PL240420B1

PL240420B1 - Cavitation head

Info

Publication number: PL240420B1
Application number: PL432523A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Wiśniewski; Marek Dohojda; Aleksander Szepczyński; Zbigniew Wawer; Jan Piwnik
Original assignee: Szkola Glowna Gospodarstwa Wiejskiego W Warszawie
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2022-03-28
Also published as: PL432523A1

Abstract

Głowica kawitacyjna posiada cylindryczną, dwuczęściową komorę roboczą podzieloną poprzeczną przegrodą. W pierwszej części (1A) komory roboczej znajduje się element w postaci obrotowego stożka (4) z podstawą połączoną z przegrodą poprzeczną (2) ze szczelinami (3), oddzielającą dwie części (1A) komory roboczej. Szczeliny (3) w przegrodzie poprzecznej (2) są umieszczone wokół podstawy elementu stożkowego (4), a powyżej elementu stożkowego (4) znajduje się co najmniej jeden otwór wlotowy (5) do pierwszej części komory roboczej (1A) ukształtowany w formie dyszy. Druga część komory roboczej jest wyznaczona przez co najmniej jeden element pierścieniowy (6) z otworami, przy czym otwory są usytuowane pod kątem od 40° do 50° w stosunku do osi elementu pierścieniowego (6).The cavitation head has a cylindrical, two-part working chamber divided by a transverse partition. In the first part (1A) of the working chamber there is an element in the form of a rotating cone (4) with a base connected to a transverse partition (2) with slots (3), separating two parts (1A) of the working chamber. The slots (3) in the transverse partition (2) are placed around the base of the conical element (4), and above the conical element (4) there is at least one inlet opening (5) to the first part of the working chamber (1A) shaped in the form of a nozzle. The second part of the working chamber is defined by at least one annular element (6) with holes, wherein the holes are located at an angle of 40° to 50° in relation to the axis of the annular element (6).

Description

PL 240 420 B1PL 240 420 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest głowica kawitacyjna przeznaczona do mieszania trudno mieszających się mediów z wykorzystaniem zjawiska kawitacji.The subject of the invention is a cavitation head intended for mixing difficult-to-mix media with the use of the cavitation phenomenon.

Kawitacja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na gwałtownej przemianie fazowej z fazy ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia ciśnienia. Wiadomo, że kawitacja i związane z nią efekty mogą być wykorzystywane do mieszania składników płynącego przepływu masy. Przykładowo można mieszać ze sobą dwie różne ciecze lub ciecz i ciało stałe (cząstki) lub ciecz i gaz. Mieszanie, emulgowanie i rozpraszanie z wykorzystaniem zjawiska kawitacji opiera się na działaniu dużej liczby sił pochodzących od zapadających się pęcherzyków kawitacyjnych na mieszaninę składników, które mają być poddane obróbce. Implozji pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu granicy między dwoma obszarami fazy stałej i ciekłej towarzyszy rozproszenie fazy stałej (cząstek) w fazie ciekłej (ciecz) i utworzenie zawiesiny. Podobnie implozji pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu granicy między dwiema różnymi fazami ciekłymi towarzyszy rozbijanie jednej cieczy w drugiej i tworzenie emulsji. W obu przypadkach powierzchnia międzyfazowa pomiędzy ciągłymi fazami ulega zniszczeniu, tj. eroduje, i tworzy się ośrodek dyspersyjny i faza rozproszona.Cavitation is a physical phenomenon that consists of a rapid phase change from a liquid to a gas phase under the influence of pressure reduction. It is known that cavitation and its effects can be used to mix components in a flowing mass flow. For example, two different liquids, or a liquid and a solid (particles), or a liquid and a gas, can be mixed together. Mixing, emulsifying and dispersing using the phenomenon of cavitation relies on the action of a large number of forces from collapsing cavitation bubbles on the mixture of components to be treated. The implosion of cavitation bubbles near the interface between the two regions of the solid and liquid phase is accompanied by the dispersion of the solid phase (particles) into the liquid phase (liquid) and formation of a suspension. Likewise, implosion of cavitation bubbles near the interface between two different liquid phases is accompanied by the breaking of one liquid into the other and the formation of an emulsion. In both cases, the interface between the continuous phases is destroyed, i.e. eroded, and a dispersion medium and a dispersed phase are formed.

Zjawisko kawitacji zostało wykorzystane w pompach kawitacyjnych o różnej konstrukcji. Wśród nich są pompy z obrotowym wirnikiem, wokół którego wykonane są zagłębienia. Na dnie zagłębień w czasie obrotu wirnika powstają na skutek zjawiska kawitacji pęcherzyki pary tłoczonej cieczy. Ten rodzaj pompy służy m.in. do mieszania dwóch trudno łączących się cieczy (wytwarzanie emulsji). Urządzenie tego rodzaju jest przedstawione przykładowo w opisie patentowym US5188090. Zgodnie z tym opisem urządzenie posiada cylindryczny wirnik, który ma nierówności powierzchni. Wirnik porusza się na wale napędzanym przez zewnętrzne środki zasilające. Płyn wtryskiwany do urządzenia jest poddawany względnemu ruchowi między wirnikiem a obudową urządzenia i opuszcza urządzenie pod zwiększonym ciśnieniem i/lub temperaturą.The phenomenon of cavitation has been used in cavitation pumps of various designs. Among them are pumps with a rotating impeller around which recesses are made. At the bottom of the cavities, during the rotation of the rotor, vapor bubbles of the pumped liquid appear due to the cavitation phenomenon. This type of pump is used, among others, for for mixing two difficult to combine liquids (emulsification). A device of this type is shown, for example, in US 5188090. According to this description, the device has a cylindrical rotor which has surface irregularities. The rotor moves on a shaft driven by external power means. The fluid injected into the device is subjected to relative movement between the impeller and the housing of the device and leaves the device under increased pressure and / or temperature.

W opisie patentowym US4127332 ujawniono sposób i urządzenie do homogenizacji strumienia wieloskładnikowego obejmującego ciecz i zasadniczo nierozpuszczalny składnik, którym może być ciecz lub subtelnie rozdrobnione ciało stałe. Proces homogenizacji przeprowadza się przez przepuszczenie wieloskładnikowego strumienia płynu przez turbulentną warstwę ścinającą zaprojektowaną tak, aby turbulentne wiry generowały zjawisko kawitacji. Gwałtowne zapadanie się pęcherzyków wytwarza intensywne impulsy ciśnienia, które powodują dokładne wymieszanie cieczy i zasadniczo nierozpuszczalnego składnika, tak że uzyskana emulsja jest bardzo trwała i charakteryzuje się bardzo wysokim współczynnikiem emulgowania. Gdy nierozpuszczalny składnik jest rozdrobnionym ciałem stałym, zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych dodatkowo dzieli te cząstki tak, że uzyskuje się zawiesinę koloidalną. Urządzenie do homogenizacji ma umieszczony poprzecznie względem przepływu odpowiedni zespół płytki kryzowej z otworem, przez który strumień przepływa z dużą prędkością. W celu poprawienia efektywności działania urządzenia do homogenizacji, ciecz i składnik nierozpuszczalny mogą być wstępnie zmieszane w mieszalniku spiralnym umieszczonym przed aparatem do homogenizacji.US4127332 discloses a method and apparatus for homogenizing a multicomponent stream comprising a liquid and a substantially insoluble component, which may be a liquid or a finely divided solid. The homogenization process is carried out by passing a multi-component fluid stream through a turbulent shear layer designed so that the turbulent vortices generate the cavitation phenomenon. The rapid collapse of the bubbles creates intense pressure pulses which thoroughly mix the liquid and the substantially insoluble component, so that the resulting emulsion is very stable and has a very high emulsification factor. When the insoluble component is a particulate solid, the collapse of the cavitation bubbles further breaks the particles so that a colloidal suspension is obtained. The homogenizing device has a suitable orifice plate assembly arranged transversely to the flow through which the stream flows at high speed. In order to improve the operating efficiency of the homogenizer, the liquid and the insoluble component may be pre-mixed in a spiral mixer placed upstream of the homogenizer.

W opisie patentu US3744762 ujawniono urządzenie zawierające pierścieniową szczelinę z promieniowo rozmieszczonymi rowkami, przez które przepływa strumień płynu, tworząc wiele stref kawitacji.Patent US3744762 discloses a device comprising an annular gap with radially spaced grooves through which a fluid stream flows to form multiple cavitation zones.

W opisie patentu US7207712 przedstawiono urządzenie do tworzenia kawitacji hydrodynamicznej w płynie, zawierające dwuczęściową komorę przepływową i wiele przegród w drugiej części komory przepływowej, przy czym jedna lub więcej spośród wielu przegród jest skonfigurowanych do selektywnego przemieszczania się do pierwszej części komory przepływowej w celu wygenerowania hydrodynamicznego pola kawitacyjnego.US7207712 discloses an apparatus for creating hydrodynamic cavitation in a fluid comprising a two-part flow chamber and a plurality of baffles in a second flow chamber portion, one or more of the plurality of baffles configured to selectively move to a first portion of the flow chamber to generate a hydrodynamic field. cavitation.

W opisie patentu US6502979 przedstawiono urządzenie obejmujące komorę przepływową z wymiennymi przegrodami. Przegrody te mają różne kształty, co pozwala na skonfigurowanie różnych kształtów przestrzeni wewnętrznej komory. Odmienne skonfigurowanie przestrzeni ma wpływ na stopień i charakter kawitacji generowanej poniżej każdej przegrody i umożliwia sterowanie tym procesem. Przykładowo, wymienna przegroda może mieć kształt stożka.Patent US6502979 discloses an apparatus including a flow chamber with replaceable baffles. These partitions are of different shapes, which allows for the configuration of different shapes of the interior space of the chamber. The different configuration of the space influences the degree and nature of cavitation generated below each barrier and enables the control of this process. For example, the replaceable partition may be conical in shape.

Istnieje stała potrzeba doskonalenia urządzeń do mieszania trudno mieszających się mediów.There is a constant need to improve equipment for mixing difficult-to-mix media.

Głowica kawitacyjna według wynalazku posiada cylindryczną, dwuczęściową komorę roboczą podzieloną poprzeczną przegrodą ze szczelinami. W pierwszej części komory roboczej znajduje się element w postaci obrotowego stożka z podstawą połączoną z przegrodą poprzeczną oddzielającą dwie części komory roboczej. Szczeliny w przegrodzie poprzecznej są umieszczone wokół podstawyThe cavitation head according to the invention has a cylindrical, two-part working chamber divided by a transverse partition with slots. In the first part of the working chamber there is an element in the form of a rotary cone with a base connected to a transverse partition separating the two parts of the working chamber. Slots in the cross divider are located around the base

PL 240 420 B1 elementu stożkowego. Powyżej elementu stożkowego znajduje się co najmniej jeden otwór wlotowy do komory roboczej ukształtowany w formie dyszy. Druga część komory roboczej jest wyznaczona przez co najmniej jeden element pierścieniowy z otworami, przy czym otwory te są usytuowane pod kątem od 40° do 50° w stosunku do osi pierścienia.A conical element. Above the conical element there is at least one nozzle-shaped inlet to the working chamber. The second part of the working chamber is defined by at least one annular element with holes, the holes extending at an angle of 40 ° to 50 ° to the axis of the ring.

Korzystnie w komorze roboczej znajdują się dwa otwory wlotowe ukształtowane w formie dyszy Lavala. Alternatywnie dysza Lavala może być zastąpiona kanałem typu zwężkowego składającym się ze stożkowego wlotu o okrągłym profilu, cylindrycznej gardzieli i stożkowym wylocie.Preferably, the working chamber has two inlet openings shaped like a Laval nozzle. Alternatively, the Laval nozzle may be replaced by a constriction type conduit consisting of a circular shaped conical inlet, a cylindrical throat and a conical outlet.

Korzystnie szczeliny w przegrodzie poprzecznej posiadają wymiary: szerokość 2-3 mm i długość 5-10 mm.Preferably, the slots in the transverse partition have the following dimensions: width 2-3 mm and length 5-10 mm.

Korzystnie głowica zawiera od trzech do pięciu elementów pierścieniowych.Preferably, the head piece comprises three to five annular elements.

Korzystnie otwory w elementach pierścieniowych mają przekrój koła lub przekrój owalny. Korzystnie otwory w elemencie pierścieniowym mają średnicę od 0,5 do 6 mm. Korzystnie otwory te mają średnicę od 0,5 do 2 mm. W innej korzystnej opcji otwory mają średnicę od 3 do 6 mm. Możliwe jest, że w jednym elemencie pierścieniowym znajdują się otwory o różnych średnicach. Korzystnie w jednym elemencie pierścieniowym znajdują się otwory o różnych średnicach rozmieszczone przemiennie. Korzystnie w każdym elemencie pierścieniowym znajduje się od pięciu do dwunastu otworów.Preferably, the holes in the annular elements have a circular cross section or an oval cross section. Preferably, the holes in the annular element have a diameter of 0.5 to 6 mm. Preferably, the holes are 0.5 to 2 mm in diameter. In another preferred option, the holes have a diameter of 3 to 6 mm. It is possible for one ring member to have holes of different diameters. Preferably, in one ring element there are holes of different diameters arranged alternately. Preferably, each ring member has five to twelve holes.

Powierzchnia stożka może być gładka lub fakturowana.The surface of the cone can be smooth or textured.

Głowica kawitacyjna według wynalazku posiada budowę modułową. W zależności od założonej wydajności można zastosować elementy pierścieniowe o różnej średnicy. Wysokość strefy, w której występuje intensywne zjawisko kawitacji koreluje ze średnicą pierścieni głowicy, zgodnie z zależnością H=1,5xD.The cavitation head according to the invention has a modular structure. Depending on the assumed capacity, ring elements of various diameters can be used. The height of the zone in which intense cavitation occurs correlates with the diameter of the head rings, in accordance with the relationship H = 1.5xD.

Otwory w elementach pierścieniowych są otworami wylotowymi kanałów, którymi dostarcza się media do głowicy kawitacyjnej. Średnicę otworów w elementach pierścieniowych dobiera się w zależności od dostarczanego medium. Otwory kanałów dostarczające ciecz o różnej lepkości korzystnie posiadają otwory o średnicy od 3 do 6 mm, natomiast otwory kanałów, którymi dostarczane są nanocząsteczki trudno mieszalne korzystnie mają średnicę od 0,5 do 2 mm.The openings in the annular elements are the channel exit openings through which media is supplied to the cavitation head. The diameter of the holes in the ring elements is selected depending on the supplied medium. The channel openings supplying a liquid of different viscosity preferably have holes with a diameter of 3 to 6 mm, while the channel openings through which difficult to mix nanoparticles are supplied preferably have a diameter of 0.5 to 2 mm.

W przypadku, gdy powierzchnia stożka jest fakturowana, korzystnie jest to wzór skóry rekina.In the event that the surface of the cone is textured, it is preferably a shark skin pattern.

Zasada działania głowicy opiera się na zjawisku kawitacji. Ciecz wprowadzana jest do komory roboczej pod ciśnieniem przez specjalnie ukształtowane dysze. Stożek prowadzący jest rozmieszczony współosiowo wzdłuż ścieżki przepływu cieczy tak, że ciecz podąża za zwróconymi wewnętrznymi i zewnętrznymi ścianami komory roboczej. Ciecz przepływa pod ciśnieniem 10-20 barów przez szczeliny znajdujące się wokół stożka głowicy do drugiej części komory roboczej. Wielkość szczelin w przegrodzie poprzecznej komory roboczej ustala się w zależności od średnicy komory roboczej, tak aby zapewnić kawitację przepływającej cieczy.The principle of operation of the head is based on the phenomenon of cavitation. The liquid is introduced into the working chamber under pressure through specially shaped nozzles. The guide cone is coaxially disposed along the liquid flow path so that the liquid follows the facing inner and outer walls of the working chamber. The liquid flows at a pressure of 10-20 bar through the slots around the head cone to the second part of the working chamber. The size of the slots in the transverse partition of the working chamber depends on the diameter of the working chamber so as to ensure cavitation of the flowing liquid.

W drugiej części komory roboczej utworzonej przez element lub elementy pierścieniowe dostarcza się składniki podlegające mieszaniu tzn. przez większe otwory wykonane w pierścieniu wprowadza się dodatkową porcję cieczy, a przez mniejsze otwory cząsteczki stałe trudno mieszalne. Otwory w elementach pierścieniowych, usytuowane pod zdefiniowanym kątem w stosunku do osi pierścienia, nadają mieszaninie płynowej spiralny ruch, wzmacniając kawitację płynu przemieszczającego się przez szczeliny z pierwszej części komory roboczej.In the second part of the working chamber formed by the ring element or elements, the components to be mixed are supplied, i.e. additional liquid is introduced through the larger holes made in the ring, and hardly miscible solid particles are introduced through the smaller holes. Holes in the annular elements, positioned at a defined angle with respect to the axis of the ring, impart a spiral motion to the fluid mixture, enhancing cavitation of the fluid moving through the slots from the first portion of the working chamber.

Ciecz i cząsteczki stałe trudno mieszalne są dostarczane pod ciśnieniem od 3 do 20 barów. Temperatura procesu mieszania jest ustalana w zależności od lepkości mieszanej cieczy i wynosi od 20 do 190°C. Lepkość cieczy powinna być tak dobrana, aby możliwe było wywołanie zjawiska kawitacji. Temperatury wszystkich strumieni w trakcie procesu mieszania (cieczy i cząstek stałych) są takie same.Difficult to mix liquid and solid particles are supplied at a pressure of 3 to 20 bar. The temperature of the mixing process is determined depending on the viscosity of the liquid being mixed and ranges from 20 to 190 ° C. The viscosity of the liquid should be selected so that it is possible to induce the phenomenon of cavitation. The temperatures of all streams during the mixing process (liquid and solids) are the same.

Mieszanina płynowa może być przetwarzana wiele razy. Można to osiągnąć przez wiele przejść przez jednoetapowe urządzenie do kawitacji hydrodynamicznej, albo przez wiele wieloetapowych urządzeń do kawitacji hydrodynamicznej rozmieszczonych szeregowo.The fluid mixture can be processed many times. This may be accomplished by multiple passes through a single stage hydrodynamic cavitation device, or by multiple multiple stage hydrodynamic cavitation devices arranged in series.

Głowica kawitacyjna według wynalazku może być zastosowana do homogenizacji strumienia wieloskładnikowego obejmującego ciecz i zasadniczo nierozpuszczalny składnik, którym może być ciecz lub subtelnie rozdrobnione ciało stałe. Przykładowo, głowica może być wykorzystana do mieszania np. żywic z nanocząsteczkami trudno mieszalnymi, jak grafen, zaczynu cementowego z domieszkami grafenu lub innych cząstek trudno mieszalnych, olejów mineralnych i syntetycznych z grafenem. Przykładem takich żywic mogą być żywice mocznikowe, formaldehydowe, melaminowe, fenolowe, melaminowo-fenolowe, melaminowo-formaldehydowo-fenolowe, fenolowo-formaldehydowe.The cavitation head according to the invention may be used to homogenize a multi-component stream comprising a liquid and a substantially insoluble component, which may be a liquid or a finely divided solid. For example, the head can be used for mixing e.g. resins with difficult to mix nanoparticles, such as graphene, cement grout with admixtures of graphene or other difficult to mix particles, mineral and synthetic oils with graphene. Examples of such resins are urea, formaldehyde, melamine, phenolic, melamine-phenol, melamine-formaldehyde-phenol, phenol-formaldehyde resins.

Głowica kawitacyjna według wynalazku została przedstawiona w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój wzdłuż osi głowicy, Fig. 2 przedstawia położenie szczelin w przegrodzie poprzecznej, a Fig. 3 przedstawia położenie otworów w elemencie pierścieniowym głowicy.The cavitating head according to the invention is shown in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a cross-section along the axis of the head, Fig. 2 shows the position of the slots in the transverse baffle, and Fig. 3 shows the position of the holes in the annular element of the head.

Claims

PL 240 420 B1

In an exemplary embodiment, the cavitation head according to the invention has a cylindrical shape. The working chamber 1 of the head is divided into two parts: 1A and 1B by a transverse partition 2 with slots 3. In the first part 1A of the working chamber there is an element in the form of a rotating cone 4 with a base connected to the transverse partition 2 separating the two parts of the working chamber. The slots 3 in the transverse partition 2 are arranged around the base of the conical element 4 and have the dimensions: width 3 mm and length 10 mm. Above the conical element 4 there are two inlets 5 to the working chamber 1A, shaped as Laval nozzles. The second part of the working chamber 1B is defined by three rings 6 with holes 7 situated at an angle of 50 ° to the axis of the ring. Each ring has six larger holes 7A with a diameter of 6 mm and six smaller holes 7B with a diameter of 1 mm.

In the head shown in the embodiment in the drawing, the process of mixing phenolic resin with graphene particles was carried out.

The phenolic resin was preheated to a temperature of 160 ° ± 2 ° C in order to obtain the appropriate viscosity (the head was also heated to the same temperature). Then, under a pressure of 10 bar, it was forced through Laval nozzles 5 in the upper part of the cavitation head into part 1A of the working chamber. Subsequently, the liquid resin, flowing through the conical element 4, increased its speed, and after passing through the gaps 3 around the conical element 4, it cavitated. After the resin had penetrated the part 1B of the working chamber, an additional portion of heated resin was forced through the holes 7A in the rings 6, and the addition of graphene flakes (3-100 nm) through the holes 7B. After leaving the last ring 6, the cavitation phenomenon disappears and a homogeneous mixture of phenolic resin and graphene particles is formed.

Similarly, the phenolic resin was mixed with graphene flakes smaller than 3 nm and the phenol-formaldehyde resin was mixed with graphene flakes smaller than 100 nm, in which case the mixing was carried out at a temperature of 190 ± 2 ° C and a pressure of 20 bar.

Patent claims

1. Cavitation head according to the invention having a cylindrical, two-part working chamber divided by a transverse partition, characterized in that in the first part (1A) of the working chamber there is an element in the form of a rotating cone (4) with a base connected to the transverse partition (2) with slots ( 3), separating two parts (1A and 1B) of the working chamber, the slots (3) in the transverse partition (2) around the base of the conical element (4), and above the conical element (4) at least one inlet opening (5) to the first part of the working chamber (1A) shaped as a nozzle, and the second part of the working chamber (1B) is defined by at least one ring element (6) with openings (7), the openings (7) being located underneath an angle of 40 ° to 50 ° to the axis of the annular element (6).

2. Head according to claim A method according to claim 1, characterized in that the inlet opening (5) is formed as a Laval nozzle.

3. Head according to claim A device according to claim 1, characterized in that the inlet opening (5) is formed as a venturi-type channel consisting of a conical inlet with a round profile, a cylindrical throat and a conical outlet.

4. The head according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that in the first part of the working chamber (1A) there are two inlet openings (5).

5. The head according to claim 3. The slots (3) in the transverse partition (2) have the following dimensions: a width of 2-3 mm and a length of 5-10 mm.

6. The head according to claim 3. The apparatus of claim 1, characterized in that it comprises three to five annular elements (6).

7. Head according to claim A device according to claim 1, characterized in that the holes (7) in the annular elements (6) have a circular or oval cross-section.

8. The head according to claim The method of claim 1, characterized in that the holes (7) in the annular element (6) have a diameter of 0.5 to 6 mm.

9. The head according to claim The method of claim 1, characterized in that each annular element (6) has five to twelve holes (7).