости среды. Кроме того, устройство имеет низкий коэффициент полезного действия.A significant disadvantage of this device is the dependence of the energy transfer of acoustic vibrations into the medium on the viscosity of the medium. In addition, the device has a low efficiency.

Известно устройство кавитационной обработки жидкости, выполненное в виде системы конфузор - диффузор (RU 95120655, МПК B 01 F 5/00, опубл. 27.02.1998).A device for cavitation treatment of liquid, made in the form of a confuser-diffuser system (RU 95120655, IPC B 01 F 5/00, publ. 02.27.1998).

При прохождении обрабатываемой жидкости через систему конфузор - диффузор, в диффузоре скорость жидкости возрастает, что приводит к падению давления ниже давления насыщенного пара и к возникновению кавитации. Это устройство является более эффективным, чем акустический вибратор. Однако и в этом устройстве не осуществляется управляемое воздействие как на образование кавитационных пузырьков, так и на их схлопывание. Кроме того, область кавитационного воздействия находится в пристеночной зоне диффузора, что снижает эффективность кавитационной обработки жидкости. Во многих случаях в обрабатываемую жидкость необходимо вводить твердые частицы, что для системы конфузор - диффузор неприемлемо.When the processed fluid passes through the confuser-diffuser system, the fluid velocity in the diffuser increases, which leads to a drop in pressure below the saturated vapor pressure and to the occurrence of cavitation. This device is more effective than an acoustic vibrator. However, this device also does not have a controlled effect both on the formation of cavitation bubbles and on their collapse. In addition, the area of cavitation exposure is located in the wall zone of the diffuser, which reduces the efficiency of cavitation treatment of the liquid. In many cases, it is necessary to introduce solid particles into the fluid to be treated, which is unacceptable for the confuser-diffuser system.

Известно устройство кавитационной обработки жидкости, выполненное в виде ротора и статора с прорезями для жидкости, известное как роторно - пульсационный аппарат (см. патент РФ № 2178337, МПК⁷ B 01 J 19/00, 20.01.2002). Образование кавитационных пузырьков в этих аппаратах достигается за счет движущихся на периферии с большой скоростью выступов. Однако и в этом случае кавитационные полости и пузырьки образуются на поверхности рабочего инструмента, что резко снижает эффективность кавитационной обработки.A device for cavitation treatment of liquid, made in the form of a rotor and a stator with slots for liquid, is known as a rotary pulsation apparatus (see RF patent No. 2178337, IPC ⁷ B 01 J 19/00, 01/20/2002). The formation of cavitation bubbles in these devices is achieved due to the protrusions moving at the periphery with a high speed. However, in this case, cavitation cavities and bubbles are formed on the surface of the working tool, which dramatically reduces the effectiveness of cavitation treatment.

Известно устройство гидродинамической обработки жидкости, содержащее два или более сопловых отверстий, размещенных с возможностью подачи встречных струй жидкости (см. заявку на патент США № 2003/0199595, НКИ 516/20, опубл. 23.10 2003).A device is known for hydrodynamic processing of a liquid, comprising two or more nozzle openings arranged to feed oncoming jets of liquid (see application for US patent No. 2003/0199595, NKI 516/20, publ. 23.10 2003).

В известном устройстве происходит более эффективная обработка жидкости, так как на жидкость первоначально воздействует образующийся при столкновении струй вихрь, а когда скорость на периферии ядра вихря достигает критического значения, то происходит возникновение кавитационных пузырьков. Вторым эффектом является то, что кавитационные пузырьки, образующиеся в зоне ядра вихря, перемещаются к центру ядра вихря и схлопываются.In the known device, a more efficient treatment of the liquid takes place, since the vortex formed during the collision of the jets first acts on the liquid, and when the velocity at the periphery of the vortex core reaches a critical value, cavitation bubbles appear. The second effect is that cavitation bubbles formed in the zone of the vortex core move to the center of the vortex core and collapse.

Однако в этом известном устройстве подача обрабатываемой жидкости происходит вдоль некоторой поверхности, как правило, это внутренняя поверхность трубы или форсунки, то есть всегда на этой поверхности образуется пограничный слой жидкости, а это в свою очередь приводит к потери энергии жидкости на стенках. Это явление очень существенно для вязких жидкостей. Например, для увеличения скорости струи жидкости необходимо уменьшать диаметр сопла, однако этому уменьшению препятствует пограничный слой жидкости вдоль стенок сопла.However, in this known device, the feed of the liquid to be treated occurs along a certain surface, as a rule, this is the inner surface of the pipe or nozzle, that is, a boundary layer of liquid is always formed on this surface, and this in turn leads to a loss of liquid energy on the walls. This phenomenon is very significant for viscous fluids. For example, to increase the speed of a liquid stream, it is necessary to reduce the diameter of the nozzle, however, this boundary layer is prevented from decreasing along the walls of the nozzle.

Этот недостаток устраняется в известном устройстве гидродинамической обработки жидкости, где возможно воздействие на пограничный слой жидкости центробежной силы, которая приложена непосредственно к пограничному слою на поверхности вращающегося диска, и это устройство является наиболее близким к настоящему изобретению.This disadvantage is eliminated in the known fluid hydrodynamic processing device, where a centrifugal force, which is applied directly to the boundary layer on the surface of the rotating disk, can be applied to the liquid boundary layer, and this device is closest to the present invention.

Вышеуказанное устройство гидродинамической обработки жидкости содержит корпус, диск, установленный в корпусе, привод, выполненный с возможностью передачи вращательного момента к диску (см. патент США № 6132080, НКИ 366/286, опубл. 17.10.2000 г.).The aforementioned fluid hydrodynamic processing device comprises a housing, a disk mounted in the housing, a drive configured to transmit torque to the disk (see US Patent No. 6132080, NKI 366/286, publ. 10/17/2000).

В этом известном устройстве жидкость подается на поверхность вращающегося диска. При этом пограничный слой жидкости взаимодействует с гладкой поверхностью каждого из вращающихся дисков и под действием центробежной силы перемещается на периферию диска. При перемещении пограничного слоя жидкости происходит турбулизация жидкости на поверхности диска, то есть образование вихрей. Таким образом, возможна гидродинамическая обработка жидкости. Однако образованные в этом случае вихри быстро покидают поверхность диска, приобретая при этом незначительную энергию вращения, что не позволяет осуществить более эффективную гидродинамическую обработку жидкости.In this known device, liquid is supplied to the surface of a rotating disk. In this case, the boundary layer of liquid interacts with the smooth surface of each of the rotating disks and, under the action of centrifugal force, moves to the periphery of the disk. When moving the fluid boundary layer, fluid turbulization occurs on the surface of the disk, i.e., the formation of vortices. Thus, hydrodynamic treatment of the liquid is possible. However, the vortices formed in this case quickly leave the surface of the disk, acquiring an insignificant rotation energy, which does not allow a more efficient hydrodynamic treatment of the liquid.

Таким образом, решаемая настоящим изобретением задача заключена в повышении эффективности гидродинамической обработки жидкости.Thus, the problem solved by the present invention is to increase the efficiency of the hydrodynamic treatment of a liquid.

Технический результат, который может быть получен при решении поставленной задачи, заключается в существенном увеличении энергии вихря и формировании вихря с кавитационными пузырьками в его ядре.The technical result that can be obtained by solving the problem is to significantly increase the energy of the vortex and the formation of a vortex with cavitation bubbles in its core.

Поставленная задача с достижением вышеуказанного технического результата решается за счет того, что в известном устройстве гидродинамической обработки жидкости, содержащем корпус, диск, установленный в корпусе, привод, выполненный с возможностью передачи вращательного момента к диску, на торцевой поверхности диска, соосно ему, установлен конический элемент, образующая которого прямая или кривая линия, а над поверхностью диска, соосно ему и коническому элементу, установлена камера, при этом между торцом камеры и торцевой поверхностью диска выполнен зазор, а также за счет того, чтоThe problem is achieved with the achievement of the above technical result is solved due to the fact that in the known device for hydrodynamic processing of liquids containing a housing, a disk mounted in the housing, a drive configured to transmit torque to the disk on the end surface of the disk, conical to it, is installed conical an element forming a straight or curved line, and a camera is installed above the surface of the disk, coaxial to it and the conical element, while between the end of the chamber and the end surface ska a gap, as well as by the fact that

- зазор между торцом камеры и торцевой поверхностью диска выполнен регулируемым;- the gap between the end of the chamber and the end surface of the disk is adjustable;

- образующая конического элемента выполнена с радиусом кривизны, равным 1-10 радиусам его основания;- the generatrix of the conical element is made with a radius of curvature equal to 1-10 radii of its base;

- образующая конического элемента выполнена в виде гиперболы;- the generatrix of the conical element is made in the form of a hyperbola;

- образующая конического элемента выполнена в виде сегмента окружности;- the generatrix of the conical element is made in the form of a circle segment;

- число Рейнольдса для конического элемента выбрано в пределах 2000 - 5500 и определяется соотношением R_e=ΩR²/ν, где- the Reynolds number for the conical element is selected in the range of 2000 - 5500 and is determined by the ratio R _e = ΩR ² / ν, where

Ω - угловая скорость вращения конического элемента (рад/сек);Ω is the angular velocity of rotation of the conical element (rad / sec);

R - радиус основания конического элемента (метр);R is the radius of the base of the conical element (meter);

ν - кинематическая вязкость обрабатываемой жидкости (м²/сек);ν is the kinematic viscosity of the treated fluid (m ² / s);

- безразмерный геометрический фактор камеры выбран в пределах 2 - 3 и определяется соотношением - α₁=H/R, где Н - высота камеры, т. е. расстояние от основания конического элемента до верхнего среза камеры;- the dimensionless geometric factor of the chamber is selected within 2 - 3 and is determined by the ratio - α ₁ = H / R, where H is the height of the chamber, i.e., the distance from the base of the conical element to the upper cut of the chamber;

- камера выполнена осесимметричной.- the camera is axisymmetric.

Изобретение поясняется фигурами.The invention is illustrated by figures.

На фиг.1 представлен разрез устройства обработки жидкости в вертикальной плоскости с указанием направлений потока жидкости и обозначением зоны образования вихря.Figure 1 shows a section of a device for processing liquid in a vertical plane, indicating the directions of fluid flow and the designation of the vortex formation zone.

На фиг.2 представлен разрез устройства в горизонтальной плоскости.Figure 2 presents a section of the device in the horizontal plane.

В соответствии с фиг.1 устройство гидродинамической обработки жидкости содержит корпус 1, диск 2, установленный в корпусе 1, и привод. Вал 3 соединен с приводом и выполнен с возможностью передачи вращательного момента к диску 2. На торцевой поверхности 4 диска 2 установлен конический элемент 5 соосно диску 2. Образующая 6 конического элемента 5 прямолинейна или криволинейна. Соосно диску 2 над его торцевой поверхностью 4 установлена камера 7, при этом между нижним торцом 8 цилиндрической камеры 7 и торцевой поверхностью 4 диска 2 выполнен зазор 9. Зазор 9 выполнен с возможностью регулирования, то есть с возможностью изменения его ширины. На противоположном торце 10 цилиндрической камеры 7 выполнено отверстие 11 для подачи обрабатываемой жидкости. Для удаления обработанной жидкости предусмотрено выпускное отверстие 12 (фиг.2).According to FIG. 1, a fluid hydrodynamic processing device comprises a housing 1, a disk 2 mounted in the housing 1, and a drive. The shaft 3 is connected to the drive and is configured to transmit torque to the disk 2. On the end surface 4 of the disk 2, a conical element 5 is mounted coaxially to the disk 2. The generatrix 6 of the conical element 5 is straight or curved. A chamber 7 is mounted coaxially to the disk 2 above its end surface 4, and a gap 9 is made between the lower end 8 of the cylindrical chamber 7 and the end surface 4 of the disk 2. The gap 9 is made with the possibility of regulation, that is, with the possibility of changing its width. At the opposite end 10 of the cylindrical chamber 7, a hole 11 is made for supplying the processed fluid. To remove the treated fluid, an outlet 12 is provided (FIG. 2).

В настоящем изобретении гидродинамическая обработка жидкости, например получение эмульсий, осуществляется следующим образом. Обрабатываемая жидкость поступает в объем устройства через отверстие 11 и заполняет объем осесимметричной камеры 7.In the present invention, the hydrodynamic treatment of a liquid, for example the preparation of emulsions, is as follows. The processed fluid enters the volume of the device through the hole 11 and fills the volume of the axisymmetric chamber 7.

При вращении диска 2 с коническим элементом 5 его боковая коническая поверхность приводит в движение пограничный слой (условно обозначен знаком С фиг.1). В этом случае на пограничный слой будут действовать две силы: центробежная, направленная вдоль радиуса диска 2, и сила, обусловленная движением элементов пограничного слоя вдоль криволинейной образующей и которая направлена вдоль радиуса кривизны (обозначен как R1 на фиг.1) этой образующей, то есть эта сила создает дополнительное давление на боковую поверхность конического элемента 5. В совокупности это приводит к тому, что энергия, передаваемая пограничному слою, будет большей, чем в случае плоского диска. Линия тока в этом случае обозначена сплошной линией С. В дальнейшем часть жидкости будет направляться в регулируемый зазор 9, а остальная часть жидкости будет направлена вдоль внутренней поверхности камеры 7. Это движение приводит к образованию вихревой зоны между поверхностью конического элемента 5 и внутренней поверхностью осесимметричной камеры 7. Линии тока этих вихрей показаны на фиг.1 (обозначены V). Поскольку в зону образования вихря непрерывно поступает жидкость пограничного слоя, то энергия вращения вихря увеличивается, а это приводит к образованию кавитационной полости на границе ядра вихря, то есть происходит первый такт обработки жидкости - образование полости в жидкости за счет кругового движения. В этом случае происходит разрушение крупных агломератов внутри жидкости. Таким образом, этот процесс обеспечивает образование эмульсий, дисперсий и тому подобное. Образовавшаяся на границе ядра вихря кавитационная полость или пузырек будет втягиваться в центр вихря, что приведет к схлопыванию пузырька. При схлопывании пузырька значительно возрастают давление и температура. Этот рост температуры и давления вызывает механохимические реакции в среде обрабатываемой жидкости. С другой стороны, это приводит к разрушения вихря как организованной структуры и снижению гидродинамического сопротивления в зоне формирования вихря. В результате через отверстие 11 увеличится поступление жидкости, а большая часть продуктов разрушения вихря с помощью диска 2 будет направлена в зазор 9, где под действием центробежной силы будет направлена в выпускное отверстие 12. Таким образом, обработка жидкости происходит с механическим воздействием на жидкость с определенной частотой.When the disk 2 is rotated with a conical element 5, its lateral conical surface sets in motion the boundary layer (conditionally indicated by the sign C of FIG. 1). In this case, two forces will act on the boundary layer: centrifugal, directed along the radius of the disk 2, and the force due to the movement of the boundary layer elements along the curvilinear generatrix and which is directed along the radius of curvature (designated as R1 in Fig. 1) of this generatrix, i.e. this force creates additional pressure on the lateral surface of the conical element 5. Together, this leads to the fact that the energy transferred to the boundary layer will be greater than in the case of a flat disk. The streamline in this case is indicated by the solid line C. In the future, part of the liquid will be directed to an adjustable gap 9, and the rest of the liquid will be directed along the inner surface of the chamber 7. This movement leads to the formation of a vortex zone between the surface of the conical element 5 and the inner surface of the axisymmetric chamber 7. The streamlines of these vortices are shown in FIG. 1 (denoted by V). Since the fluid of the boundary layer continuously enters the vortex formation zone, the vortex rotation energy increases, and this leads to the formation of a cavitation cavity at the vortex core boundary, that is, the first cycle of the fluid processing occurs - the cavity is formed in the fluid due to circular motion. In this case, the destruction of large agglomerates inside the liquid occurs. Thus, this process provides the formation of emulsions, dispersions and the like. The cavitation cavity or bubble formed at the boundary of the vortex core will be drawn into the center of the vortex, which will lead to the collapse of the bubble. When the bubble collapses, pressure and temperature increase significantly. This increase in temperature and pressure causes mechanochemical reactions in the medium of the treated fluid. On the other hand, this leads to the destruction of the vortex as an organized structure and a decrease in the hydrodynamic resistance in the zone of vortex formation. As a result, through the hole 11, the flow of liquid will increase, and most of the products of the destruction of the vortex using the disk 2 will be directed to the gap 9, where under the action of centrifugal force will be directed to the outlet 12. Thus, the processing of the liquid occurs with mechanical action on the liquid with a certain frequency.

Параметром гидродинамической обработки является число Рейнольдса, которое для нашего случая находится в пределах 2000-5500, определяется соотношениемThe hydrodynamic processing parameter is the Reynolds number, which for our case is in the range of 2000-5500, is determined by the ratio

Rе=ΩR²/ν,Re = ΩR ² / ν,

где Re - число Рейнольдса;where Re is the Reynolds number;

Ω - угловая скорость вращения конуса (рад/сек);Ω is the angular velocity of rotation of the cone (rad / sec);

R - радиус основания конического элемента (м);R is the radius of the base of the conical element (m);

ν - кинематическая вязкость жидкости (м²/сек).ν is the kinematic viscosity of the liquid (m ² / s).

Следующим параметром является безразмерный геометрический фактор камеры - α₁=H/R, где Н - высота камеры 7, т.е. расстояние от основания конического элемента 5 до верхнего среза 10 камеры 11. Этот параметр должен быть заключен в пределах 2-3.The next parameter is the dimensionless geometric factor of the chamber - α ₁ = H / R, where H is the height of the chamber 7, i.e. the distance from the base of the conical element 5 to the upper cut 10 of the chamber 11. This parameter should be enclosed within 2-3.

Высота конического элемента 5 может быть выбрана в диапазоне 1 - 2 радиусов основания этого конического элемента 5, а образующая конического элемента выполнена с радиусом кривизны, равным 1-10 радиусам его основания.The height of the conical element 5 can be selected in the range of 1 to 2 radii of the base of this conical element 5, and the generatrix of the conical element is made with a radius of curvature equal to 1-10 radii of its base.

Таким образом, в настоящем изобретении реализован путь получения вихревой структуры в жидкости с заранее заданными параметрами, формирование в этой структуре кавитационных явлений, обеспечивающих механохимическую обработку жидкости и выпуск продуктов обработки из реакционной зоны.Thus, the present invention implements a way to obtain a vortex structure in a liquid with predetermined parameters, the formation of cavitation phenomena in this structure, providing mechanochemical processing of the liquid and the release of the processed products from the reaction zone.

Claims

1. A fluid hydrodynamic processing device comprising a housing, a disk mounted in the housing, a drive configured to transmit rotational momentum to the disk, characterized in that a conical element is installed on the end surface of the disk, forming a straight or curved line, and above the surface of the disk coaxially with it and the conical element, a camera is installed, while a gap is made between the end of the camera and the end surface of the disk.

2. The device according to claim 1, characterized in that the gap between the end of the chamber and the end surface of the disk is adjustable.

3. The device according to claim 1, characterized in that the generatrix of the conical element is made with a radius of curvature equal to 1-10 radii of its base.

4. The device according to claim 1, characterized in that the generatrix of the conical element is made in the form of a hyperbola.

5. The device according to claim 1, characterized in that the generatrix of the conical element is made in the form of a segment of a circle.

6. The device according to claim 1, characterized in that the Reynolds number for the conical element is selected within 2000-5500 and is determined by the ratio Re = ΩR ² / ν, where Ω is the angular velocity of rotation of the cone (rad / s), R is the radius of the base conical element (m), ν - kinematic viscosity of the treated fluid (m ² / s).

7. The device according to claim 1, characterized in that the dimensionless geometric factor α _{1 of the} camera is selected within 2-3 and is determined by the ratio α ₁ = H / R, where H is the height of the camera.

8. The device according to claim 1, characterized in that the camera is axisymmetric.