Способ создания кавитирующей струи жидкости

 

Изобретение относится к технологии гидродинамической очистки поверхностей и, в частности, может быть использовано для очистки подводных сооружений, например внешних поверхностей корпусов судов, находящихся на плаву, от ржавчины, обрастаний и различных наслоений. Изобретение основано на совместном использовании динамического и кавитационного эффектов. Способ заключается в нагнетании жидкости под давлением через сопло-кавитатор. При этом осуществляют физико-химическую модификацию свойств жидкости путем добавления в нее взвешенных частиц и/или хорошо растворимых в ней высокомолекулярных полимеров. В качестве вещества-модификатора может использоваться высокомолекулярный линейный полимер, например, в виде полиоксиэтилена с молекулярной массой 10⁵ - 10⁷ и с концентрацией 10^-6 - 10^-4 кг/кг. В качестве жидкости могут использовать воду. Полимер могут подавать на входе сопла-кавитатора в пристеночную область через каналы, выполненные в его корпусе и равномерно расположенные по поперечному сечению сопла-кавитатора. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении качества очистки, а также в повышении ее производительности и экономичности. 5 з.п.ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к технике гидродинамической очистки поверхностей подводных сооружений, в частности внешних поверхностей корпусов судов, находящихся на плаву, от ржавчины, обрастаний и различных наслоений. Изобретение может быть использовано для очистки поверхностей различного рода изделий, которые могут быть погружены в жидкость и обработаны в ней струей жидкости с совместным использованием динамического и кавитационного эффектов струи.

Известно, что совместное использование динамического и кавитационного эффектов обрабатывающей струи в некоторых случаях повышает производительность очистки в 10 и более раз [1,2]. Объясняется это резкими скачками давления (гидростатическими ударами), сопровождающими процесс схлопывания кавитационных пузырьков.

Изобретения в этой области в основном направлены на разработку конструкций сопел и разного рода насадок, позволяющих увеличить число образующихся в рабочей жидкости (в обрабатывающей струе) кавитирующих пузырьков (полостей), получить более равномерное их распределение по сечению струи, уменьшить расстояние между схлопывающимися пузырьками и очищаемой поверхностью [3,4].

Известен способ создания кавитирующей струи жидкости, используемой для очистки твердых поверхностей, путем нагнетания ее под давлением через сопло-кавитатор, в соответствии с которым под углом к высоконапорной кавитирующей струе, вытекающей из сопла, подают кольцевой поток воды, который способствует созданию затопленности струйного потока и развитию в нем кавитации [5] . Данный способ является наиболее близким к предложенному с точки зрения использования технического приема, заключающегося в дополнительном воздействии на кавитирующую струю с целью усиления кавитирующего эффекта.

Общим недостатком как аналогов, так и прототипа является то, что канал сопла-кавитатора создает ощутимое гидродинамическое сопротивление прокачиваемой по нему жидкости за счет турбулентного трения о его поверхность. Это снижает экономичность и производительность очистки поверхности ввиду непроизводительных потерь мощности насоса и кавитирующей струи жидкости.

Достигаемый от настоящего изобретения результат заключается в снижении уровня турбулентности жидкости при прохождении от насоса до среза сопла, приводящий к уменьшению сопротивления напора и/или к повышению скорости жидкости на выходе (срезе) сопла. Уменьшение гидродинамического сопротивления при прокачке жидкости через сопло позволяет уменьшить мощность и/или давление подающего насоса. Другой технический результат состоит в том, что выходящая из сопла струя является более устойчивой от размывания (дробления) окружающей ее жидкостью, вследствие чего увеличивается площадь поверхности, на которой проявляется чистящий эффект. Третий технический результат заключается в улучшении качества очистки обрабатываемой поверхности за счет более легкой отделяемости частиц отложений от поверхности.

Общим с прототипом признаком является нагнетание жидкости под давлением через сопло-кавитатор.

Отличие заключается в том, что осуществляют физико-химическую модификацию свойств рабочей жидкости, например воды, путем добавления в нее взвешенных веществ и/или хорошо растворимых высокомолекулярных полимеров, например полимера полиоксиэтилена. Отличие состоит также в выборе полиоксиэтилена с молекулярной массой 10⁵ - 10⁷, расходуемого с концентрацией 10^-6 - 10^-4 кг/кг. В преимущественном варианте полимер подается в пристеночную область сопла. Предусмотрены, как варианты, подача полимера (полимеров) на входе сопла-кавитатора через несколько каналов, выполненных в его корпусе и равномерно расположенных по поперечному сечению сопла-кавитатора, или в двух или более поперечных сечениях.

Изобретение поясняется чертежом, где дан продольный разрез сопла-кавитатора.

Способ создания кавитирующей струи жидкости осуществляют следующим образом. Жидкость, например, воду под давлением нагнетают в направлении к обрабатываемой поверхности 1 через сопло-кавитатор 2. На входе сопла в рабочую жидкость добавляют вышеупомянутое вещество, воздействующее на структуру течения жидкости. Таким образом, в сопле-кавитаторе достигается уменьшение сопротивления напора и/или повышение скорости жидкости на выходе (срезе) сопла.

Известно, что на структуру течения воздействуют переносимые им взвешенные частицы, а также такие растворенные вещества, как некоторые высокомолекулярные полимеры. Взвешенные частицы, например глины, влияют на структуру потока, и в частности на уровень турбулентных пульсаций, при условии, что они создают в потоке значительный градиент плотности, например, в пристеночной области потока. Поэтому для получения заметного эффекта в снижении потерь и повышения производительности требуется подача большого количества "раствора" глины или другой взвеси при условии обеспечения роста его концентрации вдоль сопла. В то же время высокомолекулярные, но хорошо растворимые в воде линейные полимеры с молекулярной массой более 10⁴ влияют на структуру потока при гораздо меньших концентрациях. Это могут быть полиоксиэтилен, полиакриламид или некоторые полимеры биологического происхождения. Например, полиоксиэтилен с молекулярной массой порядка 10⁶ уже при концентрации полимера примерно 10^-5 кг/кг обладает способностью препятствовать развитию микроскопических зародышей турбулентных вихрей и тем самым поддерживать ламинарное движение частиц воды при высоких числах Рейнольдса. В результате гасятся турбулентные пульсации скорости в текущей воде, и гидродинамическое сопротивление понижается на 15-30%.

Выбор добавляемого вещества или полимера, его молекулярной массы и концентрации определяется экономической эффективностью, например, полимер с большей молекулярной массой (длиной полимерной цепи) более эффективно гасит турбулентные пульсации скорости и позволяет использовать более низкие рабочие концентрации его, но он, как правило, более дорог в производстве и менее стабилен.

Экономное (в 10-100 раз) расходование добавляемого полимера обеспечивается тем, что повышенная концентрация полимера (10^-3 - 10⁴ кг/кг) подается только в пристеночную область сопла, наиболее эффективно гася турбулентность и понижая гидродинамическое сопротивление. Для этого служат каналы 3, выполненные на входе сопла в его корпусе, равномерно расположенные по поперечному сечению сопла-кавитатора. Для поддержания необходимой концентрации полимера вдоль всей длины сопла при высоких скоростях потока его подача может производиться в двух или более поперечных сечениях сопла-кавитатора. На чертеже изображен вариант, по которому предусмотрены дополнительные каналы 4, выполненные ближе к выходу (срезу) сопла-кавитатора для обеспечения одинаковых свойств пристеночного слоя жидкости.

Предлагаемый способ создания активно кавитирующей струи жидкости в отличие от существующих снижает энергетические затраты. Кроме того достигаются следующие технические результаты: выходящая из сопла струя становится более устойчивой от размывания окружающей жидкостью, вследствие чего появляется свобода в выборе расстояния и угла наклона сопла к обрабатываемой поверхности для увеличения производительности; жидкость (вода) с добавкой высокомолекулярного линейного полимера приобретает способность к более быстрому проникновению в новые, возникающие в процессе очистки микропоры, тем самым облегчая и ускоряя отделение отложений от очищаемой поверхности.

Источники информации 1. SU, авторское свидетельство N 1102712, В 63 В 59/08, 1982.

2. RU, патент N 2094121, В 03 В 1/00, 1997.

3. RU, патент N 2095274, В 63 В 59/00, 1997.

4. US, патент N 4497664, B 08 B 3/02, 1983.

5. RU, патент N 2072937, В 63 В 69/08, 59/06, 1997.

Формула изобретения

1. Способ создания кавитирующей струи жидкости, используемой для очистки твердых поверхностей, заключающийся в нагнетании жидкости под давлением через сопло-кавитатор, отличающийся тем, что осуществляют физико-химическую модификацию свойств жидкости путем добавления в нее взвешенных и/или хорошо растворимых в ней высокомолекулярных полимеров.

2. Способ создания кавитирующей струи жидкости по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества-модификатора используют высокомолекулярный линейный полимер.

3. Способ создания кавитирующей струи жидкости по п.2, отличающийся тем, что в качестве высокомолекулярного линейного полимера используют полиоксиэтилен с молекулярной массой 10⁵ - 10⁷ и с концентрацией 10^-6 - 10^-4 кг/кг.

4. Способ создания кавитирующей струи жидкости по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду.

5. Способ создания кавитирующей струи жидкости по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что полимер подают на входе сопла-кавитатора в пристеночную область через каналы, выполненные в его корпусе и равномерно расположенные по поперечному сечению сопла-кавитатора.

6. Способ создания кавитирующей струи жидкости по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что полимер подают в двух или более поперечных сечениях сопла-кавитатора в пристеночную область через каналы, выполненные в его корпусе, равномерно расположенные по сечениям.

РИСУНКИ

Рисунок 1