RU2666700C1

RU2666700C1 - Modulator of viscous medium flow

Info

Publication number: RU2666700C1
Application number: RU2017141668A
Authority: RU
Inventors: Вера Степановна Деева; Степан Михайлович Слободян
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-09-11

Abstract

FIELD: transportation.SUBSTANCE: invention relates to pipeline transport of viscous media with discrete non-uniform inclusions, namely to the devices facilitating the movement of viscous and loose mixtures by means of electrical means and mechanical vibrations, and can be used in the food, oil production and processing industries, in transport. Viscous fluid flow modulator comprises the sprayer, which is made in the form of a nozzle located in the pipeline. One end of the nozzle is narrowed, forming a passageway that is connected to the outlet chamber, the inlet opening of which is made to be curved and expanding, mating with the end of the passageway. Inside the outlet chamber, coaxial with the passageway, there is a streamlined curved supporting body, which is fixed to the elastic rod, which is attached to the center of the elastic support, made in the form of a cross-piece inserted into the ring, at the outlet of the outlet chamber into the pipeline. Ring, into which the cross-piece is inserted, is the frame of the inductance coil, which is connected to the AC source. Distance from the reference body to the outlet opening of the passageway does not exceed the size of the support body. Support body is movable in the flow. Support is installed at the outlet of the outlet chamber into the pipeline. Support body, rod and support are made of a material, which is sensitive to the impact of the magnetic field and has elastic deformation.EFFECT: expansion of the functionality of the modulator by using it directly in the oil flow and improved stability of its operation over a wide range of changes in the velocities of the viscous medium flow.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к трубопроводному транспорту вязких сред с дискретными неоднородными включениями, а именно к устройствам облегчения перемещения вязких и сыпучих смесей воздействием с помощью электрических средств и механических колебаний, и может быть использовано в пищевой, нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, на транспорте.The invention relates to pipeline transport of viscous media with discrete heterogeneous inclusions, and in particular to devices for facilitating the movement of viscous and granular mixtures by exposure to electric means and mechanical vibrations, and can be used in the food, oil and processing industries, in transport.

Известна пневматическая форсунка [RU 2346756 С1, МПК В05В 7/08 (2006.01), опубл. 20.02.2009], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленная по оси корпуса с возможностью осевого перемещения трубы для подачи жидкости, на торце которой расположена распыливающая насадка, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости. Распыливающий участок выполнен в виде диффузора с выпуклой со стороны потока жидкости формой его образующей, а кольцевая насадка на трубе ниже газового сопла выполнена в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки. Длина головки ниже газового сопла имеет размер порядка диаметра выходного сечения диффузора.Known pneumatic nozzle [RU 2346756 C1, IPC B05V 7/08 (2006.01), publ. 02/20/2009], comprising a housing with a nozzle for supplying compressed gas, mounted along the axis of the housing with the possibility of axial movement of the pipe for supplying liquid, at the end of which there is a spray nozzle, and an air nozzle formed by a protrusion on the inner wall of the housing and an annular nozzle on the pipe for fluid supply. The spraying section is made in the form of a diffuser with a generatrix convex on the side of the liquid flow, and the annular nozzle on the pipe below the gas nozzle is made in the form of a convex head converging to the axis of the housing. The length of the head below the gas nozzle is on the order of the diameter of the outlet cross section of the diffuser.

Для работы этого устройства требуется наличие дополнительного высокоскоростного попутного газового потока в трубопроводе, что сужает область применения и эффективность воздействия.The operation of this device requires the presence of an additional high-speed associated gas stream in the pipeline, which narrows the scope and effectiveness of the impact.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для распыления вязких жидкостей [SU 939118 А1, МПК3 В05В 15/02; опубл. 30.06.1982], содержащее корпус с загрузочной горловиной, размещенный внутри корпуса приводной шнек и распылитель, выполненный в виде расширяющихся к выходу конусных отверстий. Конусные отверстия размещены на боковой поверхности корпуса в радиальном направлении. Шнек выполнен с витками, прилегающими к внутренней поверхности корпуса и контактирующими с входными кромками конусных отверстий.Closest to the claimed technical solution is a device for spraying viscous liquids [SU 939118 A1, MPK3 V05V 15/02; publ. 06/30/1982], comprising a housing with a loading neck, a drive screw and a spray located inside the housing, made in the form of conical openings expanding towards the outlet. Cone openings are placed on the side surface of the housing in a radial direction. The auger is made with turns adjacent to the inner surface of the housing and in contact with the input edges of the conical holes.

Для создания повышенного давления и установления режима распыления потока требуется использование приводного шнека. При изменении скорости течения вязкого потока отсутствует возможность удержания установленного режима распыления. Кроме того, для повышения производительности необходимо подавать дополнительную энергию, что выливается в сложность конструкции и сужение функциональных возможностей, снижает стабильность работы устройства.To create high pressure and establish a spray flow regime, the use of a drive screw is required. When changing the flow velocity of a viscous flow, it is not possible to maintain the set spraying mode. In addition, to increase productivity, it is necessary to supply additional energy, which translates into complexity of the design and narrowing of functionality, reduces the stability of the device.

Предложенный модулятор потока вязкой среды позволяет расширить функциональные возможности устройства и улучшает стабильность его работы.The proposed modulator flow of a viscous medium allows you to expand the functionality of the device and improves the stability of its operation.

Согласно изобретению, модулятор потока вязкой среды содержит распылитель, выполненный в виде форсунки, расположенной в трубопроводе. Один конец форсунки сужен, образуя проходной канал, который соединен с выходной камерой, входное отверстие которой выполнено криволинейным и расширяющимся, сопрягающимся с концом проходного канала. Внутри выходной камеры, соосно с выходным отверстием проходного канала, расположено опорное тело обтекаемой криволинейной формы, закрепленное на стержне, который прикреплен к центру опоры, выполненной в виде крестовины, вставленной в кольцо, на выходе выходной камеры в трубопровод. Кольцо, в которое вставлена крестовина, является каркасом катушки индуктивности, подключенной к источнику переменного тока. Расстояние от опорного тела до выходного отверстия проходного канала не превышает размер опорного тела. Опорное тело, стержень и опора изготовлены из материала, чувствительного к действию магнитного поля и обладающего упругой деформацией.According to the invention, the modulator of the flow of a viscous medium contains a spray made in the form of a nozzle located in the pipeline. One end of the nozzle is narrowed, forming a passage channel, which is connected to the outlet chamber, the inlet of which is made curved and expanding, mating with the end of the passage channel. Inside the outlet chamber, coaxially with the outlet of the passage channel, there is a support body of a streamlined curvilinear shape mounted on a rod that is attached to the center of the support, made in the form of a cross, inserted into the ring, at the outlet of the outlet chamber into the pipeline. The ring into which the crosspiece is inserted is the frame of an inductor connected to an AC source. The distance from the support body to the outlet of the passage channel does not exceed the size of the support body. The supporting body, the rod and the support are made of a material that is sensitive to the action of a magnetic field and has elastic deformation.

Результат работы модулятора потока вязкой среды основан на фундаментальном принципе существования определенной частоты собственных колебаний в механической системе. Пространственные перемещения опорного тела относительно его устойчивого положения на стержне, установленном на опоре, с собственной частотой колебаний относительно малой амплитуды ведут к периодическому изменению (модуляции) размеров сечения диффузорной области протекания потока вязкой среды в выходной камере. Кинетическое действие случайно распределенных дискретных включений агломератов в потоке вязкой среды в зависимости от момента и координаты столкновения с опорным телом влияет на амплитуду и частоту собственных колебаний опорного тела. Изменение параметров собственных колебаний опорного тела вызвано адгезией дискретных включений агломератов к поверхности опорного тела и диссипацией вязкости потока среды. Для повышения стабильности работы модулятора на частоте собственных колебаний использована катушка индуктивности. Катушка индуктивности подключена к источнику сигнала частоты, соизмеримой с частотой собственных колебаний соединенных вместе опорного тела, стержня и опоры для синхронного воздействия переменного магнитного поля катушки индуктивности и стабилизации частоты колебаний в области модулятора.The result of the viscous fluid flow modulator is based on the fundamental principle of the existence of a certain frequency of natural vibrations in a mechanical system. Spatial movements of the supporting body relative to its stable position on the rod mounted on the support with a natural frequency of oscillations of relatively small amplitude lead to periodic change (modulation) of the cross-sectional size of the diffuser region of the flow of viscous medium in the output chamber. The kinetic effect of randomly distributed discrete inclusions of agglomerates in the flow of a viscous medium, depending on the moment and coordinate of a collision with a support body, affects the amplitude and frequency of natural vibrations of the support body. The change in the parameters of the natural vibrations of the supporting body is caused by the adhesion of discrete inclusions of agglomerates to the surface of the supporting body and the dissipation of the viscosity of the medium flow. To increase the stability of the modulator at the frequency of natural oscillations, an inductor is used. The inductor is connected to a frequency signal source, commensurate with the frequency of natural oscillations of the supporting body, the rod and the support for synchronous exposure to an alternating magnetic field of the inductor and stabilizing the oscillation frequency in the modulator region.

Предложенный модулятор предназначен для использования непосредственно в потоке сред разной вязкости и разной скорости движения в трубопроводе с возможностью варьирования воздействия на динамику распыления потока, формируя диффузорное течение потока вязкой среды для усиления эффекта распыления. Это достигается подбором оптимального расстояния (или зазора) между выходным отверстием проходного канала и соосно с ним установленным опорным телом для создания наилучших условий распыления потока вязкой среды в трубопроводе. Подвижность опорного тела, влияющая на величину зазора и форму диффузорного разбрызгивания потока вязкой среды, позволяет предотвращать адгезию и коагуляцию как легких, так и тяжелых фракций вязкой среды в трубопроводе. Распыление потока вязкой среды в модуляторе создается: во-первых, совместным действием собственных колебаний опорного тела и магнитного поля катушки индуктивности, влияющим на положение опорного тела в среде; во-вторых, возникновением турбулентного, струйного, переменной плотности потока вязкой среды при переходе из более узкого проходного канала в расширяющуюся область выходной камеры с опорным телом, соосно установленным на опоре. Такое исполнение обеспечивает лучшие условия возникновения турбулентно струйного течения потока для его непрерывного распыления в диффузорной области модулятора, эффективно воздействуя на весь поток вязкой среды, протекающий по трубопроводу.The proposed modulator is intended for use directly in the flow of media of different viscosities and different speeds in the pipeline with the possibility of varying the effect on the dynamics of the spray flow, forming a diffuser flow of a viscous medium flow to enhance the spray effect. This is achieved by selecting the optimal distance (or gap) between the outlet of the passage channel and the supporting body aligned with it to create the best conditions for spraying the flow of a viscous medium in the pipeline. The mobility of the supporting body, which affects the size of the gap and the shape of the diffuser spray of the viscous medium flow, allows to prevent adhesion and coagulation of both light and heavy fractions of the viscous medium in the pipeline. Spraying the flow of a viscous medium in a modulator is created: firstly, by the combined action of the natural oscillations of the supporting body and the magnetic field of the inductor, affecting the position of the supporting body in the medium; secondly, the emergence of a turbulent, jet, variable flux density of a viscous medium during the transition from a narrower passage channel to an expanding region of the output chamber with a support body coaxially mounted on the support. This design provides the best conditions for the emergence of a turbulent jet flow for continuous spraying in the diffuser region of the modulator, effectively affecting the entire flow of a viscous medium flowing through the pipeline.

Таким образом, с повышением стабильности распыления потока одновременно расширены функциональные возможности устройства.Thus, with increasing stability of spraying the stream, the functionality of the device is simultaneously expanded.

На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства.In FIG. 1 presents a block diagram of the inventive device.

На фиг. 2 показан разрез трубопровода, сечение Б-Б.In FIG. 2 shows a section of the pipeline, section BB.

Модулятор потока вязкой среды, расположенный в трубопроводе 1, содержит входную камеру форсунки 2, один конец которой подключен к трубопроводу 1 (сечение А-А на фиг. 1). Другой конец форсунки 2 сужен, образуя проходной канал 3, который соединен с выходной камерой 4.A viscous fluid flow modulator located in pipeline 1 contains an inlet chamber of nozzle 2, one end of which is connected to pipeline 1 (section AA in FIG. 1). The other end of the nozzle 2 is narrowed, forming a passage channel 3, which is connected to the output chamber 4.

Поверхность входного отверстия выходной камеры 4 имеет криволинейную расширяющуюся форму, в частном случае форму дуги, плавно сопрягающуюся с концом проходного канала 3.The surface of the inlet of the outlet chamber 4 has a curvilinear expanding shape, in the particular case an arc shape that smoothly mates with the end of the passage channel 3.

Внутри выходной камеры 4 расположено опорное тело 5, закрепленное на стержне 6, который прикреплен к центру опоры 7, выполненной в виде крестовины, вставленной в кольцо. Опорное тело 5 выполнено обтекаемой криволинейной формы, например в виде шара, и расположено соосно с выходным отверстием проходного канала 3, являющимся входным отверстием выходной камеры 4. Расстояние от опорного тела 5 до выходного отверстия проходного канала 3 не превышает диаметра опорного тела 5. Опора 7 установлена на выходе выходной камеры 4, подключаемой к трубопроводу 1.Inside the output chamber 4 there is a supporting body 5, mounted on a rod 6, which is attached to the center of the support 7, made in the form of a cross, inserted into the ring. The supporting body 5 is streamlined in a curved shape, for example in the form of a ball, and is located coaxially with the outlet of the passage channel 3, which is the inlet of the outlet chamber 4. The distance from the support body 5 to the outlet of the passage channel 3 does not exceed the diameter of the support body 5. Support 7 installed at the output of the output chamber 4, connected to the pipeline 1.

Размер опорного тела 5 может быть как меньше, так и больше размера сечения проходного канала 3. Кольцо опоры 7 служит каркасом катушки индуктивности 8 (сечение Б-Б на фиг. 2), подключенной к источнику переменного тока.The size of the supporting body 5 can be both smaller and larger than the cross-sectional area of the passage channel 3. The ring of the support 7 serves as the frame of the inductor 8 (section BB in Fig. 2) connected to an AC source.

Стержень 6 и опора 7 изготовлены из материала, чувствительного к действию магнитного поля, например из углеродистой или вольфрамовой стали, пермаллоя, стали СТ45. В качестве опорного тела 5 может быть использован стальной шар подшипника диаметром 3,2 мм [ГОСТ Р 52859-2007] или эллипсоид из углеродистой или вольфрамовой стали, пермаллоя, стали СТ45. На катушку индуктивности подается сигнал, например, со стандартного генератора синусоидального сигнала Г3-33.Rod 6 and support 7 are made of a material that is sensitive to the action of a magnetic field, for example, carbon or tungsten steel, permalloy, steel CT45. As the supporting body 5, a steel ball of a bearing with a diameter of 3.2 mm [GOST R 52859-2007] or an ellipsoid of carbon or tungsten steel, permalloy, ST45 steel can be used. A signal is supplied to the inductor, for example, from a standard generator of a sinusoidal signal G3-33.

Модулятор потока вязкой среды работает следующим образом.The modulator flow of a viscous medium works as follows.

В исходном состоянии поток вязкой среды из трубопровода 1 через суженный конец форсунки 2 проникает в проходной канал 3. Сила давления вязкого потока при его проникновении в узкий проходной канал 3 резко возрастает (в число раз, равных отношению площадей сечений широкого и узкого концов форсунки). Скачок роста давления в проходном канале 3 приводит к скачку скорости течения потока вязкой среды, переводя ламинарное течение в струйное, с высокой скоростью переноса вязких частиц и агломератов. На выходе из проходного канала 3 раздробленный струйно-кавитационный поток частиц и агломератов вязкой среды приобретает

кинетическую энергию. Вытекающий из проходного канала 3, раздробленный на мелкие струи, поток вязкой среды сталкивается с опорным телом 5. Образуемый при этом криволинейный пространственный поток перенаправляет их движение к периферийной области выходной камеры 4, к области выхода в трубопровод 1. При движении частицы и агломераты потока вязкой среды испытывают многократные касательные столкновения с поверхностями опорного тела 5 и выходной камеры 4. Для создания оптимальных условий многократного столкновения частиц вязкой среды и более эффективного распыления их движения в криволинейном пространстве служит опорное тело 5, установленное на стержне 6. Частота сигнала, подаваемая на катушку индуктивности 8 от источника переменного тока, соответствует собственной частоте колебаний опорного тела 5 на стержне 6, что обеспечивает усиление их колебаний.In the initial state, the flow of a viscous medium from the pipeline 1 through the narrowed end of the nozzle 2 penetrates into the passage 3. The pressure force of the viscous flow when it penetrates the narrow passage 3 increases sharply (in the number of times equal to the ratio of the cross-sectional areas of the wide and narrow ends of the nozzle). A jump in the pressure increase in the passage channel 3 leads to a jump in the flow velocity of the viscous medium, converting the laminar flow to jet, with a high transfer rate of viscous particles and agglomerates. At the exit from the passage channel 3, the crushed jet-cavitation stream of particles and agglomerates of a viscous medium acquires

kinetic energy. The flow of a viscous medium flowing out of the passage channel 3, crushed into small jets, collides with the support body 5. The curved spatial flow formed in this case redirects their movement to the peripheral region of the output chamber 4, to the exit region into the pipeline 1. When particles and agglomerates of the viscous flow move media experience multiple tangential collisions with the surfaces of the support body 5 and the output chamber 4. To create optimal conditions for multiple collisions of particles of a viscous medium and a more efficient spray tions of their motion in a curved space 5 serves as a support body mounted on the shaft 6. The frequency of the signal supplied to the alternating current source inductor 8 corresponds to the natural frequency of oscillation of the support body 5 on the rod 6, which provides amplification of the oscillations.

Таким образом, под действием повышенного давления поток, проходя через форсунку 2, создает в проходном канале 3 турбулентный струйно-кавитационный режим движения частиц вязкой среды и через выходную камеру 4 проникает в трубопровод 1 (сечение Б-Б на фиг. 1). Многократные касательные столкновения струй потока вязкой среды с поверхностью опорного тела 5 и стенками выходной камеры 4, кинетически разрушая крупные агломераты частиц вязкой среды, существенно повышают однородность внутренней структуры потока вязкой среды на выходе модулятора, что облегчает дальнейшее движение потока вязкой среды, но уже более изоморфного по структуре, в трубопроводе 1. Создание модулированного движения частиц в криволинейном канале выходной камеры 4 приводит к динамическому смешиванию слоев потока при перемещении частиц вязкой среды. Это препятствует образованию механических связей фракций, разрушая их агломерацию в потоке вязкой среды, и способствует более однородному составу частиц потока, ввиду его турбулизации в пограничном слое трубопровода 1, предотвращая образование различного рода наслоений на стенках трубопровода 1.Thus, under the action of increased pressure, the flow passing through the nozzle 2 creates a turbulent jet-cavitation mode of movement of particles of a viscous medium in the passage channel 3 and penetrates the pipeline 1 through the outlet chamber 4 (section B-B in Fig. 1). Multiple tangential collisions of viscous medium flow jets with the surface of the supporting body 5 and the walls of the output chamber 4, kinetically destroying large agglomerates of particles of a viscous medium, significantly increase the uniformity of the internal structure of the viscous medium flow at the modulator output, which facilitates the further movement of the viscous medium flow, but is already more isomorphic by structure, in the pipeline 1. Creating a modulated motion of particles in the curved channel of the output chamber 4 leads to dynamic mixing of the layers of the flow when moved and particles of a viscous medium. This prevents the formation of mechanical bonds of fractions, destroying their agglomeration in the flow of a viscous medium, and contributes to a more uniform composition of the particles of the stream, due to its turbulization in the boundary layer of pipeline 1, preventing the formation of various kinds of layers on the walls of pipeline 1.

Claims

A viscous fluid flow modulator containing a sprayer, characterized in that the sprayer is made in the form of an nozzle located in the pipeline, one end of which is narrowed to form a passage channel, which is connected to the outlet chamber, the inlet of which is made curved and expanding, mating with the end of the passage channel while inside the outlet chamber, coaxially with the outlet of the passage channel, there is a supporting body, streamlined curved shape, mounted on a rod that is attached to the center of the support, made in the form of a cross, inserted into a ring, which is the frame of an inductor connected to an AC source, and the distance from the support body to the outlet of the passage channel does not exceed the size of the support body, the support is installed at the output of the output chamber into the pipeline, and the support body, the rod and the support is made of a material that is sensitive to the action of a magnetic field and has elastic deformation.