Способ и устройство для обработки жидкости - RU2254908C2
Код документа: RU2254908C2
Чертежи
Описание
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обработки жидкостей, а конкретнее без ограничений - к блоку вихревого сопла, включающему усовершенствованные вихревые сопла.
Описание прототипа
В патенте США №4261521 описан блок вихревого сопла с парой вихревых сопел, расположенных внутри корпуса напротив друг друга. Сопла и их соответствующие выходы расположены в корпусе аксиально, и через него жидкость подается в вихревые сопла. Жидкость поступает во внутреннюю суженную на конус вихревую трубку каждого вихревого сопла через прямое круглое отверстие, расположенное по касательной по отношению к тороидальной полости. Тороидальная полость прилегает к большому концу суженной конической вихревой трубки, которая перпендикулярна к оси сопла. Жидкость выходит из этой тороидальной секции и по мере прохождения к выходу из сопла она постепенно закручивается в спираль тем сильнее, чем больше жидкости непрерывно поступает в отверстие. Переход от тороидальной формы к конической является критичным. Если внутренний край конуса тангенциален по отношению к внешней части тороида, жидкость выходит слишком быстро, чтобы полностью покрыть внутреннюю часть вихревой трубки. И наоборот, если внутренний край конуса начинается на нижнем квадранте тороида, выходящая жидкость создает помехи входящему потоку и вызывает сильную турбулентность.
По мере спирального прохождения в каждой вихревой трубке центробежная сила расплющивает циркулярную часть жидкости по стороне конусовидной вихревой трубки. Это действие ускоряет движение жидкости по мере ее продвижения к выходу, создавая пустоту внутри камеры вихревой трубки. Когда жидкость покидает стенки вихревой трубки, ее движение ускоряется в радиальном направлении, образуя полый жидкостный конус. Полый жидкостный конус из одного вихревого сопла сталкивается с полым жидкостным конусом из другого вихревого сопла внутри корпуса, который образует закрытую камеру с омываемой жидкостью. В этой закрытой камере развивается существенный вакуум благодаря образованию пустоты центробежной силой вихря. Сила от столкновения двух полых жидкостных конусов в присутствии этого существенного вакуума изменяет жидкость.
Желательно и предпочтительно, чтобы жидкость образовала однородный и тонкий слой, с максимальным количеством площади поверхности жидкости, подверженной действию вихревой камеры. Кроме того, этот тонкий слой становится внутренней жидкостной стенкой вихревой реакционной камеры. Если жидкость распределяется неоднородно по стенкам конусовидной вихревой трубки при ее выходе из сопла, модель столкновения между двумя соплами нарушается, что нарушает, в свою очередь, работу сопла. Эти нарушения в распределении жидкости всегда будут иметь место, если жидкость вводить одним потоком с циркулярным поперечным сечением перпендикулярно по отношению к оси сопла и попытаться развить этот поток жидкости в поток с однородным тонкослойным кольцевым сечением.
Увеличение длины вихревой трубки способствует образованию однородного слоя, предоставляя жидкости больше времени для развития потока со стабильной моделью; к сожалению, дополнительная длина значительно повышает фрикционные потери. Эти фрикционные потери ослабляют силу удара, когда два полых жидкостных конуса, выходящие из сопел, сталкиваются, снижая тем самым эффективность работы сопла. Кроме того, дополнительная длина уменьшает центробежную силу, так как длина увеличена на большом конце вихревой трубки. Это делает тороидальную секцию больше и снижает ротационную скорость для данной входной скорости.
В патенте США №5435913 вводится еще одна внутренняя вихревая трубка к каждому соплу, и, таким образом, исключается наличие только одного входного отверстия. Это обеспечивает определенный положительный эффект, особенно, если спаренные вихревые трубки имеют правильные размеры и расположены относительно друг друга. Однако правильные размеры и расположение сдвоенных пар сопел должны быть тщательно выверенными. В этом случае необходимо точно определить относительные размеры и размещение, поскольку вихревые трубки могут создать больше препятствий, нежели усилить действие друг друга.
Поэтому давно назрела необходимость создать блок вихревого сопла, который обеспечивал бы более однородную толщину слоя в вихревом сопле и позволил бы создать более применимую модель широты, но в менее сложной конструкции, чем та, которая имеет или один вход, или конструкцию со спаренными соплами.
Краткое наложение сущности изобретения
В соответствии с настоящим изобретением способ и устройство для обработки жидкостей включает блок вихревого сопла с усовершенствованными вихревыми соплами. Кроме того, усовершенствована вся система, ее расположение, конструкция колен и способы для вихревой системы. Предусмотрено входное отверстие и способы измерения физических свойств жидкости в процессе ее движения. Предусмотрен также каркас для вихревой системы.
Блок вихревого сопла включает первое вихревое сопло с проходящим через него каналом и отверстие или отверстия, через которые первый поток жидкости входит в канал. Первое вихревое сопло придает вращение первому потоку жидкости, создавая таким образом первый вращаемый поток жидкости. Блок вихревого сопла также включает и второе вихревое сопло, расположенное напротив первого вихревого сопла. Второе вихревое сопло имеет канал, проходящий через него и отверстие или отверстия, через которые вторая жидкость входит в канал. Второе вихревое сопло придает вращение второму потоку жидкости, создавая таким образам второй вращаемый поток жидкости, сталкивающийся с первым вращаемым потоком жидкости. По меньшей мере сегмент канала для каждого вихревого сопла сужен на конус и отверстие или отверстия расположены тангенциально по отношению к конусу канала и входят в канал под углом, равным углу конуса канала.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлен перспективный вид устройства для обработки жидкостей.
На Фиг.2 представлено поперечное сечение по линиям 2,2 Фиг.1 устройства для обработки жидкостей.
На Фиг.3 представлена перспектива вихревого сопла устройства для обработки жидкостей.
На Фиг.4 представлена перспектива вихревого сопла устройства для обработки жидкостей.
На Фиг.5 представлена вертикальная проекция входной стороны корпуса вихревого сопла.
На Фиг.6 представлено поперечное сечение по линиям 6,6 Фиг.5, на которой представлен корпус вихревого сопла.
Подробное описание предпочтительного варианта изобретения
Как показано на Фиг.1 и 2, устройство 5 для обработки жидкости имеет каркас 6 для опоры насоса 7 и сборника 8 в нем с использованием любых подходящих средств крепления, таких как кронштейны. Устройство 5 далее включает корпус 9, соединенный с сборником 8, и блок 10 вихревого сопла, расположенный в корпусе 9.
Насос 6 имеет выходное отверстие 11 и представляет собой любой подходящий насос, способный перекачивать жидкость из источника с жидкостью через устройство 5. В этом предпочтительном варианте жидкостью может быть любая текучая жидкость, газ или твердые частицы, подающиеся посредством газа под давлением или потоком жидкости. Хотя в этом предпочтительном варианте для подачи жидкости представлен насос 6, специалистам очевидно, что могут быть использованы и другие подходящие и эквивалентные средства, такие как баллоны со сжиженным газом.
Сборник 8 включает впускное отверстие 12, отражающую стенку 13 и колена 14 и 15. Впускное отверстие 12 соединено с выходным отверстием 11 насоса 6 посредством любых подходящих средств, таких как фланец и зажимы, чтобы провести поток жидкости из насоса 6. Впускное отверстие 12, через которое жидкость подается к отражающей стенке 13, входит в ее впускное отверстие и крепится в нем жесткой посадкой, сваркой, клеем или другим способом. Отражающая стенка 13 принимает поток жидкости и делит его на первый и второй потоки жидкости, изменяя направление потока жидкости перпендикулярно относительно входящего потока из впускного отверстия 12. Отражающая стенка сочленена с коленом 14 и коленом 15 жесткой посадкой, сваркой, клеем или другим способом и подает первым поток жидкости в колено 14 и второй поток жидкости в колено 15. Каждое колено 14 и 15 поворачивает свой соответствующий поток жидкости, переданный от отражающей стенки 13, к корпусу 9. Колено 14 имеет соединительные части 16 и 17, которые соединяются вместе любыми подходящими средствами, такими как фланец и зажим. Соединительная часть колена 17 в этом предпочтительном варианте имеет второй фланец для соединения соединительной части 17 с корпусом 9. Аналогичным образом колено 15 имеет соединительные части 18 и 19, которые соединяются вместе любыми подходящими средствами, такими как фланец и зажим. Соединительная часть колена 19 в этом предпочтительном варианте имеет второй фланец для соединения соединительной части 17 с корпусом 9. Хотя в этом предпочтительном варианте предусмотрен сборник 8 для передачи потока жидкости в корпус 9, среднему специалисту в данной области техники очевидны и другие подходящие и эквивалентные средства, такие как два насоса и отдельные соединения с корпусом 9 или один насос, подающий жидкость в боковые части корпуса 9 вместо торцевых частей.
В корпусе 9 имеются входные отверстия 21 и 22, выходное отверстие 23 и упоры 25 и 26. По центральной оси корпуса 9 имеется расточенное отверстие 20 и расточенное отверстие 24, расположенное приблизительно по центру относительно средней точки корпуса 9, которое сообщается с отверстием 20. Корпус 9 закреплен и размещен между коленами 14 и 15 с использованием любых подходящих средств, таких как фланцы и зажимы, и принимает первый поток жидкости на входном отверстии 21 и второй поток жидкости на входном отверстии 22. Выходное отверстие 23 связано с любым подходящим хранилищем жидкости или системой подачи с использованием хорошо известной системы труб.
Блок 10 вихревого сопла сидит в отверстии 20 и в этом предпочтительном варианте включает вихревые сопла 27 и 28, которые расположены внутри отверстия 20 корпуса 9 напротив друг друга и предназначены сталкивать первый поток жидкости со вторым потоком жидкости, подвергая обработке текущую жидкость. Вместе с вихревым соплом 27, вставленным в корпус 9, вихревое сопло 27 и корпус 9 образуют полость 40, которая принимает первый поток жидкости из колена 14 и передает его к вихревому соплу 27. Аналогично вместе с вихревым соплом 28, вставленным в корпус 9, вихревое сопло 28 и корпус 9 образуют полость 41, которая принимает второй поток жидкости из колена 15 и передает его к вихревому соплу 28.
Как показано на Фиг.3-6, вихревое сопло 27 включает корпус сопла 29 и торцевой колпачок 30. В целях раскрытия здесь описано только вихревое сопло 27. Однако следует понимать, что вихревое сопло 28 идентично по внешнему виду, конструкции и работе вихревому соплу 27 и просто расположено в расточенном отверстии 20 корпуса 9 напротив вихревого сопла 27, чтобы облегчить столкновение второго потока жидкости с первые потоком жидкости.
Корпус 29 сопла в этом предпочтительном варианте фактически цилиндрический по форме и включает суженный на конус канал 31, проходящий аксиально через него. Конусовидный канал 31 имеет впускную сторону 32 и уменьшается в диаметре, заканчиваясь на выпускной стороне 33. Угол конуса суженного канала 31 составляет больше 0° и меньше 90°, однако лучше, если углы конуса будут больше 5° и меньше 60°.
Корпус 29 сопла имеет выступ 34 с приподнятой частью 35 и канавкой 36 в ней. Выступ 34 имеет размеры, которые позволяют его жестко посадить на внутреннюю поверхность корпуса 9, а приподнятая часть 35 прилегает к упору 25, что позволяет жестко посадить вихревое сопло 27 в корпусе 9. Канавка 36 служит для уплотнения и герметично держит корпус 29 сопла и, таким образом, само вихревое сопло 27 в корпусе 9.
Корпус 29 сопла еще имеет отверстия 37-39 для входа первого потока жидкости в конусовидный канал 31 вихревого сопла 27. В этом предпочтительном варианте отверстия 37-39 преимущественно трапециевидные по форме и расположены радиально на одинаковом расстоянии вокруг корпуса 29, начинаясь на внутренней стороне 32. Хотя в этом предпочтительном варианте имеются три трапециевидных отверстия 37-39, специалистам очевидно, что на самом деле необходимо только одно отверстие, но их может быть любое количество. Более того, отверстия 37-39 могут иметь любую приемлемую форму для подачи жидкости в конусовидный канал 31, и быть, например, эллипсовидными, треугольными, D-образными и другими.
В этом предпочтительном варианте отверстия расположены по касательной по отношению к внутренней поверхности конусовидного канала 31 и входят в канал 31 под тем же углом, что и конус конусовидного канала 31, что усиливает подачу первого потока жидкости в конусовидный канал 31 и в конечном итоге - улучшает распределение первого потока жидкости по конусовидному каналу 31. Хотя в этом предпочтительном варианте угол тангенциальных отверстий 37-39 совмещен с углом конуса конусовидного канала 31, специалистам данной области понятно, что отверстия 37-39 могут входить в конусовидный канал 31 под любым углом относительно конуса конусовидного канала 31. Кроме того, край корпуса 29 сопла, образующий внутреннюю сторону 32, включает конус с таким же углом, что и конус конусовидного канала 31, чтобы каждое из отверстий 37-39 имело трапециевидную форму.
Торцевой колпачок 30 герметично прилегает к торцу корпуса 29 сопла, образующему впускную сторону 32, и позволяет жидкости входить в конусовидный канал 31 только через отверстия 37-39. Соответственно внутренняя поверхность торцевого колпачка 30, прилегающая к торцу корпуса 29 сопла, образующему впускную сторону 32, включает конус с таким же углом, что и конус конусовидного канала 31. Торцевой колпачок 30 крепится к торцу корпуса 29 сопла, образующему впускную сторону 32, с использованием любых подходящих средств, таких как крепежные винты, клей и другие. Однако надо сказать, что торцевой колпачок 30 может быть выполнен как единое целое с корпусом 29 сопла. Хотя в этом предпочтительном варианте внутренняя поверхность торцевого колпачка 30 и торец корпуса 29 сопла, образующий впускную сторону 32, имеют конус под таким же углом, что и конус конусовидного канала 31 с отверстиями 37-39, каждое из которых имеет фактически трапециевидную форму, специалистам понятно, что внутренняя поверхность торцевого колпачка 30 и торец корпуса 29 сопла, образующие впускную сторону 32, могут быть расположены под любым углом.
В торцевом колпачке предусмотрен выступ 42, который выполнен как единое целое с ним или крепится к нему отдельно по центру внутренней поверхности колпачка 30. В этом предпочтительном варианте выступ 42 конический по форме и входит в конусовидный канал 31. Он предназначен регулировать компоненты вектора силы жидкости, входящей в конусовидный канал 31. Канал 43 через выступ 42 сообщается с полостью 44 приблизительно у центра наружной поверхности торцевого колпачка 30. Трубка 45 (см. Фиг.2) входит в полость 44 и предназначена для измерения вакуума внутри конусовидного канала 31.
Поток жидкости, подающейся к вихревому соплу 27, входит в конусовидный канал 31 через отверстия 37-39. Конусовидный канал 31 принимает жидкость и придает ей вращение, создавая таким образом поток вращающейся жидкости, проходящий по конусовидному каналу 31 и выходящий по его выпускной стороне 33. Каждое из отверстий 37-39 подает порцию потока жидкости и по касательной и перпендикулярно по отношению к конусовидному каналу 31. Такое касательное и нормальное поступление жидкости множественными полосами распределяет ее однородно тонким вращающимся слоем по конусовидному каналу 31, что сводит к минимуму потери из-за внутреннего турбулентного движения. Соответственно вихревое сопло 27 обеспечивает более интенсивное и стабильное динамическое действие вращающегося потока жидкости, выходящего с выпускной стороны 33 конусовидного канала 31.
Кроме того, в этом предпочтительном варианте площадь поперечного сечения отверстий 37-39 меньше площади поперечного сечения впускной стороны 32 конусовидного канала 31, что создает вакуум внутри вращающегося потока жидкости. Тем не менее, специалистам данной области понятно, что размер отверстий 37-39 может быть разным в зависимости от конкретных требований применения. Силу вакуума, созданного отверстиями 37-39, можно регулировать с использованием выступа 42 для изменения векторов силы вращающегося потока жидкости. Увеличение размера выступа 42 (например, диаметра или длины) уменьшает объем внутри конусовидного канала 31, наполняемого жидкостью, увеличивая, таким образом, вакуум и обеспечивая поток вращающейся жидкости компонентами вектора с большей тягой вниз и наружу.
В работе сборник 8 собирают, как описано выше, и подсоединяют к насосу 7. Каждое из сопел 27 и 28 вставляют напротив друг друга в корпус 9, как описано ранее, и корпус 9 соединяют с сборником 8. Насос 7 качает жидкость из источника жидкости и подает ее в сборник 8, который делит жидкость на первый поток и второй поток. Сборник 8 подает первый поток жидкости в полость 40 корпуса 9 и второй поток в полость 41 корпуса 9. Первый поток жидкости входит в вихревое сопло 27 из полости 40 через отверстия вихревого сопла 27. Вихревое сопло 27 принимает в себя жидкость и придает жидкости вращение, создавая первый вращающийся поток жидкости, который спускается вниз по вихревому соплу 27 и выходит с его выпускной стороны. Аналогичным образом второй поток жидкости входит в вихревое сопло 28 из полости 41 через отверстия вихревого сопла 28. Вихревое сопло 28 принимает в себя жидкость и придает жидкости вращение, создавая второй вращающийся поток жидкости, который спускается вниз по вихревому соплу 28 и выходит с его выпускной стороны. Благодаря расположению сопел 27 и 28 напротив друг друга первый вращающийся поток жидкости сталкивается со вторым вращающимся потоком жидкости, и это обеспечивает ее обработку посредством разрыва молекулярных связей в жидкости или уменьшения размера твердых частиц внутри жидкости. Далее обработанная жидкость выходит через выходное отверстие 23 корпуса 9 и стекает в соответствующий резервуар или систему подачи.
Хотя настоящее изобретение описано на примере варианта, такое описание служит только в целях иллюстрации, и специалистам понятно, что в объем данного изобретения входят также многие другие варианты, эквиваленты и множественные вариации. Следовательно, предшествующее описание не следует никоим образом рассматривать как ограничивающее объем данного изобретения, который определяется последующей формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к обработке жидкости в вихревых соплах и может использоваться для диспергирования и активирования жидкости. Устройство содержит вихревое сопло с каналом и множеством впускных отверстий. Отверстие может быть одно. В этом случае оно выполнено в форме трапеции. Устройство может содержать два вихревых сопла, расположенных друг против друга. Способ заключается в закручивании первого и второго потока жидкости и сталкивании потоков. Технический результат состоит в разрыве молекулярных связей в жидкости или уменьшении размера твердых частиц в жидкости. 12 н. и 33 з.п. ф-лы, 6 ил.
