Устройство для смешивания текущих сред
Полезная модель относится к газовой динамике и может быть использована в технологиях, требующих приготовления различных смесей в потоках жидкостей или газов, в особенности при необходимости смешивать малые добавки с большим объемом движущейся среды, в частности в химической промышленности или при приготовлении лекарственных веществ.
Целью заявляемого технического решения является повышение эффективности распыления или смешивания многокомпонентных сред, расширение функциональных возможностей устройства.
В основу полезной модели поставлена задача улучшения устройства для смешивания текучих сред, в котором, вследствие выполнения внутренней поверхности камеры смешения в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля и проекциями торцов суживающейся и расширяющейся частей диффузора и конфузора, обращенными друг к другу, обеспечивается новый технический результат. Он заключается в том, что эжектируемый через отверстия камеры смешения поток может быть либо непрерывный, либо дискретный вплоть до отдельных частиц при определенных значениях температуры, давления и скорости эжектирующего потока. Эжектируемое вещество многократно отражается от стенок камеры, образует просто завихрения или завихрения типа «вихри в вихре», которые взаимодействуют с эжектирующим потоком. За счет этого повышается эффективность смешивания потоков в соотношениях как 1:1, так и 1:10000, исключаются условия для образования «мертвых зон» и налипания частиц на поверхность камеры смешения. При определенных значениях температуры, давления и скорости эжектирующего потока вследствие столкновения частиц возможно разрушение не только крупных частиц, но и молекул, то есть преобразование вещества.
Полезная модель относится к газовой динамике и может быть использована в технологиях, требующих приготовления различных смесей в потоках жидкостей или газов, в особенности при необходимости смешивать малые добавки с большим объемом движущейся среды, в частности в химической промышленности или при приготовлении лекарственных веществ.
Известно, что в основе наиболее эффективных устройств, использующих энергию движущегося газа, лежит явление увеличения полного давления газового потока под действием струи другого, более высоконапорного газового потока. Передача энергии от одного потока к другому происходит путем турбулентного смешения. Это явление лежит в основе газовых и иных эжекторов, позволяющих работать в широком диапазоне изменения параметров газов, позволяет регулировать рабочий процесс и переходить от одного режима работы к другому, создавать устройства различного назначения, например, эффективные форсунки для сжигания топлива, образования аэрозолей, смешения различных сред и т.п.. Описанное выше явление реализуют на практике с помощью эжекторов разного типа, которые, как правило, состоят из сопла высоконапорного (эжектирующего) газа, низконапорного (эжектируемого) газа, камеры смешения (обычно цилиндрической) и диффузора, обеспечивающих смешение сред в широком диапазоне температур, давлений, скоростей и плотностей [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Гос. Изд-во технико-теоретической литературы, 1951, с.223-234; Делягин Г.Н. и др. Тепло генерирующие установки. - М.: Стройиздат, 1986. с.256-265].
Однако реально устойчивую и эффективную работу газо- или гидродинамических устройств в конкретных условиях не всегда возможно обеспечить за счет простых технических решений
Известен способ смешивания жидких или газообразных сред в потоках жидкостей и газов, включающий размещение поперек потока жидкости или газа насадка с дренажными отверстиями на боковой поверхности [см. описание к патенту РФ №2080912, М. кл.. B01F 3/00, опубл. 10.08.1997 г.], который выполнен в виде плохо обтекаемого кругового цилиндра и ориентирован так, чтобы дренажные отверстия по обе стороны боковой поверхности располагались в зоне наибольшего разрежения на поверхности насадка при обтекании его потоком.
Устройство, реализующее указанный способ характеризуется простотой исполнения, монтажа и обслуживания. Оно не имеет специальной камеры смешения, поскольку способно обеспечить смешение непосредственно в потоке эжектируемой среды.
Однако отсутствие камеры смешения не уменьшает значительно габариты устройства в целом, поскольку эффективное смешение сред возможно на длине не менее 8-10 диаметров сопла эжектируемой среды, кроме того функциональные возможности такого устройства ограничены в основном низконалорными потоками
Известна форсунка для образования аэрозолей, которая имеет в своем составе сопло Лаваля, тороподобную и кольцевую камеры [см. описание к патенту Украины №78079, М.кл. A01G 25/00, опубл. 15.02.2007 г.], дополнительно содержит крыльчатку, установленную на выходе из диффузора, которая позволяет расширить угол распыления аэрозолей.
Однако установка крыльчатки на пути скоростного потока хотя и мелко дисперсных частиц, с одной стороны, существенно снижает надежность устройства, с
другой стороны, уменьшение скорости эжектирующего газа снижает эффективность смешения сред в вихревой камере.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство для распыления жидкости, содержащее корпус с каналами для подачи эжектирующей и эжектируемой жидкости, сопло Лаваля, сужающаяся и расширяющаяся части которого разделены камерой смешения, выполненной торовидной, при этом эжектирующие отверстия камеры смешения соединены с эжектируемым каналом через дополнительную кольцевую камеру [см. описание к патенту РФ №2083247, М. кл. А62С 31/02, опубл. 10.07.1997 г.]
Описанное выше устройство обеспечивает эффективное распыление жидкости до размеров капель порядка 0,005 мм.
Однако торовидная форма вихревой камеры ограничивает функциональные возможности устройства. При незначительных изменениях свойств эжектирующего и эжектируемого потоков вихревая камера теряет свою способность к завихрению потоков и становится тормозом, а на ее стенках налипают частицы жидкости или газа, эффективность распыления и смешивания уменьшаются.
Поэтому целью заявляемого технического решения является повышение эффективности распыления или смешивания многокомпонентных сред, расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для смешивания текучих сред, содержащем корпус с каналами подачи эжектирующей и эжектируемой среды, канал подачи эжектирующей стреды (КПЭС) имеет сужающуюся (диффузор) и расширяющуюся (конфузор) части, разделенные камерой смешения, при этом отверстия камеры смешения для впуска эжектируемой среды соединены с каналом эжектируемой среды через дополнительную кольцевую камеру, согласно полезной
модели, внутренняя поверхность камеры смешения выполнена в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля и проекциями торцов суживающейся и расширяющейся частей диффузора и конфузора, обращенными друг к другу, конхоиды улитки Паскаля симметрично расположены относительно оси КПЭС и симметрично или асимметрично относительно полярной оси конхоид, полярная ось конхоид перпендикулярна оси КПЭС, проекции торцов суживающейся и расширяющейся частей КПЭС параллельны полярной оси конхоид и перпендикулярны оси КПЭС, оси отверстий для впуска эжектируемой среды направлены под углом 
=35÷65° относительно оси КПЭС, при этом
a1/a2=d 2/d1=D1/D 2=1÷9, где
a1 - расстояние от торца сужающейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
а2 - расстояние от торца расширяющейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
d1 - минимальный диаметр сужающейся части КПЭС;
d 2 - минимальный диаметр расширяющейся части КПЭС;
D1 - диаметр торца сужающейся части КПЭС;
D2 - диаметр торца расширяющейся части КПЭС,
а длина камеры смешения H между торцами суживающейся и расширяющихся частями КПЭС равна сумме a1 +a2 и определена соотношением R
Н2R, где R - радиус неподвижной окружности конхоиды.
Согласно полезной модели, оно содержит от 1 до 28 впускных отверстий для эжектируемой среды.
Согласно полезной модели, для газообразных потоков l
2R, где l - константа конхоиды.
Согласно полезной модели, для жидких потоков Rl2R.
Согласно полезной модели, для потоков, содержащих твердые фракции, 0lR.
Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа, и, следовательно, является новым.
В основу полезной модели поставлена задача улучшения устройства для смешивания текучих сред, в котором, вследствие выполнения внутренней поверхности камеры смешения в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля и проекциями торцов суживающейся части диффузора и расширяющейся части конфузора, обращенными друг к другу, расположения конхоид улитки Паскаля симметрично относительно оси канала подачи эжектирующей среды (КПЭС) и симметрично или асимметрично относительно полярной оси конхоид, выполнения полярной оси конхоид перпендикулярно оси КПЭС, проекций торцов суживающейся и расширяющейся частей КПЭС параллельно полярной оси конхоид и перпендикулярно оси КПЭС, направления осей отверстий для впуска эжектируемой среды под углом =35÷65° относительно оси КПЭС, при этом
a1/a2=d 2/d1=D1/D 2=1÷9, где
a1 - расстояние от торца сужающейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
а2 - расстояние от торца расширяющейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
d1 - минимальный диаметр сужающейся части КПЭС;
d 2 - минимальный диаметр расширяющейся части КПЭС;
D1 - диаметр торца сужающейся части КПЭС;
D2 - диаметр торца расширяющейся части КПЭС,
и выполнения длины (Н) камеры смешения между торцами суживающейся и расширяющихся частей КПЭС равной сумме a 1+а2, которая лежит в пределах RН2R, где R - радиус неподвижной окружности конхоиды, обеспечивается новый технический результат. Он заключается в том, что эжектируемый через отверстия камеры смешения поток может быть либо непрерывный, либо дискретный вплоть до отдельных частиц при определенных значениях температуры, давления и скорости
эжектирующего потока. Эжектируемое вещество многократно отражается от стенок камеры, образует просто завихрения или завихрения типа «вихри в вихре», которые взаимодействуют с эжектирующим потоком. За счет этого повышается эффективность смешивания потоков в соотношениях как 1:1, так и 1:10000, исключаются условия для образования «мертвых зон» и налипания частиц на поверхность камеры смешения. При определенных значениях температуры, давления и скорости эжектирующего потока вследствие столкновения частиц возможно разрушение не только крупных частиц, но и молекул, то есть преобразование вещества.
Хотя теория газового эжектора разработана достаточно хорошо [см. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Гос. Изд-во технико-теоретической литературы, 1951], предложена и методика расчета, однако необходимость делать в процессе расчета множество допущений, приводит в конечном счете к результатам, которые проверяются только экспериментально. В результате такой проверки и появилось множество технических решений, которые в некоторых случаях успешно используют на практике. В некоторых случаях использование предложенных технических решений остается проблематичным, поскольку они не содержат в формуле и описании сколь либо приемлемых отправных точек пригодных для реализации этих технических решений [см., например, описание к патенту РФ №2083247, М.кл. А62С 31/02, опубл. 10.07.1997 г.]
Заявляемое техническое решение принципиально отличается от известных тем, что, базируясь на фундаментальных теоретических посылках, не только предлагает новый подход к формированию камеры смешения, но и дает достаточно конкретные отправные точки, необходимые для реализации технического решения в широком диапазоне эжектирующих и эжектируемых веществ.
Техническое решение промышленно применимо, поскольку изготовлено на современном оборудовании в нескольких экземплярах и успешно испытано для
смешивания: жидкостей (в том числе вязких) с жидкостями, порошками и газами; порошков с порошками, жидкостями и газами; газов с газами; растворов веществ или суспензий; лекарственных веществ до соотношения 1÷2000; различных масел с водой для получения эмульсий различной концентрации.
Фиг.1 Устройство для смешивания текучих сред.
Фиг.2 Схема смешивания сред в зоне вблизи дифузора
Фиг.3 Схема смешивания сред в зоне полярной оси конхоид.
Фиг.4 Схема смешивания сред в зоне вблизи конфузора.
Устройство для смешивания текучих сред (Рис.1), содержит корпус 1 с каналами для подачи эжектирующей среды 2 и канал эжектируемой среды 3 Канал для подачи эжектирующей среды (КПЭС) имеет сужающуюся (диффузор) часть 4 и расширяющуюся (конфузор) часть 5. Между ними расположена камера 6 смешения. Часть корпуса, несущая диффузор, имеет отверстия 7 для впуска эжектируемой среды, количество которых может быть от 1 до 28 в зависимости от количества смешиваемых сред и характеристик эжектирующего и эжектируемого потоков. Эти отверстия соединены с каналом 3 эжектируюемой среды через дополнительную кольцевую камеру 8. Внутренняя поверхность камеры 6 смешения выполнена в виде поверхности тела вращения плоскости ограниченной двумя конхоидами улитки Паскаля 9 и 10, а также проекциями торцов суживающейся 11 и расширяющейся 12 частей диффузора 4 и конфузора 5, которые обращении друг к другу. Конхоиды 9 и 10 улитки Паскаля симметрично расположены относительно оси 14 КПЭС и ассимметрично относительно полярной оси 13 конхоид 9 и 10. Полярная ось 13 конхоид 9 и 10 перпендикулярна оси 14 КПЭС. Проекции 11 и 12 торцов суживающейся 4 и расширяющейся 5 частей КПЭС параллельны полярной оси 13 конхоид и перпендикулярны оси 14 КПЭС. Таким образом, между диффузором 4 и конфузором 5 образована камера смешения 6, имеющая сложную форму.
В таблице, приведенной ниже, показаны основные параметры некоторых устройств для смешивания разных сред и характеристики эффективности смешивания различных текущих сред.
| Таблица. | |||
| Параметры устройства | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 |
| смешивание газов | Смешивание жидкостей | Смешивание порошков | |
| Н, мм | 3 | 10 | 25 |
| R, мм | 12 | 18 | 32 |
| а1, мм | 1 | 5 | 23 |
| ф 2, мм | 2 | 5 | 2 |
| d 1, мм | 2 | 2 | 3 |
| d 2, мм | 1,5-2,0 | 2 | 3-4 |
| D 1, мм | 14 | 6 | 8 |
| D 2, мм | 9 | 6 | 12 |
| l=f(R), мм | 0,1÷0,75 | 1,0÷1,50 | 2,0÷2,5 |
 *, % | 0,055÷0,10 | 0,5÷1,0 | 5÷10 |
| * - отклонение концентрации веществ в единице объема. | |||
Устройство работает следующим образом. Канал 2 подачи эжектирующей среды направляет эжектрующую среду в диффузор 4, а затем через камеру смешения 6 в конфузор 5. Канал 3 эжектируемой среды направляет ее вначале в кольцевую камеру 8, обеспечивающую равный доступ эжектируемой среды к отверстиям 7, которые направляют эжектируемую среду также в камеру смешения под соответствующим углом, обеспечивая, таким образом, взаимодействие эжектирующей и эжектируемой среды. Сложная форма камеры смешения 6 обеспечивает образование вихревых потоков и эффективное перемешивание эжектирующей и эжектируемой среды.
На фиг.2 показано, как смешиваются газы с газами и газы с жидкостью. При этом происходит не только смешивание, но и распыление полученной смеси в виде тумана с мелко дисперсными каплями Эффективное смешивание возможно при соотношениях компонентов от 1:1000 до 50:50.
На фиг.3 показано, как смешивается жидкость с жидкостью и жидкость с порошками. При этом обеспечивается качественное смешивание (см. таблицу) При определенных условиях возможна деструкция компонентов и образование новых веществ.
На фиг.4 показано, как смешиваются порошки с жидкостью и жидкость с жидкостью с образованием струйного потока.
Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения и описания примеров его осуществления, единый конструктивный подход к реализации устройств позволяет осуществить такие, которые способны качественно смешивать различные среды в широком диапазоне веществ и технических условий, что обеспечивает очень широкий диапазон их использования.
1. Устройство для смешивания текущих сред, содержащее корпус с каналами подачи эжектирующей и эжектируемой среды, канал подачи эжектирующей стреды (КПЭС) имеет сужающуюся (диффузор) и расширяющуюся (конфузор) части, разделенные камерой смешения, при этом отверстия камеры смешения для впуска эжектируемой среды соединены с каналом эжектирующей среды через дополнительную кольцевую камеру, отличающееся тем, что внутренняя поверхность камеры смешения выполнена в виде поверхности тела вращения плоскости, ограниченой двумя конхоидами улитки Паскаля и проекциями торцов частей суживающейся диффузора и расширяющейся конфузора, обращенных друг к другу, конхоиды улитки Паскаля симметрично расположены относительно оси КПЭС и симметрично или асимметрично относительно полярной оси конхоид, полярная ось конхоид перпендикулярна оси КПЭС, проекции торцов суживающейся и расширяющейся частей КПЭС параллельны полярной оси конхоид и перпендикулярны оси КПЭС, оси отверстий для впуска эжектируемой среды направлены под углом =35-65° относительно оси КПЭС, при этом
a 1/a2=d2/d 1=D1/D2=1÷9,
где a1 - расстояние от торца суживающейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
a2 - расстояние от торца расширяющейся части КПЭС до полярной оси конхоид;
d1 - минимальный диаметр суживающейся части КПЭС;
d2 - минимальный диаметр расширяющейся части КПЭС;
D1 - диаметр торца суживающейся части КПЭС;
D 2 - диаметр торца расширяющейся части КПЭС,
а длина камеры смешения между торцами суживающейся и расширяющихся частей КПЭС (Н=a1+а2) определена соотношением RH2R, где R - радиус неподвижной окружности конхоиды.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит от 1 до 28 впускных отверстий для эжектируемой среды.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для газообразных потоков l2R, где l - константа конхоиды.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для жидких потоков Rl2R.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для потоков, содержащих твердые фракции, 0lR.
