УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АКТИВАТОР Российский патент 1997 года по МПК B01F7/00 B01F11/02 

Изобретение относится к технике создания колебаний в жидкости, а именно к ультразвуковому активатору.

В настоящее время известны гидродинамические роторные ультразвуковые активаторы, которые являются наиболее простыми высокопроизводительными аппаратами для осуществления различных химико-технологических процессов, протекающих в жидкости [1, 2] Каждый указанный активатор содержит одну рабочую камеру с установленными в ней статором и ротором и обеспечивает интенсивность ультразвукового излучения на уровне 10 50 кВт/м². Повысить интенсивность излучения в данных устройствах невозможно из-за большого гидравлического сопротивления ротора и статора.

Известен ультразвуковой активатор, предназначенный для смешивания по меньшей мере двух жидких веществ с проведением или возбуждением реакции в процессе смешивания [3]
Указанный активатор содержит расположенные в корпусе по меньшей мере две рабочие камеры, сообщенные между собой посредством каналов. Корпус снабжен впусками и выпуском. В каждой камере имеется статор и закрепленный на приводном валу ротор. Статор и ротор представляют собой диски с отверстиями для прохода жидкости, коаксиально установленные в корпусе устройства. Кроме того, активатор содержит два отдельно стоящих рабочих колеса центробежного насоса, установленных на приводном валу последовательно с дисками ротора. Диски ротора и статора расположены на входе в рабочие колеса, то есть в полости всасывания.

В процессе вращения ротора в жидкости в зонах, расположенных между отверстиями ротора и статора, возникают сдвиговые деформации, воздействие которых на жидкость приводит практически к идеальному перемешиванию различных компонентов смеси и их равномерному распределению по всему об'ему жидкости. Расположение ротора и статора во всасывающей полости рабочего колеса центробежного насоса позволяет ускорить процесс перемешивания смеси за счет насыщения ее парами и растворенными газами, которые начинают выделяться из смеси при пониженном давлении, создаваемом центробежным насосом во всасывающей полости рабочего колеса.

Однако использовать данное устройство для осуществления других, более энергоемких технологических процессов, не представляется возможным из-за ограничений, налагаемых его конструктивным выполнением. Так, повысить энергию акустических колебаний, возникающих при взаимодействии ротора и статора невозможно
во-первых, из-за того, что статор и ротор расположены во всасывающей полости рабочего колеса центробежного насоса, где создается недостаточный перепад давлений;
во-вторых, из-за того, что на одно рабочее колесо, которое создает поток жидкости, приходится несколько пар дисков ротора и статора, которые преобразуют энергию постоянного потока в энергию акустических колебаний, что приводит к снижению перепада давления на одну пару статор ротор;
в-третьих, из-за того, что конструкция дисков ротора и статора указанного устройства обладает большим гидравлическим сопротивлением, на определение которого бесполезно затрачивается энергия насоса;
в-четвертых, из-за того, что каналы, соединяющие последовательно установленные в камерах группы дисков ротора и статора, выполнены без специального профилирования и потому обладают большим гидравлическим сопротивлением.

Кроме того, несмотря на многоступенчатую обработку смеси в данном устройстве время пребывания жидкости в зоне обработке определяется отношением объема этой зоны к объемной производительности устройства и составляет 0,4 2 с. Этого времени недостаточно для осуществления более энергоемких технологических процессов.

Существуют химико-технологические процессы, энергия активации которых находится в пределах 100 400 кДж/моль и более. Для интенсификации таких энергоемких технологических процессов требуется ультразвуковое излучение с интенсивностью, равной или более 1 МВт/м². Только в этом случае ультразвуковое воздействие становится экономически выгодным.

В основу изобретения поставлена задача создания ультразвукового активатора с таким конструктивным выполнением, которое позволило бы повысить интенсивность ультразвукового излучения до и более 1 МВт/м².

Эта задача решена созданием ультразвукового активатора, содержащего по меньшей мере две расположенные в корпусе и сообщенные между собой рабочие камеры, первая из которых имеет входной патрубок, а последняя выходной патрубок, при этом в каждой рабочей камере установлены статор и закрепленный на приводном валу ротор, имеющие расположенные одно напротив другого отверстия для прохода жидкости, при этом согласно изобретению каждый ротор представляет собой рабочее колесо центробежного насоса, имеющее на выходе жестко закрепленное кольцо с отверстиями для прохода жидкости, ширина каждого из которых равна ширине каждого отверстия статора, а общая площадь отверстий кольца ротора равна общей площади отверстий статора и составляет 0,1 0,7 площади входа в соответствующее рабочее колесо, причем шаг отверстий кольца ротора и шаг отверстий статора равен 2 2,25 ширины этих отверстий, при этом рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров, связывающих выход предыдущего рабочего колеса с входом последующего рабочего колеса, а выход последнего рабочего колеса связан с входом первого рабочего колеса посредством диффузора, снабженного дросселем, расположенным после выходного патрубка.

В результате указанного конструктивного выполнения ультразвукового активатора становится возможным повысит интенсивность ультразвукового излучения до 1 МВт/м² и более, в результате чего значительно повышается производительность устройства.

Это происходит следующим образом.

При включении активатора жидкость поступает через входной патрубок на вход первого рабочего колеса, которое создает в жидкости давление. Под действием созданного давления жидкость с определенной скоростью, пропорциональной корню квадратному из разности между давлением жидкости до и после ротора, протекает через выходные отверстия кольца ротора. При вращении ротора его отверстия периодически открываются и закрываются статором.

В момент закрытия отверстий вылетевшие струйки жидкости, двигаясь по инерции, пытаются оторваться от статора. При этом струйки растягиваются в области, прилегающей к статору. В том случае, когда напряжение растяжения превысит предел прочности жидкости на растяжение, произойдет разрыв сплошности жидкости и образуется каверна-кавитационный пузырек. В первую половину своего существования пузырек увеличивается в своих размерах и заполняется парами жидкости и газами, растворенными в ней.

В момент открытия отверстий ротора вылетающие струйки жидкости сжимают среду, находящуюся на пути их следования, в том числе и кавитационные пузырьки, образованные в предыдущий полупериод колебания давления.

В процессе сжатия кавитационный пузырек работает как ускоритель вещества, содержащегося в его стенках. При сжатии пузырька его стенки приобретают определенную скорость по направлению к центру. В момент исчезновения пузырька, когда диаметрально противоположные участки стенок пузырька сталкиваются, происходит преобразование кинетической энергии движущейся жидкости, которая затрачивается на осуществление определенного химико-технологического процесса. В зависимости от уровня энергии активации процесса необходимо готовить и захлопывать кавитационные пузырьки с соответствующей энергией. Повысить энергию кавитационного пузырька можно путем увеличения скорости его захлопывания, которая увеличивается при увеличении давления сжатия, то есть при увеличении интенсивности ультразвукового излучения. Для этого в устройстве используется последовательное повышение давления в нескольких последовательно установленных рабочих колесах камерах с соответствующими роторами и статорами.

С этой же целью в устройстве используется снижение гидравлического сопротивления каналов, соединяющих последовательно расположенные рабочие колеса, которое достигается специальным профилированием этих каналов, то есть выполнением этих каналов в виде диффузоров.

Кроме того, интенсивность ультразвукового излучения повышается за счет конструктивного выполнения, дающего возможность возврата части обработанной жидкости в первую рабочую камеру и ее многократной обработки в замкнутом циркуляционном контуре. За счет этого так же увеличивается скорость жидкости на выходе из отверстий ротора в каждой рабочей камере, так как скорость жидкости пропорциональна величина потока жидкости при постоянной площади отверстий ротора и статора.

Кроме того, указанное соединение последней рабочей камеры с первой увеличивает время обработки жидкости пропорционально кратности циркуляции и увеличивает интенсивность ультразвукового излучения за счет увеличения скорости движения жидкости через отверстия ротора и статора каждого рабочего колеса, так как указанная интенсивность находится в квадратичной зависимости от колебательной скорости (превращение постоянного потока жидкости в переменный осуществляется в процессе взаимодействия ротора со статором).

Скорость жидкости на выходе из отверстий ротора увеличивают путем выбора размеров отверстий колеса ротора и отверстий статора в указанных выше пределах.

Указанные выше конструктивные особенности позволяют увеличить интенсивность ультразвука до и более 1 МВт/м².

Целесообразно, чтобы статор представлял собой кольцо с отверстиями для прохода жидкости, жестко закрепленное в корпусе устройства напротив кольца ротора.

Такое конструктивное выполнение позволяет уменьшить потери в процессе преобразования постоянного потока в переменный за счет уменьшения непроизводительных перетоков жидкости.

Желательно, чтобы все диффузоры были выполнены лопаточными или спиральными улиткообразными либо представляли собой их сочетание.

Интенсивность ультразвукового излучения пропорциональна квадрату амплитуды колебательной скорости жидкости, протекающей через отверстия ротора-статора. Скорость жидкости зависит от перепада давления (энергии), создаваемого рабочим колесом. Чем меньше энергии потеряет жидкость, проходя по каналам устройства, тем выше может быть интенсивность ультразвукового излучения. Лопаточные или спиральные диффузоры, связывающие рабочие камеры устройства, предназначены для снижения гидравлических потерь, а в конечном счете, для повышения интенсивности ультразвукового излучения.

Благоприятно, чтобы наружная поверхность корпуса активатора была покрыта слоем звуко- и теплоизоляционного материала.

Звуко- и теплоизоляция устройства предназначена для снижения потерь звуковой и тепловой энергии. Экономия звуковой энергии прямо связана с повышением интенсивности ультразвукового излучения в рабочих камерах. Экономия тепла через скорость жидкости тоже приводит к повышению интенсивности ультразвукового излучения.

При одновременной обработке большого количества жидкой среды необходимо значительно увеличивать габариты рабочих камер. В этом случае целесообразно каждую рабочую камеру разместить в автономном корпусе, а рабочее колесо каждой камеры разместить на автономном приводном валу.

Таким образом, указанное конструктивное выполнение ультразвукового активатора позволяет значительно повысить интенсивность ультразвукового излучения (до 1 МВт/м² и более), увеличить время воздействия ультразвука на обрабатываемую жидкость, расширить область применения активатора для осуществления химико-технологических процессов, энергия активации которых находится в пределах 100 400 кДж/моль, значительно увеличить производительность устройства.

На фиг. 1 схематично изображен ультразвуковой активатор, выполненный согласно изобретению, поперечное сечение; на фиг. 2 место А на фиг. 1; на фиг. 3 то же, вид сверху, развертка; на фиг. 4 разрез IV-IV на фиг. 1, корпус и приводной вал условно не показаны; на фиг. 5 разрез V-V на фиг. 1, корпус и приводной вал условно не показаны; на фиг. 6 разрез VI-VI на фиг. 1, корпус и приводной вал условно не показаны; на фиг.7 то же, что на фиг. 1, вариант выполнения.

Ультразвуковой активатор, выполненный согласно изобретению, имеет корпус 1 (фиг. 1), в котором посредством перегородок 2, 3 образованы рабочие камеры 4. Количество рабочих камер 4 зависит от плотности обрабатываемой жидкости. Чем больше ее плотность, тем больше количество камер 4. На фиг. 1 изображены четыре сообщенные между собой рабочие камеры 4, в каждой из которых установлены закрепленный на приводном валу 5 ротор 6 и статор 7. Каждый ротор 6 представляет собой рабочее колесо 8 центробежного насоса, на выходе которого жестко закреплено кольцо 9 (фиг. 2) с отверстиями 10 для прохода обрабатываемой жидкости. Кольцо 9 может быть выполнено за одно целое с рабочим колесом 8 (фиг. 1). Статор 7 также представляет собой кольцо 11 с отверстиями 12 для прохода обрабатываемой жидкости, жестко закрепленное в корпусе 1 ультразвукового активатора напротив кольца 9 ротора 6.

Ширина (a) (фиг. 3) отверстий 10 кольца 9 ротора 6 равна ширине отверстий 12 (фиг. 1) кольца 11 статора 7. Общая площадь отверстий 10 кольца 9 ротора 6 равна общей площади отверстий 12 кольца 11 статора 7 и составляет 0,1 0,7 площади входа в соответствующее рабочее колесо 8. Шаг (b) (фиг. 3) отверстий 10 кольца 9 ротора 6 и отверстий 12 (фиг. 1) кольца 11 статора 7 равен 2 2,25 ширины этих отверстий 10, 12.

Выбором размеров отверстий 10, 12 колец 9, 11 ротора 6 и статора 7 соответственно регулируют скорость движения обрабатываемой жидкости и тем самым регулируют интенсивность ультразвукового излучения от 0,1 МВт/м² в сторону увеличения. Однако предложенное соотношение общей площади отверстий 10, 12 колец 9, 11 ротора 6 и статора 7 и площади входа в соответствующее рабочее колесо 8 следует применять дифференцировано. Большая площадь отверстий 10 кольца 9 ротора 6 соответствуют первым рабочим колесам 8 от входа в ультразвуковой активатор, а меньшая площадь последним рабочим колесам 8. Меньшие перемычки (c) (фиг. 3) между отверстиями 10 кольца 9 ротора 6 соответствуют большим диаметрам рабочих колес 8 (фиг. 1) и большой частоте их вращения. Уменьшая общую площадь отверстий 10, 12 колец 9, 11 ротора 6 и статора 7 до 0,1 площади входа в соответствующее рабочее колесо 8, увеличивают скорость жидкости на выходе из отверстий 10, 12 и тем самым увеличивают интенсивность ультразвукового излучения. Увеличивая общую площадь отверстий 10, 12 до 0,7 площади входа в соответствующее рабочее колесо 8, уменьшают интенсивность ультразвукового излучения до 1 МВт/м². При увеличении общей площади отверстий 10, 12 более 0,7 площади входа в соответствующее рабочее колесо 8 процесс кавитации в жидкости не возникает и рабочий процесс прекращается. Уменьшение общей площади отверстий 10, 12 менее 0,1 площади входа в соответствующее рабочее колесо 8 нецелесообразно, так как потери в этом случае растут быстрее, чем интенсивность ультразвукового излучения. Шаг (b) (фиг. 3) отверстий 10 кольца 9 ротора 6 равен сумме ширины (a) этого отверстия 10 и перемычки (c) между отверстиями 10. При шаге (b) отверстий 10 меньше двух ширин (a) этих отверстий 10 ширина перемычки (c) между отверстиями 10 становится меньше ширины (a) самого отверстия 10 и, следовательно, перемычка (c) не будет полностью перекрывать противоположное отверстие 12 (фиг. 1) статора 7. Это приведет к непроизводительным перетокам жидкости (потерям) и к снижению интенсивности ультразвукового излучения. При шаге отверстий 10 (фиг. 3) больше 2,25 ширин (a) этих отверстий 10, ширина перемычки (c) становится значительно больше ширины (a) самого отверстия 10. Большую часть периода работы отверстие 10 остается закрытым. При этом увеличивается гидравлическое сопротивление решетки отверстий 10, снижаются колебательная скорость и интенсивность звука ультразвукового излучения. Поскольку зависимости скорости жидкости от гидравлического сопротивления каналов и интенсивности ультразвукового излучения от скорости жидкости квадратичные, то интенсивность ультразвукового излучения от гидравлического сопротивления меняется в четвертой степени и, следовательно, при увеличении шага отверстий 10 больше 2,25 ширины этих отверстий интенсивность ультразвукового излучения резко снизится.

Рабочие камеры 4 сообщены между собой посредством диффузоров 13, преобразующих кинетическую энергию жидкости в потенциальную и связующих выход 14 предыдущего рабочего колеса 8 с входом 15 последующего рабочего колеса 8. Первая рабочая камера 4 имеет входной патрубок 16. Выход 14 последнего рабочего колеса 8 связан с входом 15 первого рабочего колеса 8 посредством диффузора 13, снабженного дросселем 17 и выходным патрубком 18, расположенным между дросселем 17 и последним рабочим колесом 8. Диффузоры 13, связывающие все рабочие камеры 8 (в том числе последнюю с первой), выполнены лопаточными (как изображено на фиг. 4, позиция 13a), или спиральными улиткообразными (как изображено на фиг. 5, позиция 13в), или представляют собой комбинацию лопаточного и спирального улиткообразного диффузоров 13 (фиг. 6).

Форма диффузоров 13 зависит от интенсивности ультразвукового излучения, которую необходимо получить, габаритов ультразвукового активатора и скорости вращения рабочих колес 8.

Наружная поверхность корпуса 1 ультразвукового активатора покрыта слоем 19 звуко- и теплоизоляционного материала и защищена металлическим кожухом 20.

При одновременной обработке большого количества жидкой среды необходимо значительно увеличить габариты рабочих камер. В этом случае целесообразно каждую рабочую камеру 21 (фиг. 7) выполнить в собственном корпусе 22, а рабочее колесо 8 каждой камеры 21 разместить на автономном приводном валу 23.

Ультразвуковой активатор работает следующим образом.

Обрабатываемую жидкость подают во входной патрубок 16 активатора, откуда она попадает последовательно на все рабочие колеса 8, вращающиеся на одном или нескольких приводных валах 5, 23. При этом жидкость на каждом рабочем колесе 8 приобретает определенное количество кинетической энергии, которая при проходе жидкости через систему периодически совпадающих и перекрывающих отверстий 10, 12 колец 9, 11 роторов 6 и статоров 7, частично превращается в энергию упругих колебаний жидкости. Оставшаяся часть кинетической энергии жидкости с помощью спиральных улиткообразных или лопаточных диффузоров 13, 13a, 13b, установленных за каждым рабочим колесом 8, преобразуется в потенциальную энергию статического давления. Для эффективного использования звуковой энергии, производимой каждой парой ротор 6 статор 7, необходимо поддерживать оптимальное статическое давление, которое определяется конкретными физическими свойствами обрабатываемой жидкости. Время обработки жидкости определяется временем прохождения жидкости по всему рабочему тракту активатора, которое может быть увеличено для части обрабатываемой жидкости за счет многократного прохождения рабочего тракта активатора с помощью трубы, соединяющей выходной патрубок 18 активатора с его входным патрубком 16. Кратность циркуляции регулируется дросселем 17. Обработанная в активаторе жидкость выводится через выходной патрубок 18. Для уменьшения потерь энергии в окружающее пространство наружная поверхность корпуса 1 активатора защищена слоем 19 звуко- и теплоизоляции.

Многоступенчатая конструкция активатора позволяет примерно в 20 1000 раз повысить интенсивность ультразвукового излучения, в 10 1000 раз увеличить время воздействия звука на обрабатываемую проточную среду, поднять КПД активатора до 50 60% то есть в 1,5 2 раза.

Настоящее изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности для осуществления химико-технологических процессов, основанных на использовании воздействия ультразвукового излучения на вещество и на характер протекания физико-химических процессов. Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано для осуществления химических и физических превращения с энергией активации 100 400 кДж/моль.

Сущность изобретения: ультразвуковой активатор содержит сообщенные между собой рабочие камеры, первая из которых имеет входной патрубок, а последняя - выходной патрубок. В каждой рабочей камере установлены статор и закрепленный на валу ротор, имеющие расположенные одно напротив другого отверстия. Ротор представляет собой рабочее колесо центробежного насоса, имеющее на выходе жестко закрепленное кольцо с отверстиями шириной (а), равной ширине (a) отверстия статора. Общая площадь отверстий кольца ротора равна общей площади отверстий статора и составляет 0,1 - 0,7 площади входа в соответствующее рабочее колесо. Шаг отверстий кольца ротора и шаг отверстий статора равен 2 - 2,25 ширины (a) этих отверстий. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров, связывающих выход предыдущего рабочего колеса со входом последующего рабочего колеса. Выход последнего рабочего колеса связан с входом первого рабочего колеса посредством диффузора, снабженного дросселем, расположенным после выходного патрубка. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ультразвуковой активатор, содержащий по меньшей мере две расположенные в корпусе и сообщенные между собой рабочие камеры, первая из которых имеет входной патрубок, а последняя выходной патрубок, при этом в каждой рабочей камере установлены статор и закрепленный на приводном валу ротор, имеющие расположенные одно напротив другого отверстия для прохода жидкости, отличающийся тем, что каждый ротор представляет собой рабочее колесо центробежного насоса, имеющее на выходе жестко закрепленное кольцо с отверстиями для прохода обрабатываемой жидкости, ширина каждого из которых равна ширине каждого отверстия статора, а общая площадь отверстий кольца ротора равна общей площади отверстий статора и составляет 0,1 0,7 площади входа в соответствующее рабочее колесо, причем шаг отверстий кольца ротора и шаг отверстий статора равен 2 2,25 ширины этих отверстий, при этом рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров, связывающих выход предыдущего рабочего колеса с входом последующего рабочего колеса, а выход последнего рабочего колеса связан с входом первого рабочего колеса посредством диффузора, снабженного дросселем, расположенным после выходного патрубка. 2. Активатор по п. 1, отличающийся тем, что статор представляет собой кольцо с отверстиями для прохода обрабатываемой жидкости, жестко закрепленное в корпусе напротив кольца ротора. 3. Активатор по п. 2, отличающийся тем, что все диффузоры выполнены лопаточными. 4. Активатор по п. 2, отличающийся тем, что все диффузоры выполнены спиральными улиткообразными. 5. Активатор по п. 4, отличающийся тем, что наружная поверхность его корпуса покрыта слоем звуко- и теплоизоляционного материала. 6. Активатор по п. 5, отличающийся тем, что каждая рабочая камера выполнена в автономном корпусе, а рабочее колесо каждой камеры размещено на автономном приводном валу.