СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОТОКА ЖИДКОЙ СРЕДЫ В КАВИТАЦИОННОМ РЕАКТОРЕ Российский патент 2005 года по МПК B01J19/10 

Изобретение относится к области процессов ультразвуковой кавитационной дезинтеграции жидких сред: разрушения, разъединения, разделения на части любых субстанций, включая живые, существующих в виде взвешенных фаз в этих средах, а также для диссоциации молекул самих сред под воздействием энергии акустического поля кавитации. Кавитационной обработке могут подвергаться жидкие среды в виде суспензий, эмульсий, коллоидных либо истинных растворов, а также вода и другие жидкости. Средством кавитационной дезинтеграции жидких сред является кавитационный реактор.

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

Преимущественная область применения изобретения - обработка дисперсных сред, в том числе, молока с целью его гомогенизации, обеззараживания и обогащения за счет диспергирования в нем вносимого извне белка, в том числе сухого, жира и других веществ.

Известен способ воздействия энергией ультразвуковых колебаний на поток жидкости при непрерывной гомогенизации или эмульгировании [US 4302112, 24.11.1981], при котором заданный уровень энергии поддерживают, управляя скоростью потока жидкости с учетом объема реактора, при этом жидкость перемешивают.

Известен также способ воздействия энергией ультразвуковых колебаний на водно-мучную суспензию для активации хлебопекарных дрожжей, при котором обеспечивают заданную среднюю объемную плотность энергии, а жидкость (суспензию) также постоянно перемешивают [RU 2184145, 01.03.2000].

В том и другом случаях причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, является следующее обстоятельство. Результат акустического воздействия на жидкие среды в большинстве процессов кавитационной дезинтеграции зависит от величины потенциальной энергии акустического поля кавитации, то есть энергии перепадов давления во фронтах акустических волн, испускаемых кавитационными пузырьками. Это процессы кавитационной эрозии и кавитолиза. Мерой потенциальной энергии может служить объемная плотность ее количества, выделяемого в объеме среды, например, в среднем за период колебаний акустической волны, вызывающей кавитацию. Потенциальную энергию кавитации иногда выражают посредством эрозионного коэффициента, равного ее отношению к полной энергии кавитации.

При реализации рассмотренных выше способов требования к объему реакторов предъявляются только исходя из расчета количества передаваемой в обрабатываемые среды энергии вызывающей кавитацию акустической волны, но не в связи с количеством и видом распределения выделяемой при этом потенциальной энергии кавитации. Хотя известно, что в зависимости от амплитуды давления в порождающей кавитацию акустической волне пульсации кавитационных пузырьков кроме скалярного поля деформаций порождают еще и векторное поле колебательных скоростей частиц среды, характеристикой которого является кинетическая энергия кавитации, на трансформации в которую рассеивается часть энергии вызывающих кавитацию ультразвуковых колебаний. Эффекты же, производимые воздействием на среду циклическими деформациями и колебательными смещениями принципиально неодинаковы по механизму воздействия и различны по результатам.

Поскольку амплитуда давления в порождающей кавитацию акустической волне зависит не только от объема реактора, но и от соотношения размеров этого объема, то результаты воздействия на жидкости описанными способами не будут воспроизводимыми в различных условиях. То есть в реакторах одинаковых объемов, но различных пространственных форм, предназначенных для одних и тех же видов обработки жидкостей, результаты обработки могут быть различными, даже если в них будут обеспечены одинаковые уровни передаваемой в жидкость акустической энергии.

Известен способ кавитационной обработки жидких сред, при котором поток жидкой среды с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости рассеивают акустическую мощность с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение в ней кавитации, а объемную плотность потенциальной энергии возникающей кавитации распределяют по объему реактора со среднеквадратичным отклонением от среднего значения в реакторе не большим, чем заданная часть этого среднего значения [RU 2228217, 21.05.2003]. Выполнение этого условия достигается специальным подбором соотношения размеров внутреннего объема реактора.

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании этого способа, заключается в следующем.

Величина среднеквадратичного отклонения от среднего значения выбрана здесь из решения оптимизационной задачи обеспечения максимальной равномерности обработки при минимальной кавитационной эрозии элементов конструкции реактора.

Однако известно, что в отношении процессов, связанных с явлениями дезинтеграции, которая основана на кавитационной эрозии, действует пороговый эффект. Таким образом, в объеме реактора, где в соответствии с признаком изобретения допускается существование областей с плотностью потенциальной энергии кавитации меньшей, чем среднее значение, результат обработки может не быть достигнут.

Известен способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости, при котором жидкость с обеспечивающей заданное время обработки скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости устанавливают стоячую акустическую полуволну с заданным средним значением объемной плотности мощности, которая возбуждает в жидкости кавитацию [RU 2226428, 17.04.2003]. При этом на периметре плоского сечения потока жидкости, содержащего максимальное значение эрозионного коэффициента, значения эрозионного коэффициента устанавливают не меньшими, чем его среднее значение в кавитационном реакторе. Этот способ принят за прототип.

Способ основан на использовании того известного факта, что большинство процессов, связанных с явлениями дезинтеграции, протекают за очень короткие отрезки времени - несколько единиц или десятков периодов акустической волны, вызывающей кавитацию. Поэтому даже непродолжительное пребывание жидкости в сечении с заданными параметрами процесса обеспечивает получение желаемого результата.

Кавитационный реактор, в котором реализуется способ, имеет диафрагму, ограничивающую сечение потока. В этом сечении путем расчета периметра отверстия в диафрагме и устанавливают значение эрозионного коэффициента не ниже среднего, пользуясь тем обстоятельством, что в полуволновом реакторе функция распределения эрозионного коэффициента относительно его максимального значения имеет монотонный характер.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании способа, принятого за прототип, являются следующие обстоятельства.

Во-первых, способ реализуется только в кавитационном реакторе, где в качестве фактора, вызывающего возникновение кавитации, используется акустическая полуволна. В других реакторах с размером в направлении колебательных смещений частиц среды в акустической волне, превышающим одну полуволну, способ не может быть реализован.

Во-вторых, поскольку плотность средней по времени полной энергии кавитации, являющаяся в каждой точке пространства реактора суммой плотностей средних по времени кинетической и потенциальной энергий, имеет собственное пространственное распределение, то распределение эрозионного коэффициента не идентично распределению плотности потенциальной энергии. Следовательно, в тех случаях, когда ожидаемый результат воздействия на жидкие среды зависит в большей мере от величины потенциальной энергии акустического поля кавитации, то есть при эрозионных процессах или кавитолизе, он не может быть достигнут за счет профилирования потока среды относительно распределения эрозионного коэффициента.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Если может быть однозначно установлен вид распределения средней по времени плотности потенциальной энергии кавитации внутри реактора или величины пропорциональной ей, то может быть установлено местоположение плоских областей, в которых эта величина будет превышать среднее значение в реакторе. Эти области можно ограничить, не препятствуя акустической волне, вызывающей кавитацию, например, плоской диафрагмой как в прототипе. Таким образом, поток обрабатываемой среды в реакторе может быть профилирован так, чтобы в одном из его сечений плотность потенциальной энергии не будет меньше ее среднего значения в реакторе в отсутствие диафрагмы. Проходя через это сечение, поток получит необходимое и достаточное для получения заданного результата воздействие кавитации.

Используя теорию кавитационного реактора [Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. -М.: ЕВА-пресс, 2001. -173 с.], можно показать, что в общем случае реактора среднее по времени значение плотности потенциальной энергии кавитации в любой точке координатной системы х, у, z внутреннего объема кавитационного реактора в отсутствие диафрагмы может быть найдено через пропорциональную ей безразмерную функцию, имеющую вид:

где в фигурные скобки заключена дробная часть числа, в квадратные - целая;

l - размер реактора в направлении колебательных смещений частиц жидкой среды в акустической волне;

λ - длина акустической волны, вызывающей кавитацию в реакторе;

f - функция координат, задающая среднее расстояние между любой произвольной точкой внутреннего объема реактора и видимыми из нее в отсутствие диафрагмы поверхностями пучностей давления в акустической волне;

g - функция координат, задающая среднее значение величины, обратной расстоянию между любой произвольной точкой внутреннего объема реактора видимыми из нее в отсутствие диафрагмы поверхностями пучностей давления в акустической волне.

Тогда координаты X, Y, Z любой точки периметра сечения потока, в котором средняя по времени плотность потенциальной энергии кавитации выше ее среднего значения в реакторе без диафрагмы могут быть найдены, как корни уравнения:

Технический результат - обеспечение необходимого и достаточного (не ниже среднего возможного) воздействия потенциальной энергии кавитации на поток обрабатываемой жидкой среды в процессах кавитационной эрозии и кавитолиза, в том числе в реакторах, у которых размер в направлении колебательных смещений частиц жидкой среды в акустической волне превышает половину длины этой волны.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, при котором поток обрабатываемой среды с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в нем устанавливают стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации, а, как минимум, в одной из плоскостей, параллельной колебательным смещениям частиц жидкой среды в акустической волне поток ограничивают при помощи плоской диафрагмы, особенность состоит в том, что внутри сечения, ограничивающего поток, плотность средней по времени потенциальной энергии кавитации устанавливают не меньшей, чем ее среднее по объему реактора значение в отсутствие диафрагмы.

Например, у круглого в плане полуволнового кавитационного реактора плоской волны радиусом r и высотой 0,5λ функции f и g имеют вид:

где

где

Координатная система (х, 0, а, у) в реакторе имеет начало в центре объема реактора, ось у параллельна направлению колебательных смещений в акустической волне, а ось х находится в диаметральной плоскости (Фиг.1). Видимой из произвольной точки внутреннего объема реактора, например, точки А частью поверхности пучности давления в акустической волне, является вся эта поверхность S.

Среднее по объему реактора значение функции w* в этом случае смешанных прямоугольных и полярных координат будет иметь вид:

На Фиг.2 при помощи эквилиний показано распределение величины в диаметральном (z=0) сечении реактора радиусом 50 мм и высотой 0,5λ=35 мм, полученное путем вычисления по (1), (3)-(5). Контур, для которого справедливо равенство w*_X,Y=1, является периметром сечения потока среды, внутри которого реализуется отличительный признак изобретения. Для сравнения на Фиг.3 аналогичным образом показано распределение величины, обратно пропорциональной эрозионному коэффициенту, полученное в соответствии с описанием прототипа для того же реактора. Площади сечений, ограничивающих поток, соотносятся как 0,883. То есть у прототипа часть потока среды (11,7% в сечении), например, в виде суспензии во время обработки, например, с целью эрозионного диспергирования твердых частиц фазы окажется за пределами сечения, в котором обеспечиваются необходимые и достаточные условия для достижения результата обработки.

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

При анализе этого отличительного признака не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к форме и размерам плоской диафрагмы. при помощи которой ограничивают поток обрабатываемой среды, с целью обеспечения необходимого и достаточного воздействия не него потенциальной энергии кавитации в процессах кавитационной эрозии и кавитолиза, в том числе в реакторах, у которых размер в направлении колебательных смещений частиц жидкой среды в акустической волне превышает половину длины этой волны.

На Фиг.1 схематично показан внутренний объем круглого в плане кавитационного реактора плоской волны с радиусом r. Литерой S обозначена видимая из произвольной точки А поверхность пучности давления в акустической волне. Начало координат помещено в геометрическом центре объема реактора.

На Фиг.2 эквилиниями показано распределение величины W*_X,Y в диаметральном сечении круглого в плане кавитационного реактора плоской волны радиусом 50 мм и высотой 0,5λ=35 мм, полученное путем вычисления по (1), (3)-(5). Контур (выделен жирной линией), для которого справедливо равенство w*_X,Y=1, является периметром сечения (заштриховано) потока среды, внутри которого реализуется отличительный признак изобретения.

На Фиг.3 эквилиниями показано распределение величины, обратно пропорциональной эрозионному коэффициенту в диаметральном (z=0) сечении круглого в плане кавитационного реактора плоской волны радиусом 50 мм и высотой 0,5λ=35 мм, полученное в соответствии с описанием прототипа. Контур (выделен жирной линией), на котором значение эрозионного коэффициента равно его среднему значению в объеме реактора, является периметром сечения (заштриховано) потока среды, внутри которого реализуется отличительный признак прототипа.

На Фиг.4 эквилиниями показано распределение величины w*_X,Y в диаметральном (z=0) сечении круглого в плане кавитационного реактора плоской волны радиусом r=40 мм и высотой 3λ=210 мм, полученное путем вычисления по (1), (3)-(5). Контур (выделен жирной линией), для которого справедливо равенство W*_X,Y=1, является периметром сечения (заштриховано) потока среды, внутри которого реализуется отличительный признак изобретения. Жирной пунктирной линией выделен признак изобретения. Жирной пунктирной линией выделен контур отверстия в плоской диафрагме, которая, будучи размещена в диаметральном сечении реактора, обеспечит достижение сформулированного выше технического результата. При этом она будет технологична в изготовлении, так как отверстие имеет более простую форму, нежели контур w*_X,Y=1.

На Фиг.5 в аксонометрии, видом, совмещенным с разрезом, показана конструкция кавитационного реактора плоской волны радиусом 40 мм и высотой 3λ=210 мм с диафрагмой, отверстие в которой выполнено в соответствии с формой пунктирной линии, изображенной на Фиг.4. Чертеж реактора является иллюстрацией к приведенному ниже примеру осуществления изобретения.

Изобретение может быть осуществлено следующим образом.

Пусть требуется пропустить, например, при помощи насоса для перекачки пищевых сред сквозь кавитационный реактор поток цельного молока с целью его бактерицидной обработки взамен пастеризации.

Для этого внутри кавитационного реактора при помощи источника стоячей акустических колебаний, состоящего из электроакустического преобразователя (конвертера) 1, акустического волноводного трансформатора (трансдукера) 2 и резонатора 3, внутри корпуса реактора 4 в потоке молока, пропускаемом сквозь реактор, который встроен в молокопровод посредством фланцев 5, устанавливают плоскую стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации.

Для получения технического результата среднее значение объемной плотности акустической мощности в однополуволновом эталонном реакторе должно быть равным 1,5 Вт/см³ [Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. - 173 с.].

Мощность такой плотности должна рассеиваться в каждом из полуволновых объемов стоячей волны в обрабатываемой среде. Ее величина может быть установлена путем подбора конвертера по электрической мощности при известном электроакустическом КПД η. Так, если η составляет 80% (с учетом потерь на внутреннее трение в конвертере, трансдукере, и резонаторе), то для реактора, изображенного на Фиг.5, мощность конвертера должна составлять:

Для этой цели подходит, например, BRANSON converter model 502/932R.

В соответствии с сущностью изобретения необходимо при помощи диафрагмы 6 установить внутри сечения, которое ограничивается отверстием в ней, плотность средней по времени потенциальной энергии кавитации не меньшее, чем ее среднее по объему реактора значение в отсутствие диафрагмы. Диафрагму изготавливают в соответствии с расчетом, результаты которого в графической форме показаны на Фиг.4, и устанавливают в диаметральном сечении реактора так, чтобы не препятствовать работе источника акустических колебаний.

Поток молока подается во внутренний объем реактора через один из патрубков 7, соединяемый посредством фланца 5 с молокопроводом, и выходит через другой. В реакторе под действием рассеиваемой акустической мощности в молоке возникает кавитация. Потенциальная энергия кавитации осуществляет воздействие, заключающееся в механическом разрушении оболочек микробных тел, что приводит к снижению их содержания. При этом, поскольку параметры процесса установлены из среднего значения плотности рассеиваемой акустической мощности, то в силу неравномерности распределения плотности потенциальной энергии кавитации в реакторе существуют области, где воздействие будет ниже, чем порог разрушения оболочек.

Часть потока, проходя через эти области, в отсутствие диафрагмы или с диафрагмой, имеющей отверстие произвольной формы, может остаться необеззараженной.

При наличии диафрагмы, ограничивающей поток сечением, выбранным в соответствии с сущностью изобретения, весь поток молока пройдет сквозь область, где плотность выделяемой потенциальной энергии кавитации не ниже ее среднего значения в реакторе в отсутствие диафрагмы. Поскольку оболочки микробных тел под воздействием кавитации разрушаются за несколько единиц или десятков периодов акустической волны, вызывающей кавитацию [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.], то даже кратковременное пребывание молока в плоскости диафрагмы обеспечивает достижение результата.

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.

Изобретение относится к ультразвуковой кавитационной дезинтеграции жидких сред. Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности, в том числе для обработки молока с целью его гомогенизации, обеззараживания и обогащения за счет диспергирования в нем вносимого извне белка, в том числе сухого, жира и других веществ. Поток среды с заданной скоростью пропускают через кавитационный реактор, в котором устанавливают стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации. В одной из плоскостей, параллельной колебательным смещениям частиц жидкой среды в акустической волне, поток ограничивают плоской диафрагмой. Внутри сечения, ограничивающего поток, плотность средней по времени потенциальной энергии кавитации устанавливают не меньшей, чем ее среднее по объему реактора значение в отсутствие диафрагмы. Технический результат состоит в повышении эффективности кавитационной обработки. 5 ил.

Способ кавитационной обработки потока жидкой среды, при котором этот поток с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в нем устанавливают стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации, а, как минимум, в одной из плоскостей, параллельной колебательным смещениям частиц жидкой среды в акустической волне, поток ограничивают при помощи плоской диафрагмы, отличающийся тем, что внутри сечения, ограничивающего поток, плотность средней по времени потенциальной энергии кавитации устанавливают не меньшей, чем ее среднее по объему реактора значение в отсутствие диафрагмы.