КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2003 года по МПК B01J19/10 

Изобретение относится к аппаратам для обработки жидких сред путем воздействия энергией акустического поля кавитации - кавитационной дезинтеграции: разрушения, разъединения, разделения на части любых субстанций, включая живые (микроорганизмы), существующих в виде взвешенных фаз в этих средах, а также для диссоциации молекул самих сред. В кавитационном реакторе могут обрабатываться жидкие среды в виде суспензий, эмульсий, коллоидных либо истинных растворов, а также вода и другие жидкости. Результатом кавитационной дезинтеграции обрабатываемых сред является повышение их дисперсности, гомогенности, интенсификация происходящих в них химических реакций, синтез новых соединений, бактериолиз и бактериостаз, а также повышение их химической активности, например гидратационной активности воды. Кавитационный реактор может также использоваться для экстрагирования растворимых веществ из твердых фаз суспензий.

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

Известна конструкция устройства для обработки жидких сред [1], включающая цилиндрическую камеру, дно которой выполняет функции излучателя ультразвуковой волны, и стакан, установленный внутри камеры с зазором 0,5...0,8 мм и служащий отражающим элементом акустической системы устройства. Обработка жидких сред в таком устройстве осуществляется в узком зазоре между излучающим и отражающим элементами.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании описанного известного устройства, относится то, что кавитация, возникающая в узком зазоре, будет воздействовать на материалы, из которых изготовлены элементы конструкции устройства камера и стакан, вызывая их эрозионное разрушение. Известно, что давление во фронте ударной волны при коллапсе кавитационного пузырька, которое является причиной эрозионных разрушений материалов, ослабевает пропорционально расстоянию от центра пузырька [2] . При небольшом зазоре, таком какой установлен в описанном устройстве, эрозия материалов поверхностей, ограничивающих зону действия кавитации, неизбежна.

Продукты эрозии, попадая в обрабатываемую среду, изменяют ее физико-химические свойства.

Известна также конструкция вибрационного устройства с отражательной стенкой [3] , смонтированной таким образом, что ее обращенная внутрь камеры поверхность находится в одной плоскости с поверхностью излучателя ультразвуковой волны, окружая ее. То есть поверхность фронта ультразвуковой волны, содержащего поверхность излучателя ультразвуковой волны, совпадает с обращенной внутрь камеры поверхностью этой стенки. Вторая отражающая стенка, находящаяся напротив первой стенки и излучателя ультразвуковой волны по направлению ее распространения, жестко соединена с корпусом устройства.

В таком устройстве воздействию кавитационной эрозии подвергается в большей степени поверхность, с которой излучается ультразвуковая волна, и окружающей ее отражающей стенки. Вторая отражающая стенка также подвергается воздействию возникающей на ее поверхности кавитации, так как она жестко связана с корпусом и не может полностью рассеивать энергию неотраженной части падающей на нее ультразвуковой волны. Колебания этой стенки, модулируясь, частично передаются корпусу через их жесткую механическую связь. Это также порождает кавитацию у поверхности корпуса.

Все это обуславливает наличие причины, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании описанного аналога: кавитационной эрозии элементов конструкции реактора. Здесь, также как и в первом случае, продукты эрозии попадают в обрабатываемую среду.

Известен аналог описанных выше реакторов, содержащий корпус, образующий камеру, в которой находится обрабатываемая среда, источник ультразвуковой волны, создающий в камере кавитацию, и отражающую стенку, между которой и корпусом размещена прослойка, поглощающая часть ультразвуковой волны, не отраженную в обрабатываемую среду [4].

В таком устройстве жесткая механическая связь между отражающей стенкой и корпусом отсутствует, что позволяет рассеять большую часть энергии ультразвуковой волны в обрабатываемой жидкости и снизить диссипацию энергии части неотраженной ультразвуковой волны на корпусе, порождающую кавитацию вблизи его стенок.

Однако здесь, как и в описанных выше аналогах, стенки камеры подвергаются воздействию кавитации стационарных (в случае, когда в камере устанавливается стоячая ультразвуковая волна) или движущихся вместе с бегущей ультразвуковой волной кавитационных областей. Кавитация вблизи поверхности корпуса вызывает эрозию материалов, из которых он изготовлен, сопровождающуюся попаданием ее продуктов в обрабатываемую среду.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является круглый в плане кавитационный реактор для обработки жидких сред, кавитация в котором возбуждается плоской стоячей ультразвуковой волной резонансной ячейки размером 0,5λ, представляющий собой камеру, внутреннее пространство которой ограничено поверхностями:
- корпуса;
- отражающих стенок, акустически изолированных от корпуса;
- излучателя ультразвуковой волны
и заполнено обрабатываемой средой [5 (с.60-63)].

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании этого кавитационного реактора, принятого за прототип, является то, что его корпус также подвержен воздействию кавитационной эрозии, обусловленной контактом с периметром стационарной кавитационной области, возникающей при работе реактора на расстоянии 0,25λ от поверхности излучателя. Это подтверждается картиной распределения эрозионного коэффициента - показателя эрозионной активности в реакторе, приведенной в оригинале описания прототипа [5 (с. 61)] . Продукты кавитационной эрозии реактора в процессе его работы загрязняют обрабатываемую среду.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно [5 (с.44)], что поле кавитационных областей со стабильной пространственной конфигурацией неоднородно. Оно имеет зоны с экстремальными (максимальными и нулевыми) значениями плотности потенциальной энергии, диссипация которой является причиной кавитационной эрозии. Расположение этих зон в пространстве зависит от формы и размеров кавитационной области, которая совпадает в пространстве с фронтом ультразвуковой волны. В кавитационных реакторах с отражающими стенками кавитационные области вне зависимости от того, являются ли они неподвижными (образующимися в стоячей волне) или движущимися вместе с бегущей волной, также как и любой фронт ультразвуковой волны ограничены поверхностями корпуса и повторяют по форме поверхность совпадающих с ними фронтов ультразвуковой волны.

Таким образом, пользуясь известными уравнениями математической модели стационарной кавитационной области и кавитационного реактора любой формы, можно вычислить размеры корпуса реактора, при которых эрозионное воздействие на корпус от каждой отдельно рассматриваемой кавитационной области будет сведено к нулю либо минимизировано в зависимости от формы границ фронта ультразвуковой волны в реакторе.

Технический результат - снижение кавитационной эрозии элементов конструкции реактора и загрязнения ее продуктами обрабатываемой среды.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кавитационном реакторе, представляющем собой камеру, внутреннее пространство которой ограничено поверхностями:
- корпуса;
- хотя бы одной отражающей стенки, акустически изолированной от корпуса;
- хотя бы одного излучателя ультразвуковой волны
и заполнено обрабатываемой средой, минимальный внутренний размер корпуса х, измеряемый от начала нормали к границе любого из фронтов ультразвуковой волны в камере, равен значению минимального положительного корня трансцендентного уравнения

где квадратными скобками обозначена целая часть числа;
f(x, λ, C₁, C₂, . ..C_n) - функция, задающая значение среднего расстояния между точкой начала отрезка искомого размера х и содержащей эту точку видимой из нее частью поверхности фронта ультразвуковой волны в камере;
C₁, C₂, . . . C_n - размеры, задающие конфигурацию фронта ультразвуковой волны;
λ - длина ультразвуковой волны в обрабатываемой среде.

Приведенное трансцендентное уравнение получается путем приравнивания к нулю выражения для известной единичной обобщенной функции (при равной нулю фазе), которая, будучи умноженной на известное "динамическое число", аппроксимирует известную функцию интегральной безразмерной жесткости [5 (с. 31-32, 43-44)].

Поскольку входящая в трансцендентное уравнение функция f(x,λ,C₁,C₂,... C_n) есть ни что иное, как "фазовый сдвиг" в точке периметра кавитационной области [5 (с. 39)], то корни такого трансцендентного уравнения определяют искомый размер х, при котором плотность потенциальной энергии поля кавитации в заданной точке поверхности корпуса равна нулю.

Как известно, энергия поля кавитации ослабевает при удалении от геометрического центра кавитационной области пропорционально значениям известных "коэффициентов затухания" [5 (с. 39)] , плотность потенциальной энергии на расстояниях, больших х, не будет значимой для эрозии (см. фиг.1). Поэтому внутренние размеры корпуса могут выбираться большими, чем размер х.

У круглого в плане кавитационного реактора (см. фиг.2) n=0. То есть у него нет каких-либо размеров кроме размера х, которые определяли бы конфигурацию фронта ультразвуковой волны и совпадающей с ней кавитационной области представляющих собой круг искомого диаметра х. В данном случае только диаметр АВ может быть отрезком, определяющим внутренний размер камеры, который является нормалью к границе фронта ультразвуковой волны в любой его точке, также принадлежащей поверхности корпуса реактора Q, например точке А. Видимой из точки А частью фронта ультразвуковой волны в камере, содержащего эту точку, является вся поверхность этого фронта S, то есть круг диаметра х.

Функция, задающая значение среднего расстояния между точкой А - началом отрезка искомого размера х и содержащей эту точку видимой из нее частью поверхности фронта ультразвуковой волны S в камере, имеет вид

где

Иными словами функция f(x, λ) описывает среднеинтегральное для всех точек, принадлежащих S (одна из них, например, произвольная точка Р), значение длины отрезка с началом в точке А в полярных координатах (r,α) с центром в точке О. Выражение (1) в данном случае принимает вид

Смысл его состоит в том, что значение х, при котором равенство (3) выполняется, свидетельствует о кратности среднего расстояния от всех точек, принадлежащих S, до точки А длине волны ультразвука в обрабатываемой жидкости. Минимальное положительное значение х, удовлетворяющее (3), означает равенство этого расстояния одной длине волны. Известно [5], что при этом плотность потенциальной энергии поля кавитации в точке, для которой производился расчет, будет равна нулю. Поскольку выражения (2) и (3) инвариантны по отношению к любой точке границы круга S, то х - искомое решение. Уравнение (3) является трансцендентным и решается численным методом.

Пусть частота излучателя реактора составляет 20000 Гц, а скорость звука с обрабатываемой в нем жидкости равна 1450 м/с (вода при комнатной температуре). Тогда длина волны λ=с/f=0,073 м. Высота камеры h=λ/2=0,037 м.

Используя выражения (2) и (3), можно показать (см. фиг.3), что искомый диаметр корпуса х такого цилиндрического кавитационного реактора будет равен 0,129 м, то есть более длины волны ультразвука в обрабатываемой жидкости. У прототипа, являющегося полуволновым реактором, работающим на частоте 22000 Гц, он составляет чуть более половины длины волны. Следовательно, эрозия корпуса у прототипа будет больше, нежели у заявленного кавитационного реактора с диаметром внутренней поверхности Q корпуса, который выбирается в соответствии с отличительным признаком.

Таким образом, сравнение заявленного кавитационного реактора с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный кавитационный реактор обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличительным признаком.

При анализе отличительных признаков описываемого кавитационного реактора не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к размерам камеры кавитационного реактора с целью снижения кавитационной эрозии элементов его конструкции.

Ниже в качестве примеров приведены расчеты кавитационных реакторов, имеющих иные конфигурацию и профиль фронта ультразвуковой волны.

Для реакторов с внутренним пространством корпуса, имеющим в сечении форму прямоугольника (см. фиг.4) n=1, а искомым размером х будет ширина камеры - расстояние между близлежащими внутренними поверхностями Q₁ и Q₂. Размером С₁≥х задается длина камеры. Таким образом конфигурацию плоского, как и в первом случае, фронта ультразвуковой волны задает кроме отрезка АВ искомого размера х, являющегося нормалью к его границе, еще и размер С₁. Трансцендентное уравнение (1) в этом случае будет выглядеть так

где


Здесь функция f(x, λ, C₁) описывает среднее для всех точек, принадлежащих S (одна из них точка Р), значение длины отрезка с началом в точке А в прямоугольных координатах (b,l) с центром в точке А.

Используя выражение (4) при тех же условиях, что и в предыдущем примере, можно показать (см. фиг.5), что искомая ширина корпуса х рассмотренного кавитационного реактора будет принимать следующие значения в зависимости от C₁ (см. таблицу 1).

В случае коаксиального реактора, возбуждаемого цилиндрической волной от излучателя, представляющего собой, например, цилиндр радиусом C₁ (см. фиг. 6), искомым размером х будет высота внешнего цилиндра, так как фронт волны здесь будет ограничиваться внутренними поверхностями Q₁ и Q₂, имеющими форму колец.

Видимой из любой точки внутренней поверхности корпуса, например А, частью цилиндрического фронта ультразвуковой волны S, содержащего эту точку, здесь будет только часть этого фронта, которая не "затенена" излучателем. Конфигурацию фронта цилиндрической волны кроме размеров х и C₁ здесь будет также задавать радиус самого фронта волны С₂, относительно которого ищется решение.

Трансцендентное уравнение для данного примера имеет вид

где


Функция f(x,λ,C₁,C₂) описывает также среднеинтегральное для всех точек, принадлежащих S, например Р, значение длины отрезка с началом в точке А в смешанных координатах (b,α).

Пусть параметр С₁ принимает значения 0,015; 0,025 и 0,035 м. Значение параметра С₂ зависит от положения стационарной кавитационной области в реакторе. Оно определяется частотой колебаний излучателя и скоростью звука в обрабатываемой среде. Пусть скорость звука остается такой же, как в предыдущих примерах, а частота колебаний f принимает значения: 20000 Гц, 30000 Гц и 40000 Гц. Тогда параметр С₂ можно представить как

поскольку известно, что стационарная кавитационная область в полуволновом реакторе располагается на расстоянии, равном четверти длины волны от поверхности излучателя [5].

Используя выражение (5), можно вычислить (см. фиг.7) приведенные в таблице 2 значения искомой высоты цилиндра х данного кавитационного реактора, зависящие от параметров С₁ и С₂.

Возможны варианты конструкции кавитационных реакторов, где количество размеров, задающих конфигурацию фронта ультразвуковой волны, будет большим как, например, у реакторов, содержащих диафрагмы для профилирования потока среды.

На фиг.1 изображен график функции относительной плотности потенциальной энергии поля кавитации w_p в кавитационном реакторе, возбуждаемом плоской стоячей ультразвуковой волной круглой в плане резонансной полуволновой ячейки радиусом 3λ. Видно, что на расстоянии λ от оси реактора w_p уменьшается более чем на пять порядков, по мере удаления не превышает значения
На фиг.2 схематично показана камера круглого в плане кавитационного реактора плоской волны, содержащего корпус с внутренней поверхностью, обозначенной Q, отражающие стенки с поверхностями, обозначенными W₁ и W₂, каждая из которых или обе вместе могут быть поверхностями излучателя полностью или частично. Реактор заполнен обрабатываемой жидкостью, половина длины волны ультразвука в которой равна расстоянию между поверхностями W₁ и W₂, обозначенному h. Профиль фронта ультразвуковой волны в камере реактора, совпадающий со стационарной кавитационной областью, обозначен S и оттенен. Отрезок, обозначенный АВ, является отрезком искомого размера х, определяющим минимальный внутренний размер корпуса по нормали к границе фронта S. Он же и является этой нормалью. Указан угол 90^o, между отрезком АВ и касательной к границе фронта S в точке А, указывающий на это. Точка начала отрезка, принадлежащая этому отрезку и границе фронта S, обозначена А. Вектором r и углом α обозначена система полярных координат, в которой производятся вычисления х.

На фиг. 3 показана графическая интерпретация решения трансцендентного уравнения (3) для стационарной кавитационной области в виде круга диаметром х с функцией f(x,λ) соответствующей (2).

На фиг. 4 схематично показана камера прямоугольного в плане кавитационного реактора плоской волны, содержащего корпус, внутренние поверхности двух противолежащих плоских стенок которого обозначены Q₁ и Q₂, отражающие стенки с поверхностями, обозначенными W₁ и W₂, каждая из которых или обе вместе могут быть поверхностями излучателя полностью или частично. Векторами b и l обозначена система прямоугольных координат, в которой производятся вычисления х. Параметр трансцендентного уравнения (4), в соответствии с которым вычисляется размер х, задающий вместе с ним конфигурацию фронта ультразвуковой волны (в данном случае - прямоугольник), обозначен С₁ - длина корпуса. Остальные обозначения идентичны обозначениям на фиг.2.

На фиг.5 показана графическая интерпретация решения трансцендентного уравнения (4) для стационарной кавитационной области в виде прямоугольника шириной х и длиной C₁, имеющей значения: 0,123 м - линия 1; 0,150 м - линия 2 и 0,200 м - линия 3.

На фиг.6 схематично показана камера коаксиального кавитационного реактора цилиндрической волны, содержащего корпус, внутренние поверхности двух противолежащих плоских кольцеобразных стенок которого обозначены Q₁ и Q₂, цилиндрические отражающие стенки с поверхностями, обозначенными W₁ и W₂, каждая из которых или обе вместе могут быть поверхностями излучателя полностью или частично. Реактор заполнен обрабатываемой жидкостью, половина длины волны ультразвука в которой равна расстоянию между поверхностями W₁ и W₂, обозначенному h. Видимая из точки часть поверхности фронта S оттенена. Остальная часть фронта S не видна из точки А, так как скрыта за цилиндрической поверхностью W₁. Плоский угол, обозначенный β, указывает на это. Параметры трансцендентного уравнения (5), в соответствии с которыми вычисляется размер х, задающие вместе с ним конфигурацию фронта ультразвуковой волны (в данном случае - часть цилиндрической поверхности), обозначены C₁ - радиус внутреннего цилиндра и С₂ - радиус фронта S. Вектором b и углом α обозначена смешанная система координат, в которой производятся вычисления х. Остальные обозначения идентичны обозначениям на фиг.2 и 4.

На фиг. 7 показана графическая интерпретация решения трансцендентного уравнения (5) для стационарной кавитационной области в виде цилиндра высотой х, диаметром С₂, с находящейся внутри него и соосной ему цилиндрической же стенкой диаметром C₁, имеющим значения: 0,015 м - линии 1; 0,025 м - линии 2 и 0,035 м - линии 3. Диаметр С₂, в свою очередь, имеет значения: С₁+0,018 м - верхнее поле графика; С₁+0,012 м - среднее поле графика и C₁+0,009 м - нижнее поле графика.

На фиг. 8 показан вертикальный осевой разрез круглого в плане кавитационного реактора плоской волны, описанного в качестве примера расчета по формулам (2,3) и примера конкретной реализации изобретения. Соотношения размеров условные.

На фиг.9 приведен горизонтальный разрез круглого в плане кавитационного реактора плоской волны, показанного на фиг.8. Соотношения размеров условные.

Заявленный кавитационный реактор (см. фиг.2, 8), например, для непрерывной обработки жидких сред представляет собой камеру 1 цилиндрической формы, внутреннее пространство которой ограничено поверхностями корпуса 2, отражающих стенок 3 и 4, а также излучателя ультразвуковой волны 5, излучающая поверхность которого принадлежит поверхности фронта ультразвуковой волны, содержащей также поверхность отражающей стенки 4, и заполнено обрабатываемой средой 6, например, имеющей возможность пропускаться через камеру 1 посредством штуцеров 7. Отражающие стенки акустически изолированы от корпуса прослойкой 8. Расстояние между отражающими стенками по направлению распространения плоской ультразвуковой волны составляет, например, 0,037 м. В реакторе при его работе устанавливается стоячая ультразвуковая волна, образующая на равном удалении от стенок стационарную кавитационную область 9, которая по конфигурации совпадает с фронтом ультразвуковой волны в этой части камеры реактора (см. также фиг.2).

Кавитационный реактор отличается тем, что минимальный внутренний размер корпуса х, измеряемый от начала нормали 10 к границе фронта 9 (а равно и любого другого фронта) ультразвуковой волны в камере, то есть внутренний диаметр цилиндра корпуса, равен значению минимального положительного корня трансцендентного уравнения (3), где f(х,λ) - функция, задающая значение среднего расстояния между точкой 11 начала отрезка искомого размера х и содержащей эту точку видимой из нее частью поверхности фронта ультразвуковой волны в камере. Видимой из точки 11 в этом случае является вся поверхность фронта 9.

Кавитационный реактор работает следующим образом.

В обрабатываемую среду 6, пропускаемую через камеру 1 реактора посредством штуцеров 7, от излучателя 5 распространяется ультразвуковая волна, вызывающая возникновение в ней совпадающей с фронтом ультразвуковой волны стационарной кавитационной области 9, энергия акустического поля которой производит полезную работу. При этом на границах стационарной кавитационной области, то есть у стенок корпуса 2 в силу выполнения указанного (3) условия плотность потенциальной энергии акустического поля кавитации будет равна нулю. То есть стенки корпуса 2 не будут подвергаться кавитационной эрозии.

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

Источники информации
1. SU 1261700 А1,кл. В 01 F 11/02, 11.05.1984
2. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 348 с.: ил.

3. US 3519251, кл. В 01 F 11/02, 07.07.1970.

4. US 4618263, кл. В 01 F 11/02, 21.10.1986.

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

Изобретение относится к аппаратам для обработки жидких сред путем воздействия энергией акустического поля ультразвуковой кавитации - кавитационной дезинтеграции любых субстанций, включая живые, существующих в виде взвешенных фаз в этих средах, а также для диссоциации молекул самих сред. В кавитационном реакторе могут обрабатываться жидкие среды в виде суспензий, эмульсий, коллоидных либо истинных растворов, а также вода и другие жидкости. Результатом кавитационной дезинтеграции обрабатываемых сред является повышение их дисперсности, гомогенности, интенсификация происходящих в них химических реакций, синтез новых соединений, бактериолиз и бактериостаз, а также повышение их химической активности, например гидратационной активности воды. Кавитационный реактор может также использоваться для экстрагирования растворимых веществ из твердых фаз суспензий. Изобретение может быть использовано в химической, горнорудной, пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности. Реактор представляет собой камеру, внутреннее пространство которой ограничено корпусом, отражающей стенкой, излучателем ультразвука и заполнено обрабатываемой средой. Минимальный внутренний размер корпуса реактора, измеряемый от начала нормали к границе любого из фронтов ультразвуковой волны в камере, равен значению минимального положительного корня трансцендентного уравнения. 9 ил., 2 табл.

Кавитационный реактор для обработки жидких сред, представляющий собой камеру, внутреннее пространство которой ограничено поверхностями корпyca, хотя бы одной отражающей стенки, хотя бы одного излучателя ультразвуковой волны и заполнено обрабатываемой средой, отличающийся тем, что минимальный внутренний размер корпуса х, измеряемый от начала нормали к границе любого из фронтов ультразвуковой волны в камере, равен значению минимального положительного корня трансцендентного уравнения

где квадратными скобками обозначена целая часть числа;
f(х, λ, С₁, С₂, . ..С_n) - функция, задающая значение среднего расстояния между точкой начала отрезка искомого размера x и содержащей эту точку видимой из нее частью поверхности фронта ультразвуковой волны в камере;
С₁, С₂, . . . С_n - размеры, задающие конфигурацию фронта ультразвуковой волны;
λ - длина ультразвуковой волны в обрабатываемой среде.