Способ кавитационной обработки потока жидкости и реактор для его осуществления - RU2246347C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области процессов и аппаратов ультразвуковой кавитационной дезинтеграции жидких сред: разрушения, разъединения, разделения на части любых субстанций, включая микроскопические живые формы, существующих в виде взвешенных фаз в этих средах, а также диссоциации молекул самих сред. Результатом кавитационной обработки жидких сред является повышение их дисперсности, гомогенности, интенсификация происходящих в них химических реакций, синтез новых соединений, обеззараживание, а также повышение их химической активности, например, гидратационной активности и диссоциирующей способности воды. Кавитационной обработке могут подвергаться среды в виде суспензий, эмульсий, коллоидных либо истинных растворов, а также вода и другие жидкости.

Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности.

Известен способ ультразвуковой обработки потока жидкости при непрерывной гомогенизации или эмульгировании [1], при котором заданный уровень энергии поддерживают, управляя скоростью потока жидкости с учетом объема реактора, при этом жидкость перемешивают.

Известно, что результат воздействия на жидкие среды ультразвука зависит от уровня энергии акустического поля кавитации, то есть энергии акустических волн, испускаемых кавитационными пузырьками [3]. Мерой этой энергии может служить объемная плотность ее количества, выделяемого в объеме среды V за период Т колебаний первичного звука, называемого вынуждающим осциллятором, η^ная часть мощности Р которого рассеивается за это время в этом объеме, вызывая явление кавитации

где η - акустокавитационный коэффициент полезного действия [2].

Величина W зависит от амплитуды колебательного смещения в порождающей кавитацию упругой акустической волне. Эта амплитуда в свою очередь определяет амплитуду давления в пучности напряжений волны и зависит от объемной плотности мощности этой волны, то есть от объема, в котором происходит процесс. Кроме того, распределение W по объему реактора также зависит от V и соотношения размеров этого объема [2].

В описании рассмотренного выше способа требования к размерам внутреннего объема реактора предъявляются только исходя из расчета количества энергии, передаваемой в поток обрабатываемой жидкости, для обеспечения требуемой производительности процесса. Но ничего не сказано о требованиях к объему реактора и соотношениям его размеров в связи с количеством выделяемой в нем энергии кавитации и ее распределением по этому объему.

Поэтому в реакторах различных форм и объемов, предназначенных для одних и тех же видов обработки потоков жидкостей рассмотренным способом, результаты обработки будут различными, даже если в них обеспечены одинаковые количества передаваемой в жидкость энергии вынуждающего осциллятора, а потоки жидкости будут обрабатываться неравномерно даже при интенсивном перемешивании.

Это обстоятельство является причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, при использовании рассмотренного способа.

Известен способ воздействия энергией ультразвуковых колебаний на водно-мучную суспензию для активации хлебопекарных дрожжей, при котором обеспечивают заданную среднюю объемную плотность энергии вынуждающего осциллятора, а жидкость (суспензию) постоянно перемешивают [4]. Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании этого, а также рассмотренного выше способов обработки жидкостей, является следующее обстоятельство [2], что результат ультразвукового воздействия на жидкие среды зависит от соотношения уровней потенциальной и кинетической энергии акустического поля кавитации. Потенциальная энергия является мерой работы скалярного поля переменных давлений в среде, а кинетическая - векторного поля колебательных скоростей частиц среды. Эффекты, производимые воздействием на среду циклическими деформациями и колебательными смещениями принципиально неодинаковы по механизму воздействия и существенно различны по результатам. Наиболее действенным эффектом явления кавитации считается воздействие на жидкость и содержащиеся в ней субстанции перепадов давления во фронтах акустических волн, испускаемых кавитационными пузырьками [3], то есть диссипация в ней потенциальной энергии кавитации. Именно от ее уровня зависят результаты кавитационного воздействия на среды, к которым относятся эрозия и сонолиз (кавитолиз) [2].

В качестве меры соотношения потенциальной и кинетической энергии кавитации может использоваться эрозионный коэффициент Е, показывающий процентное отношение объемной плотности потенциальной энергии, выделяющейся, например, за период порождающей кавитацию упругой волны, в заданной точке акустического поля кавитации к объемной плотности полной энергии, выделившейся в этой точке за тот же период [2]. Таким образом эрозионный коэффициент является функцией координат внутреннего пространства реактора и зависит от соотношения его размеров. Величина эрозионного коэффициента зависит также от гидростатического давления, амплитуды колебательного смещения в порождающей кавитацию упругой акустической волне, которая в свою очередь определяет амплитуду давления в пучности напряжений, являющуюся функцией объема реактора и соотношения его размеров.

Мерой потенциальной энергии кавитации также может служить объемная плотность ее количества, выделяемого в объеме среды за период колебаний вынуждающего осциллятора W_p. Выражение для плотности потенциальной энергии получается из (1) как

В описании рассмотренных выше способов ничего не сказано о каком-либо методе прямого или косвенного контроля эрозионного коэффициента и полной энергии кавитации посредством установления объема реакторов и соотношения размеров реакторов. Поэтому обработка жидкостей такими способами не обеспечит ожидаемых результатов, если они хоть в какой-то мере зависимы от соотношения потенциальной и кинетической энергии кавитации при воздействии хотя бы в среднем.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является способ кавитационной обработки цельного молока для его бактериолиза и гомогенизации, при котором молоко пропускают сквозь кавитационный реактор со скоростью, обеспечивающей оптимальное время обработки.

Внутри реактора в молоке устанавливают стоячую акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности, которая вызывает возникновение стационарных кавитационных областей со своим акустическим полем и, соответственно, неким заданным средним значением эрозионного коэффициента [2 (с.67-69, таблица 3.3)].

Оптимальные параметры процесса предварительно определяют экспериментальным путем, используя так называемый эталонный реактор с полуволновой резонансной ячейкой [2 (с.61)], в которой вынуждающий осциллятор вызывает возникновение одной стационарной кавитационной области. В данном случае мерой плотности энергии кроме Р служит также среднее значение эрозионного коэффициента.

Этот способ принят за прототип.

Полученное в эталонном процессе среднее значение эрозионного коэффициента на самом деле является функцией заданного значения объемной плотности мощности и соотношений размеров внутреннего объема реактора, считающегося эталонным. Как было сказано выше, эрозионный коэффициент имеет определенного вида функцию распределения по внутреннему объему реактора, параметрами которой являются, в том числе, размеры и форма этого объема. Из (2) следует, что в процессе обработки потока жидкости, пропускаемого сквозь реактор, от вида функции распределения эрозионного коэффициента и плотности полной энергии W, которые определяют функцию распределения плотности потенциальной энергии W_p, будет зависеть, весь ли объем проходящего сквозь реактор потока жидкости получит одинаковое воздействие потенциальной энергии. Варьируя же размерами внутреннего объема реактора невозможно в точности воспроизвести функцию распределения Е и W в реакторе с другим объемом, так как кавитационные реакторы не обладают подобием формы [2 (с.87, 88)].

Из сказанного вытекает, что использование в качестве параметров процесса средних значений объемной плотности мощности вынуждающего осциллятора, зависящей от него средней W, а также среднего Е не позволяет получить равномерную обработку потоков жидкостей описанным способом в реакторах, различающихся объемами и соотношением размеров. Это и является причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании принятого за прототип способа.

Сущность изобретения в части, касающейся способа, заключается в следующем.

Как известно [2, 5], большинство процессов, связанных с явлениям дезинтеграции, которая основана на кавитационной эрозии и кавитолизе, протекают за короткие промежутки времени - несколько единиц или десятков периодов вынуждающего осциллятора. Поэтому даже непродолжительное пребывание потока обрабатываемой жидкости внутри объема, где установлены необходимые для получения требуемого результата параметры процесса, например те же средние W и Е, а также условия их распределения в этом сечении, обеспечивает получение требуемого результата.

Функция распределения плотности потенциальной энергии кавитации отлична от функции распределения эрозионного коэффициента. В зависимости от формы и размеров реактора она может иметь один или несколько экстремумов [2]. Поэтому при реализации способа обработки следует каким-либо образом пропускать поток обрабатываемой жидкости вблизи максимумов функции распределения W_р. Решение задачи локализации этих максимумов в сечении потока жидкости внутри реактора, заключающейся в определении местоположения и размеров площадей в этом сечении, охватывающих такие максимумы не существенно сужая при этом поток, следующее.

Поскольку фиксированным размером реактора, который не может быть произвольно изменен, является характеристический размер резонансной ячейки [2], то логично ограничить искомые площади по периметру координатами точек рассматриваемого сечения, в которых значение плотности потенциальной энергии кавитации не превышает ее максимального значения на стенках резонансной ячейки.

Такой выбор условия можно обосновать еще и тем, что экстремумы потенциальной энергии кавитации пространственно располагаются на стационарных кавитационных областях. А при наличии стоячей волны в реакторе, то есть в отсутствие передачи энергии через стенки резонансной ячейки, кавитационные области не контактируют с этими стенками. Таким образом искомые площади никогда не будут равны нулю. То есть, даже при самом строгом условии ограничения сечения потока жидкости это сечение останется достаточным для обеспечения ее прохода.

Ограничить сечение потока в соответствии с описанным условием можно двумя способами: путем встраивания в реактор элемента, ограничивающего сечение потока, например диафрагмы, либо путем подбора размеров внутреннего объема реактора, в котором будет осуществляться способ, являющихся параметрами функции распределения W_p. В первом случае сечение потока будет ограничено периметром отверстия в диафрагме, во втором - стенками корпуса.

Однако обеспечить реализацию описанного выше признака изобретения в части, касающейся способа, невозможно при использовании известных конструкций кавитационных реакторов.

Так, вышеописанный аналог способа [1] осуществляется при помощи установки, представляющей собой реактор заданного внутреннего объема, форма которого выполнена с учетом размещения в нем перемешивающего устройства и обеспечения наилучших условий перемешивания. Но перемешивающее устройство не позволяет установить в таком реакторе стоячую акустическую волну, получить стационарные кавитационные области и неподвижное в пространстве реактора распределение плотности потенциальной энергии. Поле кавитации в таком реакторе является суперпозицией полей бегущих волн в условиях изменения направлений их распространения.

Стоячую акустическую волну невозможно получить и в конструкциях реакторов [6, 7], где жидкость пропускается в узкий зазор между поверхностями, в котором возбуждается кавитация.

Кавитация в зазорах и тонких слоях порождается в большей степени не изменением во времени давления, а пространственным градиентом скорости частиц среды и является не акустической, а гидродинамической [8]. Известно, что в этих условиях трансформация энергии колебаний излучающей поверхности в энергию кавитации, а следовательно, и производимое кавитацией воздействие на жидкость менее эффективны.

Поэтому здесь невозможно обеспечить требуемое значение амплитуды переменного давления, от которого зависит величина W_p. To есть этот параметр для процессов, осуществляемых такими реакторами, является неуправляемым.

Известен кавитационный реактор, в котором устанавливается стоячая акустическая волна и образуются стационарные кавитационные области [9], но в нем по определению не допускается произвольно изменять внутренние размеры камеры реактора, в том числе и устанавливать диафрагму, во избежание попадания продуктов эрозии элементов конструкции камеры реактора в обрабатываемые среды. Поэтому установление требуемого распределения плотности потенциальной энергии в сечениях потока здесь невозможно.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению, является реактор для кавитационной обработки потока жидкости, имеющий резонансную ячейку и корпус, содержащий устройство для ограничения периметра потока в виде не экранирующей акустическую волну диафрагмы с отверстием для прохода жидкости [2 (с.91, рис.37)], который принят за прототип. Очевидно, что требование не экранировать диафрагмой акустическую волну выполняется за счет того, что эта диафрагма установлена в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки.

Этот реактор принят за прототип заявленного устройства.

Существует следующая причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании этого принятого за прототип кавитационного реактора.

В описании сказано, что диафрагма установлена в нем с целью обеспечения прохождения потока жидкости относительно максимума распределения эрозионного коэффициента Е_max наилучшим образом. Пользуясь математической моделью стационарной кавитационной области [2], можно показать, что Е_max располагается на поверхности кавитационной области. Из этого можно сделать вывод, что прототип требует, чтобы периметр отверстия в диафрагме располагался бы на поверхности стационарной кавитационной области, а отверстия в корпусе реактора, через которые обрабатываемая жидкость поступает в реактор и выходит из него, располагались бы по другую сторону от кавитационной области, нежели отверстие в диафрагме. При такой конфигурации реактора поток жидкости будет дважды пересекать поверхность кавитационной области по обе стороны от диафрагмы. Именно так и показано на рисунке [2 (с.91, рис.37)].

В описании прототипа рассматривается реактор с резонансной ячейкой цилиндрической волны, поэтому диафрагма имеет форму кольца, внутри которого располагается одна из стенок ячейки - цилиндрический излучатель. Зазор между периметром отверстия в диафрагме и поверхностью излучателя, равный четверти длины волны вынуждающего осциллятора в обрабатываемой жидкости, и является сечением потока жидкости, в котором должна быть обеспечена равномерность ее обработки.

В соответствии с описанными признаками прототипа в реакторах круглой либо прямоугольной в плане резонансных ячеек плоской волны диафрагма будет иметь форму шторки, наполовину перекрывающей сечение резонансной ячейки со стороны одной из стенок, прилегая к ней, а отверстия для прохода жидкости в корпусе реактора будут располагаться напротив нее на противоположных стенках (Фиг.1).

В дальнейшем анализе для упрощения системы единиц и минимизации числа используемых параметров модели будут использоваться не абсолютные значения W_p, а относительные значения, которые вычисляются как

где

В качестве меры, характеризующей функцию распределения W_p в сечении площади S, будет использоваться среднеквадратичное отклонение значений этой функции от ее среднего значения

Чем это отклонение меньше, тем равномернее распределение. То есть, уменьшение значения sω обеспечивает увеличение равномерности обработки потока жидкости.

Пользуясь уравнениями математической модели кавитационного реактора, которые будут приведены ниже, и этими безразмерными единицами можно показать следующее.

Во-первых, например, у квадратного в плане кавитационного реактора плоской волны, показанного на Фиг.1, с полуволновой резонансной ячейкой l×b=95×95 мм при обработке воды, когда характеристический размер ячейки при частоте вынуждающего осциллятора равной 22000 кГц составляет 34 мм, максимальное значение ω_p, на стенке ячейки будет равно 0,96 отн. ед., тогда как на кромке шторки в центре реактора оно будет равно 2,33 отн. ед. То есть, диафрагма-шторка будет подвергаться большему воздействию кавитационной эрозии, нежели стенки.

Во-вторых, у рассматриваемого реактора в сечении, образованном стенкой резонансной ячейки и внутренней кромкой шторки, лежащем в плоскости шторки, sω составляет 0,542 отн. ед. Ниже в сравнении с заявленным реактором будет показано, что такое среднеквадратичное отклонение является излишне большим.

Таким образом, при использовании прототипа ни минимизация эрозионных разрушений элементов конструкции реактора, ни равномерность обработки потока жидкости по его сечению не могут быть обеспечены в той мере, в какой это соответствовало бы сформулированному ниже техническому результату. Эти обстоятельства и не позволяют его получить при использовании прототипа.

Сущность изобретения в части, касающейся кавитационного реактора для осуществления заявленного способа, заключается в следующем.

Поскольку стенки резонансной ячейки испытывают воздействие кавитации на протяжении всего срока эксплуатации реактора без разрушений либо с допустимым уровнем эрозионных разрушений, а изготавливаются они из эрозионностойкого материала, то стенкам корпуса реактора и диафрагме, которые также изготавливаются из соответствующего материала [2], допускается испытывать аналогичное эрозионное воздействие.

Пользуясь уравнениями математической модели кавитационного реактора в любой плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки, можно найти координаты точек сечения, за пределами которого значения ω_р будут меньше ω_p,max на поверхности стенок, то есть не оказывающими эрозионного воздействия большего, чем на эти стенки.

Вид функции распределения относительной плотности потенциальной энергии кавитации в любом сечении площади So кавитационного реактора стоячей волны в отсутствие диафрагмы определяется из математической модели кавитационного реактора как

где

λ - длина акустической волны в обрабатываемой жидкости;

n - число стационарных кавитационных областей, возникающих в резонансной ячейке при работе реактора;

f₂ - функция, задающая среднее значение величин, обратных расстояниям от любой произвольной точки внутреннего объема реактора до всех видимых из нее в отсутствие диафрагмы точек этих стационарных кавитационных областей, возникающих при работе реактора;

f₃ - функция, задающая среднее значение расстояний от любой произвольной точки внутреннего объема реактора до всех видимых из нее в отсутствие диафрагмы точек стационарных кавитационных областей, возникающих при работе реактора.

О видимых точках речь идет потому, что, например, в коаксиальных реакторах часть поверхности кавитационных областей “затенена” излучателем цилиндрической волны.

Техническим результатом является повышение равномерности воздействия потенциальной энергии кавитации на поток обрабатываемой жидкости внутри реактора, в том числе в плоскости диафрагмы, ограничивающей сечение потока, если таковая имеется, и уменьшение эрозионного воздействия на элементы конструкции реактора, в том числе диафрагму.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе кавитационной обработки потока жидкости, при котором поток пропускают сквозь резонансную ячейку кавитационного реактора, где в жидкости устанавливают стоячую акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности, вызывающую возникновение в ней кавитации в виде одной или нескольких стационарных кавитационных областей, отличие состоит в том, что плотность потенциальной энергии, выделяющейся за период акустической волны, в любой точке периметра любого сечения потока внутри реактора устанавливают не превышающей ее максимального значения на стенках резонансной ячейки, а в известном кавитационном реакторе, имеющем резонансную ячейку и корпус, в том числе содержащий устройство для ограничения периметра потока, например, в виде диафрагмы с отверстием, размещенной в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки, отличие состоит в том, что координаты точек периметра минимального по площади сечения реактора в любой плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки x_р и у_р, в том числе и в плоскости диафрагмы, в координатной системе этой плоскости с осью абсцисс, параллельной стенкам ячейки, удовлетворяют уравнению

где

λ - длина акустической волны в обрабатываемой жидкости;

S - поверхность стенок резонансной ячейки;

n - число стационарных кавитационных областей, возникающих в резонансной ячейке при работе реактора;

f₂ - функция, задающая среднее значение величин обратных расстояниям от любой произвольной точки внутреннего объема реактора до всех видимых из нее в отсутствие диафрагмы точек этих стационарных кавитационных областей, возникающих при работе реактора;

f₃ - функция, задающая среднее значение расстояний от любой произвольной точки внутреннего объема реактора до всех видимых из нее в отсутствие диафрагмы точек стационарных кавитационных областей, возникающих при работе реактора.

Реализация признаков изобретения проиллюстрирована примером расчета координат отверстия в диафрагме квадратного в плане l×b кавитационного реактора плоской волны с полуволновой резонансной ячейкой, устанавливаемой в плоскости симметрии его внутреннего объема, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки.

Для координатной системы с началом в геометрическом центре внутреннего объема реактора функции f₂ и f₃ будут иметь вид

где

Пусть l=95 мм, b=95 мм, λ=68 мм (Частота осциллятора 22000 кГц. Жидкость - вода). Размеры выбраны такими же, как у рассмотренного выше примера реализации прототипа. Тогда

где

Искомое решение получается как корни y_{p, i} i[0, n] вытекающего из (6) трансцендентного уравнения при произвольно заданных значениях x_р,i.

В таблице 1 приведены результаты расчета для описанного реактора в виде пар координат первого квадранта при n=13.

Вид полученного отверстия показан на Фиг.2.

Среднеквадратичное отклонение относительной плотности потенциальной энергии кавитации от среднего по сечению потока в плоскости диафрагмы составляет 0,244 отн.ед., то есть равномерность распределения ω_p здесь более чем в 2 раза лучше, чем у прототипа в тех же условиях. Площадь отверстия в диафрагме составляет при этом 50% от площади сечения реактора в плоскости диафрагмы, то есть она такая же, как у прототипа.

Таким образом, сравнение заявленного способа и кавитационного реактора для его осуществления с прототипами, являющимися наиболее близкими аналогами из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ и кавитационный реактор обладают существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками.

При анализе отличительных признаков описываемого способа обработки потоков жидкостей энергией кавитации и реактора для его осуществления не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к размерам корпуса реактора или диафрагмы в связи с их влиянием на вид функции распределения плотности потенциальной энергии кавитации в сечении потока с целью повышения равномерности воздействия энергии кавитации на обрабатываемую среду и уменьшения эрозионного воздействия на элементы конструкции реактора.

На Фиг.1 схематично показан квадратный в плане кавитационный реактор, сконструированный в соответствии с признаками прототипа. Цифрами 1 и 2 обозначены стенки резонансной ячейки реактора, 3 - сечение, ограниченное диафрагмой 4 в виде шторки, 5 и 6 - отверстия для входа и выхода потока обрабатываемой жидкости. Стрелками показано направление потока жидкости внутри реактора относительно стационарной кавитационной области 7.

На Фиг.2 показан тот же, что и на Фиг.1, реактор, диафрагма 4 которого выполнена в соответствии с приведенным выше расчетом координат. Обозначения аналогично Фиг.1.

На Фиг.3 главным видом, совмещенным с разрезом по плоскости продольной симметрии, показан трехполуволновой кавитационный реактор с квадратной в плане резонансной ячейкой размером 164×164 мм, отверстие в диафрагме которого рассчитано в соответствии с признаками изобретения. Масштаб условный.

На Фиг.4 видом сверху, совмещенным с разрезом, показан тот же, что и на Фиг.3, кавитационный реактор. Масштаб условный.

На Фиг.5 Приведен двухмерный график функции распределения относительной плотности потенциальной энергии в плоскости диафрагмы кавитационного реактора, изображенного на Фиг.3, 4. Тонкие эквилинии соединяют точки с равными значениями функции, которые показаны в разрезе этих линий. Толстыми линиями показаны контуры диафрагмы.

На Фиг.6 Приведен двухмерный график функции распределения относительной плотности потенциальной энергии в плоскости диафрагмы трехполуволнового кавитационного реактора с квадратной в плане резонансной ячейкой размерами 136×136 мм с диафрагмой в виде вертикальных шторок, размеры и положение которых выбраны в соответствии с признаками изобретения. Обозначения и начертание аналогично Фиг.5.

На Фиг.7 Приведен двухмерный график функции распределения относительной плотности потенциальной энергии в плоскости продольной симметрии двухполуволнового кавитационного реактора без диафрагмы с квадратной в плане резонансной ячейки размерами 124×124 мм, которые выбраны в соответствии с признаками изобретения. Обозначения и начертание аналогично Фиг.5.

Изобретение может быть осуществлено следующим образом.

Поток жидкости, например концентрированного раствора хлорида натрия, применяемого для посола мясного сырья в производстве колбас, требуется пропустить, например, при помощи насоса для перекачки пищевых сред сквозь трехполуволновой кавитационный реактор для обработки жидких сред, изображенный на Фиг.3, 4, с целью его активации и обеззараживания.

При этом имеется в виду, что обрабатываемый раствор обладает высокой коррозионной активностью, которая в совокупности с кавитационной эрозией может оказывать значительное разрушающее воздействие на материалы конструкции реактора.

Для осуществления обработки внутри кавитационного реактора при помощи излучателя ультразвуковых колебаний в растворе устанавливают стоячую акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности необходимой и достаточной для активации и обеззараживания раствора из [2 (с.47, таблица 3.4, с.82, таблица 3.8)] равным 0,8-1,1 Вт/см³. Эта плотность мощности может быть установлена по амплитуде А колебательного смещения поверхностей любого из двух излучателей 1 или 2, являющихся стенками резонансной ячейки, путем, например, установления соответствующей амплитуды переменной составляющей тока обмоток 3 и 4 электроакустических магнитострикционных преобразователей 5 и 6, например по [11], размещенных в корпусах 7 и 8, так как Р и А для каждого из них в случае плоской волны и наличия двух излучателей связаны зависимостью (из [2] и [10]):

где: ρ - плотность насыщенного раствора NaCl равная 1140 кг/м;

В соответствии с сущностью изобретения необходимо установить плотность потенциальной энергии, выделяющейся за период акустической волны, в любой точке периметра любого сечения потока внутри реактора так, чтобы ее значения не превышали максимального значения на стенках резонансной ячейки.

Пусть плоскостью, где предполагается ограничить сечение потока, максимально увеличив равномерность и интенсивность обработки жидкости, будет плоскость поперечной (относительно движения потока) симметрии резонансной ячейки (Фиг.3, 4). Она параллельна колебательным смещениям стенок ячейки. Поток ограничен периметром отверстия в диафрагме 9, установленной в этой плоскости. В этом случае остальные размеры реактора, кроме характеристического размера ячейки, равного 1,5λ, можно выбирать произвольно.

Пусть внутренний периметр корпуса 10 реактора имеет форму квадрата со сторонами l×b=164×164 мм. Тогда, при длине волны в насыщенном растворе NaCl для частоты 22000 кГц, равной 60 мм, суммарная акустическая мощность излучателей равна (0,8+1,1):2 Вт/см³ ·16,4 см ·16,4 см ·9 см=2300 Вт. Используя (11) можно посчитать, что амплитуда колебательного смещения стенок реактора при этом равна 1,2-1,5 мкм, а амплитуда давления осциллятора около 2,5 атм.

Координаты отверстия в диафрагме рассчитываются используя (7) и (8) для первого квадранта координатной системы с началом в центре симметрии рассматриваемой плоскости

где

Искомое решение получается как корни у_p,i i[0, n] вытекающего из (6) трансцендентного уравнения при произвольно заданных значениях x_{р, i}.

В таблице 2 приведены результаты расчета для описанного реактора в виде пар координат при n=12.

Диафрагма 9 с выполненным в соответствии с таблицей 2 отверстием крепится к стенкам корпуса реактора, например посредством точечного сварного соединения 11.

Реактор при осуществлении способа работает следующим образом.

Поток раствора хлорида натрия формируется в диффузоре 12, размер которого на границе резонансной ячейки в направлении колебаний вынуждающего осциллятора установлен равным четверти длины волны [2], чтобы избежать распространения его колебаний за пределами ячейки и обеспечить тем самым выделение всей акустической мощности в пределах внутреннего объема реактора. При подаче питания на обмотки 3, 4 преобразователей 5, 6 стенки ячейки 1 и 2 начинают контрафазно колебаться. Так как они разнесены в пространстве на расстояние, кратное половине длины волны колебаний в растворе, то в резонансной ячейке устанавливается упругая акустическая стоячая волна, под действием которой в растворе образуются три стационарные кавитационные области.

Потенциальная энергия кавитации совершает работу над потоком раствора, выражающуюся в разрушении ассоциатов молекул растворенной соли, их дегидратации и диссоциации с образованием ионных пар, повышении содержания мономолекул воды в растворе, синтезе перекиси водорода, а также в механическом разрушении клеточных оболочек микробных тел, составляющих микрофлору раствора.

Поток раствора проходит через отверстие в диафрагме, то есть сквозь область объема реактора, где установлено равномерное (с относительным среднеквадратичным отклонением 0,156 отн.ед.), наиболее близкое к максимальному распределение относительной плотности потенциальной энергии кавитации. Можно вычислить, что в отсутствие диафрагмы, а также при наличии диафрагмы, перекрывающей сечение потока наполовину от одной из стенок ячейки, как у прототипа, значение sω будет равно 0,429 отн.ед., то есть более чем в 2 раза выше.

При этом, как уже было показано расчетом отверстия, максимальное значение относительной плотности потенциальной энергии кавитации составит на его периметре, равно как и на стенках, 0,92 отн.ед. Это же значение в центре реактора, то есть на кромке диафрагмы-шторки прототипа составляет 1,66 отн.ед. Эквилинейный график распределения ω_p в плоскости диафрагмы приведен на Фиг.5.

Можно также вычислить, что площадь отверстия в диафрагме у заявленного реактора составит 60% площади поперечного сечения реактора, то есть 89,5 см², тогда как признаки прототипа требуют уменьшения сечения потока до 73,8 см².

Поток выходит из реактора через коллектор 13, установленный напротив диффузора 12 симметрично ему относительно диафрагмы 9. Фланцами 14, которыми заканчиваются конструкции диффузора и коллектора реактор может быть встроен в разрез магистрали подачи раствора 15 от насоса.

В соответствие с требованиями [2 (с.47, таблица 3.4, с.82, таблица 3.8)] оптимальное время обработки t_opt составляет 22-32 с. Таким образом производительность рассмотренного реактора составит V/t_opt=266-387 л/ч или в среднем 327 л/ч.

Несколько уменьшив производительность можно обеспечить достижение сформулированного технического результата приблизительно с теми же показателями ω_p,max=0,90-0,95 и s_w=0,15-0,16 с упрощенной конструкцией диафрагмы, например в виде вертикальных шторок. Эквилинейный график распределения относительной плотности потенциальной энергии в плоскости диафрагмы для этого случая, когда l=b=136 мм, приведен на Фиг.6. Средняя производительность процесса в этом случае составляет 224 л/ч.

Можно обойтись и вовсе без диафрагмы, подобрав размеры реактора таким образом, чтобы значение ω_р,mах=0,90-0,95 соответствовало стенке корпуса. Для этого расстояние между стенками ячейки следует уменьшить до 60 мм, то есть взять двухполуволновую ячейку, а размеры l=b выбрать равными 124 мм. Эквилинейный график распределения относительной плотности потенциальной энергии для этого случая показан на Фиг.7. Средняя производительность процесса в этом случае составляет 125 л/ч.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. US 4302112, 24.11.1981.

2. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. - 173 с.: ил.

3. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля // под ред. Л.Д.Розенберга. - М: Наука, 1968.- 265 с.: ил.

4. RU 2184145, 01.03.2000.

5. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ, 1956. - 726 с.: ил.

6. SU 1261700, 11.05.1984

7. US 3645504, 29.02.1972

8. Ультразвуковые технологические процессы в тонких жидких слоях // С.И.Пугачев, Н.Г.Семенова. - В кн.: Физика и техника ультразвука. - СПб: СПбГЭТУ, 1997. - С.185-187.

9. RU 2209112, 04.06.2002.

10. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля // под ред. Л.Д.Розенберга. - М: Наука, 1968.- 265 с.: ил.

11. RU 2181633, 14.07.1998.

Реферат

Изобретение относится к области ультразвуковой кавитационной дезинтеграции жидких сред. Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности. В способе поток жидкости пропускают сквозь резонансную ячейку кавитационного реактора, где в жидкости устанавливают стоячую акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности, вызывающую возникновение в ней кавитации в виде одной или нескольких стационарных кавитационных областей. Плотность потенциальной энергии, выделяющейся за период акустической волны, в любой точке периметра любого сечения потока внутри реактора устанавливают не превышающей ее максимального значения на стенках резонансной ячейки. Реактор содержит резонансную ячейку и корпус, диафрагму с отверстием, размещенную в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки. Координаты точек периметра минимального по площади сечения реактора в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки, определяются уравнением. Технический результат состоит в повышении дисперсности, гомогенности, интенсификации реакций, синтезе новых соединений и повышении их активности. 2 н.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.

Формула

2. Кавитационный реактор для обработки потока жидкости, имеющий резонансную ячейку и корпус, в том числе содержащий устройство для ограничения периметра потока, например, в виде диафрагмы с отверстием, размещенной в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки, отличающийся тем, что координаты точек периметра минимального по площади сечения реактора в любой плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки x_р и у_р, в том числе и в плоскости диафрагмы, в координатной системе этой плоскости с осью x, параллельной стенкам резонансной ячейки, удовлетворяют уравнению

где

(квадратными скобками обозначена целая часть числа);

λ – длина акустической волны в обрабатываемой жидкости;

S – поверхность стенок резонансной ячейки;

– (квадратными скобками обозначена целая часть числа);

n – число стационарных кавитационных областей, возникающих в резонансной ячейке при работе реактора;

f₂ – функция, задающая среднее значение величин, обратных расстояниям от любой произвольной точки внутреннего объема реактора до всех видимых из нее в отсутствие диафрагмы точек этих стационарных кавитационных областей, возникающих при работе реактора;

f₃ – функция, задающая среднее значение расстояний от любой произвольной точки внутреннего объема реактора до всех видимых из нее в отсутствие диафрагмы точек стационарных кавитационных областей, возникающих при работе реактора.