УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОМАССОЭНЕРГООБМЕНА Российский патент 2008 года по МПК B01J19/10 

Изобретение относится к устройствам для тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий в механо-физико-химических процессах превращения акустическим (например, ультразвуковым) способом.

Известны гидродинамические ультразвуковые излучатели с пластинчатыми и стержневыми резонансными колебательными устройствами, а также вихревые и роторно-пульсационные аппараты. Известны струйно-вихревые аппараты (инжекторы, вихревые трубы), в которых происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую с последующим тепломассоэнергообменом взаимодействующих сред.

Известно устройство для нагревания жидкости [патент РФ 2232630, 7 B01J 19/10, опубл. 20.07.04], в котором жидкость подается в полость вращающегося рабочего колеса и выпускается из полости через ряд выходных отверстий в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса в кольцевую камеру, а затем в сборную камеру при соблюдении определенных соотношений между частотой вращения рабочего колеса, радиуса периферийной стенки и резонансной частоты. К недостаткам этого устройства следует отнести сложность технической реализации, избирательность возбуждения, многофакторную зависимость резонансного возбуждения от геометрических, частотных параметров и ограниченную возможность использования этого устройства для проведения других тепломассоэнергообменных процессов.

Наиболее близким по технической сущности является устройство тепломассоэнергообмена [патент РФ 2268772, 7 B01J 19/10, 7 B01F 11/02, опубл. 27.01.2006], которое выполнено в виде двух и более вихревых труб, сообщенных между собой с помощью частичного пересечения их по образующим.

Однако это устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что при спиралеобразном движении вихревых потоков из-за их многократного пересечения снижается энергия акустического возбуждения, что в свою очередь приводит к снижению кавитационной деструкции агрегатного состояния продукта и снижает интенсивность тепломассоэнергообмена.

Технический результат, на который направлено предлагаемое изобретение, является усовершенствование устройства тепломассоэнергообмена по патенту РФ 2268772, а именно:

- увеличение мощности акустического вихревзаимодействия;

- концентрация энергии вихревого разрушения на выходе для обеспечения дополнительного резонансного возбуждения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве тепломассоэнергообмена, содержащем напорную продуктовую камеру, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения их по образующим и объединенные на выходе акустической камерой, вихревые трубы выполнены цилиндроконическими, расположены относительно друг друга под углом, обеспечивающим частичное пересечение между собой конусных частей вихревых труб по образующим их конусных полостей, и направлены конусными частями к акустической камере.

Расположение цилиндроконических вихревых труб под углом выполнено вокруг центральной оси, или вокруг осевой цилиндроконической вихревой трубы, или вокруг осевой цилиндрической трубы.

Дополнительно цилиндроконические вихревые трубы снабжены осевыми вытеснителями, выполненными в виде цилиндроконических стержней.

Кроме этого цилиндроконические вихревые трубы снабжены раздельными напорными камерами.

Практически цилиндроконические трубы представляют собой гидроциклоны, но отличаются от них тем, что осевое пространство, образующее воздушный столб при гидроциклонировании, занято вытеснителями, выполненными в виде цилиндрических или цилиндроконических стержней. Известно, что в любой точке гидроциклона движение жидкости может быть разложено на три составляющие:

- тангенциальную скорость Vt, направленную перпендикулярно радиусу вращения на горизонтальной плоскости;

- радиальную скорость Vr, направленную по радиусу;

- осевую или вертикальную Vv, направленную под прямым углом к Vt и Vr вдоль оси гидроциклона.

Известно также, что отношение , это означает, что поток жидкости в гидроциклоне движется по логарифмической спирали.

Тангенциальная скорость, согласно закону сохранения углового момента, увеличивается с уменьшением радиуса вращения. При этом произведение тангенциальной скорости на радиус имеет тенденцию сохранять постоянное значение, т.е. Vt·r=const, поэтому в конической части трубы наилучшим образом сохраняется величина центробежной силы, а это усиливает сдвиговые напряжения «трущихся» вихревых потоков в зоне частичного пересечения конических полостей цилиндроконических вихревых труб.

В результате этого происходит увеличение мощности акустического возбуждения и кавитационного эффекта. Вместе с тем все выходные концы цилиндроконических вихревых труб направлены в одну точку схождения осевых вихревых труб. Таким образом, происходит концентрация акустического и ультразвукового возбуждения, что при определенных гидродинамических режимах приводит к вторичному дополнительному резонансному возбуждению и более интенсивному воздействию на продукт, т.е. к более тонкому диспергированию и активизации молекулярных связей продукта.

Кроме этого аналогичный эффект можно получить сочетанием цилиндроконических и цилиндрических труб. При этом возможно их расположение в двух вариантах:

1 - цилиндроконические вихревые трубы расположены вокруг центральной цилиндрической трубы с возможностью частичного пересечения ее с коническими полостями цилиндроконических вихревых труб;

2 - цилиндроконические вихревые трубы расположены вокруг центральной цилиндроконической трубы с возможностью частичного пересечения ее с цилиндрическими полостями цилиндроконических вихревых труб.

Использование этих вариантов целесообразно для определенных продуктов со специфическими реологическими свойствами, так как предлагаемые варианты исполнения дают возможность получить другие эффективные спектры частот резонансного возбуждения.

Как дальнейшее развитие этих вариантов возможно осуществление одновременного ввода двух продуктов за счет организации раздельного ввода в центральную осевую и вокруг сопрягаемые вихревые трубы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет:

- получить эффективные спектры частот интенсивного резонансного возбуждения;

- произвести эффективное разрушение вихрей в малом замкнутом пространстве совместно с дополнительным резонансным возбуждением продукта;

- увеличить интенсивность звукового излучения.

Эти и другие особенности предлагаемого изобретения будут понятны из нижеследующего описания примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей, на которых представлено:

фиг.1 - условное изображение устройства с двумя вихревыми трубами;

фиг.2 - вид сверху устройства по фиг.1;

фиг.3 - вид сверху устройства с тремя вихревыми трубами;

фиг.4 - вид сверху устройства с четырьмя вихревыми трубами;

фиг.5 - условное изображение устройства с двумя вихревыми трубами, расположенными вокруг осевой цилиндроконической трубы с однопоточным вводом продукта;

фиг.6 - вид сверху устройства по фиг.5;

фиг.7 - устройство по фиг.5 с двухпоточным раздельным вводом продуктов;

фиг.8 - вид сверху устройства с четырьмя вихревыми трубами;

фиг.9 - вид сверху устройства с пятью вихревыми трубами;

фиг.10 - условное изображение устройства с осевой цилиндрической вихревой трубой и сопрягаемыми с ней цилиндроконическими вихревыми трубами;

фиг.11 - устройство по фиг.10 с двухпоточным раздельным вводом продуктов;

фиг.12 - условное изображение устройства с осевой цилиндроконической вихревой трубой и сопрягаемыми с ней цилиндрическими вихревыми трубами;

фиг.13 - устройство по фиг.12 с двухпоточным раздельным вводом продуктов;

фиг.14 - условное изображение устройства с двухпоточным вводом продуктов в каждую трубу.

На чертеже фиг.1 и фиг.2 условно изображено устройство, состоящее из напорной продуктовой камеры 1, вихревого блока 2, содержащего в себе цилиндроконические вихревые трубы 3, расположенные под углом относительно друг друга и частично пересекаемые своими коническими полостями по образующим, завихрителей 4 с винтовыми пазами, осевых цилиндроконических вытеснителей 5 и выходной акустической камеры 6.

Вихревой блок 2 может быть модифицирован, как показано на фиг.3 и фиг.4. Устройство конструктивно может иметь и другие варианты исполнения (фиг.5, фиг.6), в которых по оси расположена центральная аналогичная цилиндроконическая вихревая труба 3 с завихрителями 4 и осевыми вытеснителями 5. На фиг.7 введена дополнительная напорная камера 7, которая разделена с продуктовой напорной камерой 1. Вихревые блоки в этом случае могут быть выполнены, как показано на фиг.6, фиг.8, фиг.9.

Другой вариант исполнения устройства показан на фиг.10 и фиг.11, в котором по центральной оси расположена цилиндрическая вихревая труба 8 с цилиндрическим вытеснителем 9, при этом цилиндроконические вихревые трубы 3, сопрягаемые своими коническими полостями с цилиндрической вихревой трубой 8 могут быть расположены, как показано на фиг.6. фиг.8, фиг.9, или по иной конфигурации.

Еще один вариант исполнения устройства представлен на фиг.12 и фиг.13, в котором по центральной оси расположена цилиндроконическая вихревая труба 3 с цилиндроконическим вытеснителем 5, а вокруг нее, как на фиг.6, фиг.8, фиг.9, расположены цилиндрические вихревые трубы 8 с цилиндрическими вытеснителями 9, сопрягаемые своими полостями с цилиндроконической вихревой трубой путем частичного пересечения.

Вариант устройства по фиг.14, в отличие от предыдущих, содержит по оси центральную напорную камеру 10, цилиндроконические вихревые трубы 11 с тангенциальными пазами 12 и крышкой 13. Такое конструктивное решение позволяет осуществить совместный ввод двух продуктов в одну вихревую трубу.

Для описания работы устройства, в качестве примера, рассмотрим вариант исполнения устройства, представленный на чертежах фиг.1 и фиг.2. Продукт под давлением поступает в продуктовую напорную камеру 1, попадает в одинаковые каналы завихрителей 4 и тангенциально под углом к нарезке винтовых каналов завихрителей 4, вращаясь по спиралеобразной траектории, формирует в цилиндрической части цилиндроконических вихревых труб 3 раздельные вихревые потоки, вращающиеся в одном направлении. Сформировавшиеся вихревые потоки переходят в конические части цилиндроконических вихревых труб 3, которые сообщены друг с другом путем частичного пересечения их по образующим, и начинают взаимодействовать встречно вращающимися потоками. Происходит «трение» вихревых потоков боковыми поверхностями. Ввиду того, что «трение» вихревых потоков происходит в конических полостях, то интенсивность акустических колебаний сохраняется на всем протяжении конической части цилиндроконических вихревых труб, так как центробежные силы вращающегося продукта, которые определяют величину сдвиговых деформаций взаимодействующих вихревых потоков, имеют тенденцию сохранять свое постоянное значение. Этому способствуют цилиндроконические вытеснители 5, которые не дают возможности возникновения обратных потоков, характерных при гидроциклонировании. На выходе из конических полостей цилиндроконических вихревых труб вихревые потоки разрушаются в направлении вершин конусов, т.е. происходит направленная концентрация кинетической энергии, которая приводит к дополнительному резонансу в выходной акустической камере 6.

Аналогичным образом происходит акустическое возбуждение и в других вариантах исполнения предлагаемого устройства по фиг.5, фиг.10, фиг.12, с той лишь разницей, что в этих конструкциях конические части цилиндроконических вихревых труб частично пересечены с цилиндрическими вихревыми трубами по более сложным кривым, образуя зоны пересечения более сложной формы, создавая тем самым дополнительные спектры резонансного возбуждения.

Отличительной особенностью вариантов исполнения устройства, показанных на фиг.7, фиг.11, фиг.13, является то, что в них осуществлен раздельный ввод двух продуктов, в остальном вихревое взаимодействие происходит аналогичным образом.

Вариант исполнения по фиг.14 отличается тем, что ввод двух продуктов осуществлен не в отдельные вихревые трубы, а в каждую, т.е. в любую вихревую трубу поступает два компонента.

Узлы и детали описанного устройства могут быть изготовлены на обычном оборудовании, что соответствует промышленной применимости изобретения.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство позволяет усилить акустическое возбуждение и сконцентрировать мощность акустического воздействия на продукт в ограниченном пространстве, тем самым интенсифицировать тепломассоэнергообмен.

Изобретение относится к устройствам для тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий в механо-физико-химических процессах превращения акустическим (например, ультразвуковым) способом. Устройство содержит напорную продуктовую камеру, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения по образующим и объединенные на выходе акустической камерой. Вихревые трубы выполнены цилиндроконическими, расположены друг относительно друга под углом, направлены конусными частями к акустической камере. Технический результат состоит в усилении акустического вихревзаимодействия и концентрации энергии вихревого разрушения на выходе устройства, что позволяет интенсифицировать тепломассоэнергообмен. 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Устройство тепломассоэнергообмена, содержащее напорную продуктовую камеру, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения их по образующим и объединенные на выходе акустической камерой, отличающееся тем, что вихревые трубы выполнены цилиндроконическими, расположены относительно друг друга под углом, обеспечивающим частичное пересечение между собой конусных частей вихревых труб по образующим их конусных полостей, и направлены конусными частями к акустической камере.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расположение цилиндроконических вихревых труб под углом выполнено вокруг центральной оси, или вокруг осевой цилиндроконической вихревой трубы, или вокруг осевой цилиндрической трубы.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что цилиндроконические вихревые трубы снабжены осевыми вытеснителями, выполненными в виде цилиндроконических стержней.4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что цилиндроконические вихревые трубы снабжены раздельными напорными камерами.