устройство для смешивания жидких или газообразных сред в потоках жидкостей и газов

Формула изобретения

Устройство для смешивания жидких или газообразных сред в потоках жидкостей и газов, включающее помещенное в поток тело, на поверхности которого образованы отверстия для выброса в поток смешиваемых компонент, отличающееся тем, что тело выполнено в виде двух последовательно соединенных и установленных поперек потока круговых цилиндров, первый из которых расположен во входном участке устройства, выполненном в виде конфузора, обращенного навстречу потоку, а отверстия размещены равномерно вдоль образующих по бокам цилиндров в зонах, расположенных симметрично относительно миделевого сечения цилиндра и ограниченных в направлении потока дугой окружности, соответствующей центральному углу 20^o, и сообщены с общей полостью, образованной в теле цилиндров, причем полость второго цилиндра соединена с полостью входного участка, а с источником смешиваемых компонент сообщена трубопроводом полость первого цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидравлики и гидроаэродинамики и может быть использовано во всех отраслях хозяйства, где требуется энергосберегающая технология приготовления смесей в потоках жидкостей и газов и, в особенности при необходимости смешивать малые добавки с большим объемом движущейся среды (например, химическая легкая промышленности, коммунальное хозяйство и др.).

Известны многочисленные разновидности устройств для смешения жидкостей и газов, где используют механическое перемешивание с помощью движущихся (вращающихся) рабочих элементов (мешалок)

Известны устройства, в которых компонентам смеси, вводимым в поток придают вращательное движение (циклоны) [1, стр.70]

Недостаток указанных устройств заключается в необходимости постоянного расходования дополнительной энергии для преодоления сопротивления трассы при выбросе в поток подаваемых компонент смеси или преодоления сопротивления среды при механическом перемешивании. Устройства для механического перемешивания имеют ограниченный ресурс работы вследствие износа узлов с подвижными элементами и требуют постоянного технического обслуживания. Кроме того, они имеют ограниченную производительность, определяемую объемом камеры смешения.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату к предлагаемому устройству является трубчатый смеситель [2] прототип. Здесь смешиваемые компоненты под давлением через отверстия на поверхности внутренней трубы вводятся в поток жидкости, текущей во внешней трубе. Однако это устройство также, как указанные выше, требуют для своей работы постоянной затраты энергии на преодоление сопротивления при подаче компонент смеси через отверстия и выбросе их поток. Для указанного устройства характерна также ограниченная производительность, определяемая размерами камеры смешения. Увеличение размеров последней требует значительного повышения затрат энергии, пропорционального массе смешиваемых сред. Кроме того, эти устройства должны снабжаться дополнительными конструкциями для равномерного распределения смеси при большом объеме текущей жидкости, с которой необходимо смешивать подаваемые компоненты смеси. Перечисленные недостатки определяют низкий коэффициент полезного действия рассматриваемых устройств, что снижает эффективность их применения.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности процесса смешивания в потоке жидких или газообразных сред без дополнительных затрат энергии и обеспечение одновременно со смешиванием равномерного распределения смеси в потоке без применения специальных распределительных устройств. Кроме того, рассматриваемое изобретение позволяет решать как внутренние (размещение в трубопроводах), так и внешних (размещение в руслах каналах) задачи.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве, включающем помещенное в поток тело на поверхности которого образованы дренажные отверстия для выброса в поток смешиваемых компонентов, сообщенные с источником смешиваемых компонентов; тело выполнено в виде двух последовательно соединенных и установленных поперек потока круговых цилиндров, первый из которых расположен во входном участке устройства, выполненном в виде конфузора, обращенного навстречу потоку, а отверстия размещены равномерно вдоль образующих по бокам цилиндров в зонах, расположенных симметрично относительно миделевого сечения цилиндра и ограниченных в направлении потока дугой окружности, соответствующей центральному углу 20^o, и сообщены с общей полостью, образованной в теле цилиндров, причем полость второго цилиндра соединена с полостью входного участка, а с источником смешиваемых компонент сообщена трубопроводом полость первого цилиндра.

Как известно, при поперечном обтекании кругового цилиндра на его боковых поверхностях образуются зоны разрежения, за которыми следует отвыв потока с образованием расширяющейся вниз по потоку области заполненной вихрями, периодически формирующимися и сходящими с цилиндра в точках отрыва потока (см. монографию Г. Шлихтинга "Теория пограничного слоя", ИЛ, 1969, а также "Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости" под ред. Гольштейна, ИЛ, 1948). Упомянутая зона разрежения при размещении в ней дренажных отверстий на поверхности цилиндра, создает интенсивный отсос и выброс в поток подводимых к ним смешиваемых компонент, а образующиеся за цилиндром вихри обеспечивают интенсивное перемешивание этих компонент с потоком.

Наиболее интенсивно отсос смешиваемых компонент в поток будет осуществляться в зоне максимального разрежения, где размещаются дренажные отверстия. В зависимости от скорости потока зона максимального разрежения и отрыв потока несколько изменяют свое положение. Для кругового цилиндра это изменение оставляет по дуге окружности центральный угол 20^o симметрично относительно миделевого сечения цилиндра.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведена схема, иллюстрирующая работу устройства; на фиг. 3 представлены результаты испытания опытного образца устройства.

Конструктивно устройство выполнено следующим образом (см. фиг. 1). Входной участок устройства 1, изготовлен в виде прямоугольного в поперечном сечении конфузора, обращенного навстречу потоку. У переднего края конфузора перпендикулярно набегающему потоку установлен полый круговой цилиндр 2, связанный с трубопроводом 3, по которому поступают вводимые в поток компоненты смеси. На обеих боковых поверхностях цилиндра по длине между нижней и верхней стенками конфузора расположены отверстия 4. Конфузор соединен с полым круговым цилиндром 5, ось которого перпендикулярна набегающему потоку. На боковых поверхностях этого цилиндра по всей его длине расположены отверстия 6 для выброса в набегающий поток смеси, предварительно образованной внутри устройства.

Устройство работает в полностью погруженном в поток положении. Под действием набегающего потока во входном участке 1 устройства возникает повышенное давление, равное скоростному напору, а на боковых поверхностях цилиндра 4 появляется разрежение. Под действием возникающего перепада давления через устройство начинает перетекать жидкость. Она втекает во входной участок 1 устройства, перетекает в цилиндр 5 и через отверстие 6 выбрасывается в поток. Поступающая во входной участок жидкость обтекает цилиндр 2 и создает на его боковых поверхностях в районе отверстий 4 разрежение. Под действием разрежения подаваемые в цилиндр 2 компоненты смеси через отверстия 4 выбрасываются в конфузор входного участка и под влиянием вихревого следа за цилиндром 2 смешиваются с набегающим потоком. Образовавшаяся смесь из конфузора поступает во внутреннюю полость цилиндра 4 и через систему отверстий 5, находящихся в зоне разрежения, создаваемого набегающим на цилиндр потоком, выбрасывается по всей длине цилиндра в поток. В следе за цилиндром 4 под действием сходящих с него вихрей продолжаются процессы смешивания компонент смеси с набегающим потоком и распространения смеси по сечению трубопровода или канала, в котором работает смеситель. Изложенный процесс смешения иллюстрируется фиг. 2. Сплошными линиями здесь показано течение компонент смеси, а пунктиром набегающий поток. Условно выброс из отверстий на каждом цилиндре показан только с одной боковой поверхности, чтобы не затенять схему.

Вследствие того, что с увеличением скорости набегающего потока растет разрежение на боковых поверхностях цилиндров в месте расположения отверстий, а следовательно, и расход подаваемых компонент смеси, предлагаемое устройство позволяет автоматически поддерживать заданный режим смешивания при изменении скорости потока.

Поскольку выброс компонент смеси в поток осуществляется за счет энергии набегающего потока, предлагаемое устройство реализует процесс смещения без использования дополнительных источников энергии.

Ввиду того, что вихревой след, перемешиваясь с потоком, расширяется благодаря совместному воздействию скорости выброса компонент смеси, высокой турбулентности и диффузии в следе, зона смешения за цилиндрами распространяется по всему поперечному сечению потока.

И, наконец, вследствие того, что процесс смешивания происходит непосредственно в потоке (канале, русле, трубопроводе и т.п.) благодаря наличию в потоке цилиндра, через отверстия в поверхности которого подаются компоненты смеси, отсутствует необходимость иметь специальную камеру смешения. Кроме того, выброс компонент смеси по всей длине цилиндра позволяет отказаться от специальных устройств для распределения компонент смеси в потоке.

В настоящее время изготовлен и испытан опытный экземпляр устройства для системы очистки воды на городской водопроводной станции, подтвердивший высокую эффективность предлагаемого устройства. Результаты испытаний представлены на фиг. 3. Здесь сравниваются данные химического анализа воды в трех точках N, охватывающих ширину открытого канала водослива станции после осветления воды путем смешивания ее с раствором коагулянта. Качество воды характеризуется параметром мутности (М) и количеством остаточного алюминия (А), который входит в состав коагулянта. На графиках кривые 1 и 2 показывают величины М и А (в миллиграммах на литр) соответственно до и после установки предлагаемого устройства. Из графиков следует, что качество воды существенно повышается, так как мутность снижается в 2 раза, а количество остаточного алюминия в 3 раза.