СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕКУЧИХ СРЕДАХ Российский патент 2008 года по МПК F24J3/00 

Предложение относится к способам повышения интенсивности физико-химических процессов в жидких, газовых, парожидкостных и газо-жидкостных многофазных средах, парогазовых и газовых текучих средах, в том числе и при кавитационно-вихревом воздействии на жидкости, что может быть использовано в химии, нефтехимии, энергетике и других отраслях промышленности.

Широко известны способы колебательного энергетического воздействия на жидкую, газовую, одно- или многофазную среды, например, путем формирования в ней акустических волн давления, например, ультразвукового диапазона, и/или периодических электростатических, электромагнитных воздействий переменного напряжения или частоты, с целью достижения резонансного возбуждения молекул среды и, тем самым, повышения интенсивности протекающих в текучей среде физико-химических и энергетических процессов.

В частности, способ электростатического и/или электромагнитного воздействия на рабочую среду реализован в теплогенераторе кавитационного типа по патенту РФ №2224957 и патенту № РФ 2201561; способ воздействия на рабочие параметры рабочей среды, определяющие ее динамические свойства (интенсифицирующие колебания давления в кавитирующей текучей среде в диапазоне резонансных частот молекул или взаимодействующих между собой групп молекул), предложен в патенте РФ №2212597; способ гидродинамического (акустического) воздействия на среду за счет регулировании собственной частоты встроенного в теплогенератор резонатора реализован в патенте № РФ 2201561 С2 - прототипы.

Как правило, при кавитационно-вихревом течении жидкости и парожидкостной среды формируется широкий спектр частот акустического, электростатического и электромагнитного характера, энергетически воздействующих на молекулы рабочей среды и межмолекулярные связи, что и определяет широкую область применения кавитационно-вихревых устройств. В тех случаях, когда при этих процессах имеют место энергетические воздействия на резонансных частотах (т.е. при равном или кратном Р/К соотношении частот i-ой собственной частоты молекулы или взаимосвязанной группы молекул К и частоты Р внешнего возбуждающего энергетического воздействия, здесь Р и К - любые целые положительные числа), особенно резко повышается энерговыделение, разрушаются и вновь образуются новые молекулярные связи, интенсифицируются химические реакции.

Недостатком известных способов является трудность регулярного и достаточного по амплитуде и продолжительности действия получения частоты энергетического воздействия строго (идеально) соответствующей по меньшей мере одной из резонансных частот, например, молекулы воды, что ограничивает возможности интенсификации рабочих процессов в жидких (текучих), парогазовых и газообразных средах.

Поскольку колебательные процессы в молекулах жидкой (газовой, паровой) среды происходят практически с отсутствием потерь энергии, то амплитудно-частотная характеристика среды имеет вид вертикальных линий на значениях идеальных величин (т.е. имеющих место в действительности) собственных частот. В этой связи получение резонансных режимов за счет внешних технических источников возбуждения текучей среды (не могущих идеально точно задать действительно требуемую резонансную частоту) носит случайный характер и, например, стабильно высокое энерговыделение, в теплогенераторах кавитационно-вихревого типа (где рабочие параметры жидкой среды по давлениям, температурам, средней плотности могут варьироваться в широких пределах) требует сложной настройки режимов, выполнения постоянной коррекции рабочих параметров «возбуждающей» установки и большого практического опыта эксплуатации этих устройств.

Цель преложенного способа обеспечить стабильность практической реализации высокоинтенсивных резонансных технологий, направленных на повышение интенсивности физико-химических процессов в жидких, паровых, газовых, многофазных текучих средах, в том числе и преимущественно при кавитационно-вихревом воздействии на жидкости, когда молекулы жидкости уже в значительной мере возбуждены по многим степеням их подвижности за счет действия широкого спектра энергетических колебательных воздействий, имеющих место при кавитационных и вихревых процессах в ней.

Поставленная задача решается тем, что: в способе повышения интенсификации физико-химических процессов в текучих средах, в том числе при кавитационно-вихревом воздействии на них, создающем широкий спектр колебательного разнообразного по виду энергетического воздействия на молекулы среды, в потоке текучей среде создают возмущающее колебательное энергетическое воздействие с частотой, равной по меньшей мере одной теоретической резонансной частоте молекул или взаимосвязанных групп молекул среды, частоту этого возмущающего воздействия периодически плавно изменяют в обе стороны от теоретического значения резонансной частоты, с частотой модулирующего воздействия по меньшей мере на порядок меньшей, чем теоретическая резонансная частота молекул или взаимосвязанных групп молекул данной среды.

Модулирующее воздействие осуществляют периодическим изменением внешних механических (акустических) и/или электростатических, электромагнитных возмущающих воздействий на рабочую среду и/или ее рабочих параметров, изменяющих ее динамические резонансные свойства.

Амплитуду модулирующего колебательного воздействия и/или его частоту регулируют посредством экстремального регулятора.

Таким образом, согласно данному способу, например, при акустическом возмущающем воздействии на среду посредством резонаторов Гельмгольца или Гертмана их настраивают на генерирование колебаний давления в среде на выбранной теоретической резонансной частоте, а затем любым известным устройством производят периодическое модулирующее изменение по времени его рабочего параметра (длины, объема, плотности среды) с модулирующей частотой по меньшей мере на порядок меньшей выбранной резонансной частоты, соответствующей i-ой собственной частоте молекулы или взаимосвязанной группы молекул. Причем частота указанного периодического изменения, т.е. частота модулирующего воздействия (изменяющего частоту выбранного теоретического значения резонансной частоты - возмущающего воздействия в обе стороны относительно заданной резонансной частоты), устанавливается по меньшей мере на порядок меньшей резонансной частоты, которую предпочтительно следует выбирать равной i-ой собственной частоте молекулы или взаимосвязанной группы молекул.

Амплитуда этого модулирующего воздействия, т.е. диапазон изменения генерируемой резонатором частоты, определяется погрешностями расчета теоретического значения собственной частоты, погрешностями реализации энергетических возмущений и возможностью изменения i-ой собственной частоты молекулы или взаимосвязанной группы молекул при изменении амплитуды колебания (нелинейностью колебательной системы), влиянием на собственную частоту (рабочих) параметров кавитационно-вихревого генератора и/или рабочих параметров текучей среды.

Аналогично, при использовании электрических высоковольтных разрядников или электромагнитных колебательных систем, например, СВЧ генераторов, также задается модулирующая вариация генерируемой частоты энергетических воздействий в обе стороны относительно выбранной резонансной частоты за счет управления влияющими на частоту разрядов или волнового электромагнитного излучения рабочими параметрами генераторов этого типа.

При кавитационных процессах в теплогенераторах различного технического исполнения величина частоты модулирующего воздействия может дополнительно задаваться периодическим изменением оборотов ротора теплогенератора, созданием в полостях теплогенератора колебаний давления, изменяющих собственную частоту встроенных резонаторов при течении двухфазной среды и т.п., т.е. периодическим изменением внешних механических (акустических) и/или электростатических, электромагнитных воздействий на рабочую среду и/или ее рабочие параметры, определяющие ее динамические - резонансные свойства, таким образом, чтобы колебания генерируемых энергетических возмущений имели место относительно по меньшей мере одного выбранного теоретического значения резонансной частоты молекул текучей среды.

Выбор 1-ой собственной частоты молекулы или взаимосвязанной группы молекул определяется решаемой задачей, например, при желании получения легких фракций топлива из тяжелой нефти выбираются частоты, обеспечивающие наименее энергетически затратный технологический процесс, а при разложении воды - частоты, характеризующие частоту свободных колебаний атомов водорода относительно атома кислорода и т.п.

Возможности управления частотой широко известны в науке и технике и следуют, например, из конструктивных решений указанных выше технических решений теплогенераторов, имеющих возможность перезадавать частоту энергетического возмущающего воздействия на протекающий поток текучей среды.

Наивысшие результаты могут быть достигнуты, когда амплитуда модулирующего воздействия и/или его частота регулируются посредством экстремального регулятора по выбранной целевой функции, например, скорости протекания или производительности ведущегося технологического процесса.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для интенсификации технологических процессов. Способ повышения интенсификации физико-химических процессов в текучих средах, в том числе при кавитационно-вихревом воздействии на них, включает создание возмущающего колебательного энергетического воздействия на поток текучей среды с частотой, равной, по меньшей мере одной теоретической резонансной частоте молекул или взаимосвязанных групп молекул среды, при этом частоту возмущающего воздействия периодически плавно изменяют в обе стороны от теоретического значения резонансной частоты, с частотой модулирующего воздействия по меньшей мере на порядок меньшей, чем теоретическая резонансная частота молекул или взаимосвязанных групп молекул данной среды. При этом модулирующее колебательное воздействие осуществляют периодическим изменением внешних механических (акустических) и/или электростатических, электромагнитных воздействий на рабочую среду и/или ее рабочих параметров, изменяющих ее динамические - резонансные свойства, амплитуду модулирующего колебательного воздействия и/или его частоту регулируют посредством экстремального регулятора. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ повышения интенсификации физико-химических процессов в текучих средах, в том числе при кавитационно-вихревом воздействии на них, создающем широкий спектр колебательного энергетического воздействия на молекулы среды, отличающийся тем, что в потоке текучей среде создают возмущающее колебательное энергетическое воздействие с частотой равной, по меньшей мере, одной теоретической резонансной частоте молекул или взаимосвязанных групп молекул среды, частоту этого возмущающего воздействия периодически плавно изменяют в обе стороны от теоретического значения резонансной частоты, с частотой модулирующего воздействия, по меньшей мере, на порядок меньшей, чем теоретическая резонансная частота молекул или взаимосвязанных групп молекул данной среды.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модулирующее воздействие осуществляют периодическим изменением внешних механических (акустических) и/или электростатических, электромагнитных возмущающих воздействий на рабочую среду и/или ее рабочих параметров, изменяющих ее динамические - резонансные свойства.3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что амплитуду модулирующего колебательного воздействия и/или его частоту регулируют посредством экстремального регулятора.