УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИСПЕРГАТОР ПРОТОЧНОГО ТИПА Российский патент 2004 года по МПК B01F11/02 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано для гомогенизации тяжелых топлив или молока; приготовления высококачественной водотопливной эмульсии для дизельных двигателей, а также топок ТЭЦ и котельных на мазуте; пастеризации питьевой воды, соков и других жидких продуктов питания; изготовления высококачественных красок, смазок, пищевых, кормовых, фармацевтических и иных эмульсий и суспензий; в химической промышленности для интенсификации химических реакций и получения новых видов соединений; в первичной нефтепереработке для увеличения выхода светлых топлив; для приготовления стойких буровых растворов и других аналогичных технологий.

Известно устройство для ультразвукового эмульгирования (Заявка Японии 62-58375, кл. В 01 F 11/02, опубл. в 1987 г.), состоящее из вибратора с накладками, одна из которых выполнена заодно с концентратором с осевым отверстием.

К недостаткам этого устройства следует отнести малую производительность, низкое качество получаемой эмульсии и высокие энергетические затраты как результат низкого электроакустического КПД.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для ультразвуковой обработки жидкости (Патент РФ 2061537, кл. В 01 F 11/02, опубл. 16.06.96), содержащее подключенный к генератору армированный шпильной с осевым отверстием пьезопреобразователь (вибратор) с двумя симметрично и соосно расположенными концентраторами, изготовленными заодно с накладками и осевыми отверстиями с перегородками на выходных торцах и отверстиями в них.

Недостатки этого устройства, хотя и в меньшей мере, свойственны предыдущему аналогу.

Основным положительным эффектом предлагаемого изобретения является существенное улучшение кавитационной обработки протекающей через вибратор жидкости и улучшение энергетических показателей устройства, а также возможность кавитационной обработки жидкости, нагретой до высоких температур.

Положительные эффекты достигаются тем, что вся протекающая через вибратор жидкость как минимум четырежды протекает по инициирующей поверхности вибратора и вблизи твердых поверхностей, а также за счет увеличения активной составляющей сопротивления излучения и оптимального согласования вибратора с нагрузкой. В некоторых модификациях заявляемого устройства дополнительный положительный эффект достигается прохождением обрабатываемой жидкости через два фокальных пятна на входе и выходе устройства и два полуволновых резонатора, а также за счет двукратного дополнительного наложения высокочастотных ультразвуковых колебаний на обрабатываемую жидкость и тепловой изоляции пьезокерамики от протекающей через вибратор горячей жидкости.

Предлагаемое изобретение отвечает критерию "новизна", т.к. нигде не описано, и критерию "существенные отличия", т.к. не вытекает непосредственно из уровня развития ультразвуковой техники.

Заявляемое устройство технически реализуемо, т.к. было изготовлено и испытано.

Предлагаемое изобретение показано в различных модификациях на фиг.1 - 7.

На фиг.1 показан основной базовый вариант с четырьмя зонами кавитации и подробным описанием базовой колебательной системы. На фиг.2 показана модификация основного варианта с двумя фокусирующими устройствами. На фиг.3 в крупном плане показано устройство щелевых и кольцевых зазоров применительно к модификации на фиг.2. На фиг.4 показана модификация основного варианта с двумя полуволновыми резонаторами, двумя высокочастотными излучателями на торцевых поверхностях, четырьмя звукопрозрачными диафрагмами с канавками на рабочих поверхностях в виде спирали Архимеда и с использованием активатора кавитации. На фиг. 5 показана модификация с высокочастотными излучателями, расположенными внутри концентраторов. На фиг.6 показана модификация для кавитационной обработки горячей жидкости. На фиг.7 показана модификация для кавитационной обработки горячей жидкости с полуволновыми насадками и восемью зонами кавитации.

Устройство представляет собой (см. фиг.1) подключенный к генератору (на фиг. 1 не показан) ультразвуковой преобразователь (вибратор) с накладками, выполненными заодно с концентраторами 1, расположенными симметрично и соосно (например, ступенчатыми), с переменным внутренним сечением и армированный (стянутый) шпилькой 2 с осевым отверстием 3, которое имеет продолжение на оси концентраторов 1; рабочие пьезокерамические шайбы 4 и пьезокерамические шайбы электроакустической обратной связи 5 собраны в пакет на шпильке 2 и изолированны от нее изоляционной втулкой 6 с токопроводящими электродами - радиаторами 7; резонансные мембраны 8 с проточными отверстиями 9 на их боковой поверхности на уровне внутренней плоской поверхности мембран 8 акустически жестко и разъемно закреплены на выходных торцах концентраторов 1 и образуют между боковой поверхностью резонансных мембран 8 и внутренней поверхностью стаканов 10, закрепленных в узловой плоскости концентраторов 1, кольцевые зазоры 11; звукопрозрачные (например, из тонкой пластмассы) диафрагмы 12 с осевыми отверстиями 13, расположенные параллельно резонансным мембранам 8, образуют щелевые зазоры 14. Пакет пьезокерамики 4 и 5 защищен кожухом 15. Герметичность конструкции обеспечивают герметизирующие резиновые кольца 16. Обрабатываемая жидкость поступает в устройство и выходит из него через штуцеры 17.

На фиг. 2 на стаканы 10 соосно и симметрично закреплены фокусирующие устройства 18 в виде параболоидов вращения, образующих фокальные пятна 19 на входе и выходе устройства. В этой модификации используются звукопрозрачные диафрагмы 12 по обе стороны резонансной мембраны 8, как это показано в крупном плане на фиг.3.

На фиг.4 внутренний объем концентраторов 1 и полуволновых резонаторов 20 заполнен активатором кавитации 21 (например, металлической сеткой - показано пунктирной штриховкой). На торцевых поверхностях стаканов 10 акустически жестко закреплены высокочастотные ультразвуковые излучатели 22, подключенные к генератору (на фиг.4 условно не показан). В этой модификации звукопрозрачные диафрагмы 12 выполнены с рабочей стороны (обращенной к мембране 8) в виде плоского спирального углубления (спирали Архимеда).

На фиг. 5 высокочастотные излучатели 22 акустически развязаны и расположены изнутри концентраторов 1 и закреплены на трубках 23, ввинченных в шпильку 2. Для подвода проводов к высокочастотным излучателям 22 предусмотрены отверстия 24.

На фиг.6 тепловая изоляция пьезокерамики 4 от протекающей через вибратор горячей жидкости достигается при помощи сквозной трубки 25, на которой с обеих концов герметично закреплены отражатели 26 из акустически жесткого материала. Герметичность крепления отражателей и их акустическая развязка от концентраторов 1 обеспечивается резиновыми кольцами 27.

На фиг. 7 показана модификация предыдущего варианта (см. фиг.6), с использованием восьми зон кавитации при помощи двух полуволновых цилиндрических насадок 28 и четырех резонансных мембран 8, акустически жестко закрепленных на торцах насадок. В этом случае полуволновые насадки 28 навинчиваются на резонансные мембраны 8, а кольцевые зазоры 11 образуются при помощи муфт 29, стянутых накидными гайками 30 и герметизированных при помощи резиновых колец 31. Рабочее положение всех модификаций - вертикальное. При этом обрабатываемая жидкость протекает через вибратор снизу вверх с тем, чтобы образующиеся при кавитации пузырьки не скапливались внутри вибратора.

Устройство работает следующим образом.

Генератор (условно не показан) вырабатывает электрические колебания резонансной для вибратора частоты, которые поступают на рабочие шайбы пьезокерамики 4, где преобразуются в механические колебания. Эти колебания при помощи пьезокерамических шайб электроакустической обратной связи 5 преобразуются в электрические колебания и подаются в генератор для фазовой автоподстройки резонансной частоты вибратора. Выработанные пьезокерамикой 4 механические колебания усиливаются концентраторами 1 и подаются на резонансные мембраны 8, нагруженные обрабатываемой жидкостью с обеих сторон. При этом на резонансной частоте механические колебания дополнительно усиливаются пропорционально механической добротности мембран 8. В результате исходные механические колебания пьезокерамики 4 многократно (в зависимости от нагрузки) усиливаются и позволяют практически полностью согласовать нагрузку (обрабатываемую жидкость) с вибратором, что позволяет поднять электроакустический КПД всей колебательной системы до величины, близкой к 100%. Практически полное согласование вибратора с нагрузкой достигается еще и потому, что волновой размер ka мембран 8, нагруженных с обеих сторон (режим осциллирующего поршня без экрана), выбран таким, что относительное активное сопротивление достигает максимально возможных значений, превышающих 1,2 (см. Л. В. Орлов, А. А. Шабров. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. - М.: Пищевая промышленность, 1974 г., с.127, рис.61, кривая 5).

Обрабатываемая жидкость поступает в вибратор снизу через входной штуцер 17 и протекает через нижний щелевой зазор 14 и далее через кольцевой зазор 11, проходные отверстия 9 и верхний щелевой зазор 14, вытекая через осевое отверстие 13 в диафрагме 12. Путь протекания обрабатываемой жидкости показан жирными стрелками на фиг.3 в увеличенном масштабе. При этом обрабатываемая жидкость протекает, практически непрерывно контактируя с твердой инициирующей поверхностью резонансных мембран 8 и в непосредственной близости от твердых поверхностей стакана 10 и диафрагмы 12, что обеспечивает максимально возможное кавитационное воздействие. Далее обрабатываемая жидкость протекает внутри вибратора по осевому отверстию нижнего концентратора 1, осевому отверстию шпильки 2, осевому отверстию верхнего концентратора 1 и далее, как это описано выше, но в обратном порядке. Таким образом, обрабатываемая жидкость последовательно протекает через четыре зоны кавитации по инициирующей поверхности и вблизи твердых границ, что обеспечивает ее качественную кавитационную обработку, которая дополняется воздействием кавитации по мере протекания во внутреннем объеме вибратора.

Вышеописанный процесс кавитационной обработки протекающей жидкости может быть существенно усилен (см. фиг.2), если за счет фокусирующих устройств 18 создать мощные фокальные пятна 19 на входе и выходе диспергатора. В этом случае щелевые зазоры 14 (см. фиг.3) формируются звукопрозрачными диафрагмами 12 с обеих сторон резонансных мембран 8.

Известно, что процесс ультразвукового эмульгирования может быть существенно улучшен, если он происходит на твердой поверхности и при высоких акустических давлениях (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И. П. Голяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979 г., с.393). Исходя из этого заявляемый диспергатор в режиме эмульгатора может быть выполнен с внутренним объемом, заполненным активатором эмульгирования (например, металлической сеткой) и полуволновыми резонаторами, где акустическое давление удваивается. Такая конструкция проточного диспергатора показана на фиг.4, где внутренний объем концентраторов 1 и полуволновых резонаторов 20 заполнен активатором кавитации 21. В этом случае протекающая через диспергатор обрабатываемая жидкость в процессе ультразвуковой кавитации контактирует с развитой твердой поверхностью активатора кавитации 21 практически во всем внутреннем объеме вибратора, что позволяет существенно повысить концентрацию и качество эмульсии. Для придания эмульсии мелкодисперсности, что очень важно при питании эмульсией дизельных двигателей, в диспергаторе на фиг.4 предусмотрены высокочастотные излучатели 22, установленные на входном и выходном торцах вибратора (см. Основы физики и техники ультразвука. Учебное пособие для ВУЗов. - М. : Высшая школа, 1987 г., с.177, рис.9.1). Совместное воздействие акустических колебаний ультразвукового (например, 22 кГц) и высокочастотного (например, 300 кГц) диапазона в полуволновых резонаторах (по низкой частоте), где акустическое давление удваивается, позволяет получить высококачественную (монодисперсную и мелкодисперсную) и насыщенную эмульсию, которая обладает максимальной стойкостью.

Упрощенный вариант ультразвукового диспергатора в режиме эмульгирования показан на фиг.5. В этом устройстве минимизирован внутренний объем обрабатываемой жидкости, что принципиально важно при установке этих устройств на дизели грузовых автомобилей и автобусов, т.к. перед выключением двигателя на длительное время необходим перевод его питания на чистое топливо с тем, чтобы эмульсия не отстоялась за время стоянки и не появилась бы вода в недисперсной фазе, что недопустимо для топливной аппаратуры дизеля. Для этого необходима выдержка во времени, пока не израсходуется весь остаток эмульсии в топливопроводах, количество которого определяется и внутренним объемом диспергатора. Условия эксплуатации таких дизелей (попадание воды и грязи) делают необходимыми установку высокочастотных излучателей 22 с внутренней стороны резонансной мембраны 8 и прохождение обрабатываемой жидкости внутри вибратора по трубам 23. В этом случае внутренний щелевой зазор 14 выполняется полуволновым по высокой частоте для уменьшения нагрузки на высокочастотные излучатели 22 и удвоения акустического давления по высокой частоте в щелевом зазоре 14.

Для питания судовых дизелей, топок ТЭЦ и котельных используется тяжелое топливо, которое для улучшения распыления подогревают до температур, близких к 100^oC. В этих случаях используется ультразвуковой диспергатор, показанный на фиг.6, где для тепловой изоляции пьезокерамики от горячего топлива используется сквозная трубка 25 с отражателями 26 на концах, герметизированных резиновыми уплотнительными кольцами 27. Такая конструкция защищает пьезокерамику 4 от угрозы перегрева и деполяризации.

В некоторых случаях, когда используются особо тяжелые топлива, для их гомогенизации и приготовления эмульсии недостаточно простой обработки, как на фиг.6. В таких случаях может быть использовано устройство, показанное на фиг. 7, где обрабатываемая жидкость проходит последовательно восемь зон кавитации с задержкой в каждой зоне кавитации (щелевом зазоре 14) за счет протекания обрабатываемой жидкости по углублениям в виде спирали Архимеда. В этом устройстве используются две полуволновые цилиндрические насадки 28, которые образуют с вибратором единую колебательную систему. Обрабатываемая жидкость в этом устройстве протекает по трубкам 25 через восемь щелевых зазоров, перетекая из вибратора в насадки 28 (и наоборот) через кольцевые зазоры 11, образованные муфтами 29 с прижимными гайками 30. Герметичность такого соединения обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами 31. Этот диспергатор весьма перспективен в крекинг-процессе при первичной нефтепереработке для увеличения выхода легких топлив.

Очевидно, что вышеописанные варианты ультразвуковых диспергаторов проточного типа не исчерпывают всей гаммы возможных комбинаций их конструкций. Эта новая область ультразвуковой техники только начинает развиваться и имеет большую перспективу в самых различных областях промышленности.

Изобретение относится к ультразвуковым диспергаторам для гомогенизации тяжелых топлив, различных жидких смесей или молока, водотопливной эмульсии, может использоваться также для обеззараживания питьевой воды и пастеризации соков, изготовления красок, смазок, пищевых и иных эмульсий и суспензий, в химической промышленности для интенсификации химических реакций и получения новых видов соединений, в первичной нефтепереработке для увеличения выхода легких топлив, приготовления стойких буровых растворов. Устройство состоит из пьезопреобразователя с накладками, выполненными заодно с концентраторами с переменным внутренним сечением, с осевым отверстием в концентраторах. На выходных торцах концентраторов акустически жестко и разъемно закреплены резонансные мембраны с проточными отверстиями. По обе стороны резонансных мембран сформированы щелевые зазоры за счет звукопрозрачных диафрагм и кольцевые зазоры. Устройство может иметь фокусирующие системы, активаторы кавитации, полуволновые насадки, полуволновые резонаторы, дополнительные высокочастотные излучатели. Технический результат состоит в повышении качества кавитационной обработки материалов. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ультразвуковой диспергатор проточного типа, содержащий пьезопреобразователь, армированный шпилькой с осевым отверстием, с двумя симметрично и соосно расположенными концентраторами, изготовленными заодно с накладками и осевыми отверстиями, отличающийся тем, что концентраторы выполнены с переменным внутренним сечением, на выходных торцах концентраторов разъемно и акустически жестко закреплены резонансные мембраны, вблизи которых и параллельно им сформированы щелевые зазоры, а на боковой поверхности резонансных мембран на уровне их плоской внутренней поверхности расположены концентрические проточные отверстия, выходящие в кольцевые зазоры.2. Ультразвуковой диспергатор по п.1, отличающийся тем, что щелевые зазоры с обеих рабочих поверхностей резонансных мембран выполнены при помощи звукопрозрачных диафрагм с осевыми отверстиями, расположенными вблизи рабочих плоскостей резонансных мембран и параллельно им.3. Ультразвуковой диспергатор по п.2, отличающийся тем, что щелевые зазоры сформированы при помощи акустически жестких отражателей, акустически развязанных от концентраторов и герметично закрепленных на торцах осевых трубок для протекания обрабатываемой жидкости.4. Ультразвуковой диспергатор по п.2, отличающийся тем, что щелевые зазоры сформированы за счет высокочастотных ультразвуковых излучателей, герметично закрепленных на торцах осевых трубок для протекания обрабатываемой жидкости и акустически развязанных от концентраторов.5. Ультразвуковой диспергатор по п.2, отличающийся тем, что свободные пространства внутри колебательной системы заполнены активатором кавитации.6. Ультразвуковой диспергатор по п.2 или 3, отличающийся тем, что поверхность звукопрозрачных диафрагм или отражателей со стороны резонансных мембран выполнена в виде плоской спиральной канавки от центра к периферии.7. Ультразвуковой диспергатор по п.2, отличающийся тем, что на входе и выходе пьезопреобразователя соосно и симметрично расположены фокусирующие устройства с отражателями в виде параболоидов вращения и фокальными пятнами, расположенными вблизи входного и выходного отверстий.8. Ультразвуковой диспергатор по п.3, отличающийся тем, что на входе и выходе пьезопреобразователя акустически жестко и соосно закреплены цилиндрические полуволновые насадки с резонансными мембранами на торцах, осевыми трубками и отражателями, снабженные переходными муфтами для протекания обрабатываемой жидкости.9. Ультразвуковой диспергатор по п.2, отличающийся тем, что на входе и выходе устройства расположены полуволновые резонаторы.