СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК B01F11/02 

Изобретение относится к устройствам для приготовления суспензий, эмульсий, растворов, разрушения взвешенных фаз, интенсификации химических реакций путем воздействия на жидкость энергией акустического излучения, главную роль при этом играет кавитация, возникающая в жидкости. Изобретение может быть использовано в энергетике, на транспорте, в горнорудной, нефтедобывающей, химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной отраслях промышленности.

Известна конструкция кавитационного реактора [1], в котором система, состоящая из излучателя, кавитационной камеры и отражателя-резонатора, работает в режиме резонанса и стоячей волны, а расстояние между излучающей и отражающей поверхностями, ограничивающими кавитационную камеру, равно С/f=λ, где С - скорость звука в обрабатываемой жидкости, f - частота колебаний, λ - длина волны. Излучающая и отражающая поверхности при этом находятся в пучностях амплитуды стоячей волны. Такой режим работы позволяет наиболее эффективно использовать энергию акустического поля, а также свести к минимуму кавитационное разрушение поверхности излучателя и, как следствие, свести к минимуму переход материала излучателя в обрабатываемый раствор.

Известно, что скорость звука в жидкостях зависит от температуры, поэтому при изменении температуры поступающей в смеситель жидкости, изменится и длина волны акустических колебаний. Поэтому, если жидкость, поступающая в смеситель, хранится в емкостях, расположенных на открытом воздухе, даже суточные колебания температуры которого достигают десятков градусов, эффективность работы указанного кавитатора в таких условиях будет далека от наилучшей.

Известны конструкции установок [2], в которых для поддержания резонанса в системе и соответственно сохранения стоячей волны при изменяющихся условиях работы отражатель выполнен подвижным и перемещается при помощи специального привода. Однако наличие привода для перемещения отражателя не только усложняет конструкцию и эксплуатацию, но и снижает надежность, а в некоторых случаях и безопасность работы смесителей, например, в случае смешивания горючих и взрывоопасных жидкостей.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что отражатель-резонатор, расположенный во внутреннем объеме корпуса смесителя, укреплен на термоупругодеформируемом подвесе, внутренняя полость подвеса заполнена рабочим веществом с температурным коэффициентом расширения α, а размер этой полости в направлении деформирования при температуре, принятой за начальную, определяется из выражения L₀=β/αf, где β - температурный коэффициент скорости звука в обрабатываемой жидкости, f - частота акустических колебаний.

Поскольку температурный коэффициент скорости звука и температурный коэффициент расширения у металлов значительно меньше, чем у жидкостей, то влиянием изменения размеров металлических элементов системы излучатель -рабочая камера - резонатор на стоячую волну и резонанс можно пренебречь, а для обеспечения режима наиболее эффективной работы смесителя достаточно, чтобы расстояние между поверхностями излучателя и отражателя в рабочей камере поддерживалось равным С_t/f, где C_t - скорость звука в жидкости при той температуре, какую она имеет в рабочей камере смесителя в данный момент времени.

На фиг.1 схематично представлена конструкция предлагаемого смесителя для жидкостей с отрицательным температурным коэффициентом скорости звука, на фиг.2 - узел крепления резонатора смесителя для жидкостей с положительным температурным коэффициентом скорости звука.

Смеситель (фиг.1) состоит из корпуса 1 с рабочей камерой 2, ограниченной с боков стенками корпуса, снизу - излучающей поверхностью 3, а сверху - отражающей поверхностью 4. Отражающая поверхность 4 принадлежит резонатору 5 высотой C_p/2f, где С_р - скорость звука в материале резонатора с резонансной частотой f, равной частоте магитострикционного излучателя 6 с волноводом 7. Резонатор с противоположной от отражающей поверхности 4 укреплен к термоупругодеформируемому подвесу 8, представляющему собой, например, сильфон, заполненный рабочим веществом 9 (жидкость или газ) с температурным коэффициентом объемного расширения α. Подвес 8 с противоположной стороны соединен с фланцем 10 при помощи регулировочного винта 11. Для подвода обрабатываемых сред в рабочую камеру служат патрубки 12 и 13, отвод производится через патрубок 14.

Работает устройство следующим образом.

Посредством патрубков 12 и 13 в рабочую камеру 2 вводятся основная жидкость и дополнительные ингредиенты при температуре, например t₀, длина упругодеформируемого подвеса 8 при этом будет равна L₀.

От магнитострикционного излучателя 6 посредством волновода 7 через излучающую поверхность 3 в жидкость, заполняющую рабочую камеру, вводится акустическая волна. Расстояние между излучающей и отражающей поверхностями равно при этом С_t0/f, где С_t0 - скорость звука в жидкости, заполняющей камеру при температуре t₀ (устанавливается вращением регулировочного винта 11). В таком случае в акустической системе, состоящей из излучателя 6 с волноводом 7, столба жидкости между излучающей поверхностью 3 и отражающей поверхностью 4 и резонатора 5, устанавливаются резонансные колебания и стоячая волна, т.е. режим наиболее эффективного развития кавитации, производящей полезную работу.

Скорость звука в жидкостях зависит от температуры [3] и определяется известным выражением

где Δt - разность температур.

При изменении температуры поступающей в смеситель жидкости изменится в ней и скорость звука, и прежнее расстояние между поверхностями 3 и 4 уже не будет отвечать условиям резонанса.

Изменение температуры поступающей жидкости вызовет и изменение температуры рабочего вещества 9, заполняющего внутреннюю полость сильфона упругодеформируемого подвеса 8, что в свою очередь вызовет изменение его длины в направлении деформирования в соответствии с выражением

Примечание: Выражение (2) получено расчетом объема сильфона через эффективное сечение [4].

Подавляющее большинство жидкостей имеют отрицательный температурный коэффициент скорости звука, поэтому для таких жидкостей с ростом температуры величина C/f будет уменьшаться. При нагревании же рабочего вещества 9 длина сильфона будет увеличиваться, уменьшая расстояние между поверхностями 3 и 4. Из выражений (1) и (2) нетрудно определить, что если высота внутренней полости подвеса 8, занимаемая рабочим веществом при температуре t₀, принятой за начальную, будет отвечать условию

то температурные изменения длины подвеса будут автоматически поддерживать расстояние между излучающей и отражающей поверхностями рабочей камеры равным C/f при любой температуре, т.е. смеситель будет работать в режиме наиболее эффективного использования энергии акустического поля.

Формулировка отличительных признаков изобретения не исключает и тот случай, когда в смесителе будут обрабатываться жидкости с положительным температурным коэффициентом скорости звука. Узел подвеса резонатора такого смесителя представлен на фиг.2. Резонатор 5 в этом случае крепится к противоположному по отношению к нему торцу сильфона подвеса 8, а к регулировочному винту 11 сильфон крепится за торец, обращенный в сторону резонатора. В этом случае при повышении температуры поступающей в смеситель жидкости величина C_t/f будет увеличиваться, т.е. расстояние между излучающей и отражающей поверхностями должно расти. Увеличение этого расстояния и будет выполнять увеличение длины сильфона подвеса, представленного на фиг.2. Таким образом, если размер подвеса соответствует условию (3), то условие сохранения резонанса и стоячей волны в смесителе при изменении температуры будет сохраняться и здесь.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не является из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствию критерию «новизна».

Сущность заявляемого изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Возможность использования заявляемого изобретения в отечественной промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

Резонатор, укрепленный на упругодеформируемом подвесе, заполненном рабочим веществом с коэффициентом температурного расширения α, с размером внутренней полости, занимаемой рабочим веществом в направлении деформирования равной L₀=β/αf, позволяет повысить производительность работы смесителя путем изменения расстояния между излучающей и отражающей поверхностями в рабочей камере смесителя при изменении температуры обрабатываемой жидкости, поддерживая его равным C/f, повысить надежность работы, а также упростить конструкцию и эксплуатацию смесителя.

Библиографические данные

1. RU 2254912, 27.06.2005.

2. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника. - М: ИИЛ, 1958. (На стр.181).

3. Бергман Л. Ультразвук.

4. Сильфоны. Расчет и проектирование. Под ред. Андреевой Л.Е. - М.: Машиностроение, 1975.

Изобретение относится к устройствам для приготовления суспензий, эмульсий, растворов, разрушения взвешенных фаз, интенсификации химических реакций путем воздействия на жидкость энергией акустического излучения. Рабочая камера смесителя ограничена с одной стороны излучающей поверхностью, а с другой стороны отражающей поверхностью, принадлежащей резонатору. Резонатор расположен во внутреннем объеме корпуса смесителя и укреплен на термоупругодеформируемом подвесе. Внутренняя полость подвеса заполнена рабочим веществом с температурным коэффициентом расширения α Размер этой полости в направлении деформирования при температуре, принятой за начальную, определяют из выражения L_o=β/αf, где β - температурный коэффициент скорости звука в обрабатываемой жидкости, f - частота акустических колебаний. Технический результат состоит в повышении производительности смесителя при изменении температуры обрабатываемой жидкости. 2 ил.

Смеситель для обработки жидкостей, включающий заполненный обрабатываемой жидкостью объем, ограниченный в направлении распространения акустических колебаний излучающей акустические колебания поверхностью и отражающей поверхностью, принадлежащей твердотельному резонатору, отличающийся тем, что резонатор укреплен на термоупругодеформируемом подвесе, внутренняя полость подвеса заполнена рабочим веществом с температурным коэффициентом расширения а, а размер этой полости в направлении деформирования при температуре, принятой за начальную, определяется из выражения L_o=β/αf, где β - температурный коэффициент скорости звука в обрабатываемой жидкости, f - частота акустических колебаний.