СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ В ПОТОКЕ И КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК C02F1/36 

Изобретение относится к области способов снижения временной жесткости воды, используемой в качестве жидкого теплоносителя или изменяющего агрегатное состояние агента в системах теплопередачи, включающих различного рода теплообменные аппараты и котлы, а также к устройствам для осуществления этих способов и имеет целью предотвращение образования накипи на стенках теплообменного оборудования и трубопроводов горячей воды.

Изобретение также может быть использовано в пищевой промышленности, с целью умягчения и стерилизации воды, предназначенной стать компонентом пищевых продуктов, полуфабрикатов и сырья.

Известны термические способы умягчения воды, основанные на эффекте так называемой обратной растворимости карбоновых солей жесткости, заключающиеся в их переводе в нерастворимую форму под действием тепла, последующем отфильтровывании либо осаждении образующейся коллоидной фазы. Их осуществляют путем нагрева воды, например, посредством смешивания ее с перегретым паром в объеме сыпучих нерастворимых материалов типа кварцевого песка, способствующих коагуляции и задерживанию осадка [RU 2166690, 2001; RU 2225848, 2003; RU 2337886, 2008]. Они связаны со значительными затратами энергии на нагревание всей массы умягчаемой воды вместе со всей массой обладающих, как правило, большой теплоемкостью фильтрующих материалов.

Известно химическое реагентное умягчение, основанное на добавлении в воду химикатов, например соды или гашеной извести [1]. При этом соли жесткости также переходят в нерастворимое состояние и выпадают в осадок. Такой способ без дополнительной последующей очистки воды от остатков реагентов и продуктов химических реакций нельзя применить, например, в пищевой промышленности при обработке воды, предназначенной стать частью пищевого продукта.

Существуют химические же ионообменные способы [RU 2246448, 2005], использующие эффект поглощения катионов образующих нерастворимые соли кальция и магния специальными ионообменными смолами и замещения их ионами натрия и водорода, которые нерастворимых соединений не образуют [1]. Их осуществляют в процессе пропускания воды через наполненные гранулированными смолами ионообменные аппараты. Способ, основанный на обмене ионов, требует больших затрат на обслуживание, заключающееся в трудоемкой и связанной с использованием дополнительных химикатов регенерации смол и применяется либо при относительно небольших объемах обрабатываемой воды, например, для бытовых нужд, либо при периодическом его использовании, например, при подготовке воды, служащей теплоносителем, в том числе изменяющим агрегатное состояние, в теплообменных системах замкнутого типа.

Известны также так называемые безреагентные способы, к которым относятся электрохимические, включая электродиализ [RU 2190572, RU 2297981, 2007], мембранные или обратноосмотические [RU 2286840, 2006; RU 2246448, 2005] и магнитная обработка воды [RU 2299754, 2007; RU 2335726, 2008]. Все они лишены селективности, поэтому вместе с солями жесткости удаляют и другие растворенные в воде вещества, что нежелательно, например, в перерабатывающей и пищевой промышленности, где требуется сохранять определенный уровень естественной минерализации воды, чтобы получать полноценные по минеральному составу пищевые продукты [2]. Кроме того, электрохимические способы, например, не могут быть осуществлены при произвольном значении исходной электрической проводимости воды и требуют предварительного искусственного регулирования содержания в ней электролитов, а также могут загрязнять воду и оборудование продуктами электродных реакций. Мембранные способы связаны с большим расходом фильтрующего материала. Магнитная же обработка низкоэффективна и нестабильна по получаемым результатам [3].

Известны комбинированные способы безреагентной обработки воды, использующие воздействие на воду распространяемым в ней ультразвуком, например, объединяющие акустическое и магнитное [RU 2312290, 2006], акустическое и электрохимическое [RU 2158235, 2000] или акустическое и радиационное воздействие в ультрафиолетовой области спектра, широко используемое при обеззараживании [RU 2006146765, 2008]. Все они по одному из факторов обладают перечисленными выше недостатками, а акустический фактор в них играет вспомогательную роль, например, при ультрафиолетовой стерилизации воды он используется главным образом для предотвращения образования отложений на иллюминаторах, через которые производится облучение, могущих возникать вследствие фотохимических реакций.

Однако известны и способы, в которых для снижения временной жесткости воды используется только энергия ультразвуковых колебаний. По уровню используемой акустической мощности их можно разделить на способы, где интенсивность излучаемого в воду ультразвука не превышает кавитационного порога в ней, и где в воде возникает акустическая кавитация, трансформирующая энергию упругой волны в энергию испускаемых кавитационными пузырьками импульсов давления. К первым относится известный более полувека способ озвучивания пространства водогрейных котлов посредством закрепленных снаружи источников ультразвуковых колебаний - электроакустических преобразователей [4]. Современные аналоги этого способа и устройств для такого рода озвучивания, в том числе колебаниями, передаваемыми посредством самих стенок теплообменного оборудования, описаны в технической литературе, а в патентной литературе практически отсутствуют, очевидно, благодаря инвариантности их осуществления и широкой известности из обзора технических применений ультразвука, сделанного в середине прошлого века Л.Бергманом и опубликованного во многих странах [5]. Принцип акустических докавитационных способов предотвращения образования накипи основан на возбуждении в уже нагретой воде маломощных ультразвуковых колебаний. Под действием этих колебаний соли жесткости легче кристаллизуются непосредственно в толще воды, чем на твердых стенках оборудования, особенно если последние совершают изгибные колебания, препятствующие образованию на них стабильных центров кристаллизации. Продукты объемной кристаллизации представляют собой взвешенную в воде мелкодисперсную твердую фазу, которая или уносится потоком, или осаждается и может быть легко удалена механически. Излучатели ультразвука крепят к наружным поверхностям котла или теплообменника в определенных точках и располагают на них определенным образом [3, 6].

Известны относящиеся ко вторым способы воздействия, в которых кроме энергии гармонических ультразвуковых волн, распространяемых в воде, используют еще и энергию акустической кавитации [7], возникающей в упругих волнах при преодолении амплитудой звукового давления некоего свойственного воде при любых конкретных физических условиях кавитационного порога. Здесь эффект достигается за счет надтеплового механизма перевода растворимых бикарбонатов в нерастворимую карбонатную форму. Механизм реакций основан на разрушении распространяющимися в воде импульсами давления от кавитации гидратных оболочек растворенных и существующих в виде ионов бикарбонатов Ca(HCO)₂ и Mg(HCO₃)₂, то есть на дегидратации ионов, и стимулировании тем самым перехода этих солей жесткости в аморфную коллоидную форму CaCO₃ и MgCO₃, которая может существовать в горячей воде, не кристаллизуясь и не образуя инкрустирующих отложений на твердых стенках. Способ осуществляют не в объеме теплообменных аппаратов, а устанавливая ультразвуковые излучатели перед ними на водопроводных трубах, по которым к ним подается вода [8]. Таким образом, участки труб с установленными на них источниками ультразвуковых колебаний по определению представляют собой кавитационные реакторы проточного типа [9], к конструкции которых можно предъявлять особые требования и обеспечивать выполнение этих требований.

Из запатентованных в РФ известны способы обработки различных жидкостей, включая воду, в потоке энергией кавитации при заданной объемной плотности мощности вызывающих ее акустических колебаний и реакторы для их осуществления [RU 2226428, 2004; RU 2228217, 2004], которые могут быть использованы, в том числе, и для снижения карбонатной жесткости. Они рассчитаны на обработку жидкостей с широким спектром физико-химических, в частности акустических, свойств и поэтому к ним не предъявляются конкретные требования по уровню трансформируемой на кавитации энергии, позволившие бы обеспечить нужный эффект умягчения безусловно. Это препятствует их использованию для гарантированного получения сформулированного ниже технического результата изобретения без проведения дополнительных исследований и введения дополнительных условий их использования с этой целью.

Известен способ обработки водных растворов электролитов, то есть веществ, легко диссоциирующих в воде на ионы [RU 2308319, 2007], где интенсивность вызывающего кавитацию ультразвука имеет инвариантное по отношению к содержанию электролита в растворе значение, то есть при любом его содержании превышает порог, выше которого величина выделяемой за период ультразвука потенциальной энергии кавитации практически остается постоянной, так как достигает известного физического предела, существующего для кавитации, действующей в одной упругой волне [10]. Эффект умягчения основан на переформировании гидратных оболочек ионов растворенных электролитов и разрушении молекулярных кластеров воды, то есть повышении диссоциирующей способности воды за счет временного перевода ее в мономолекулярное состояние [11]. Таким образом, он тот же самый, что и при разрушении гидратных оболочек ионов, составляющих растворимые бикарбонаты, и стимулировании перехода карбоновых солей в нерастворимую форму, который используется для снижения временной жесткости. Этот способ, который принят за прототип, описан в качестве примера реализации непараметрического усиления кавитации с помощью специально предназначенного для этого реактора с фазовым управлением источниками ультразвука [RU 2286205, 2006], который, как будет показано ниже, лучше всего подходит в качестве прототипа реактора.

Известный факт существования для каждой жидкости, обладающей определенными акустическими свойствами и находящейся в определенных внешних условиях, физического предела потенциальной составляющей трансформируемой на кавитации энергии, не позволяющий без фазового управления несколькими действующими в пространстве воды независимыми друг от друга упругими гармоническими волнами усилить эффект безреагентного ультразвукового умягчения, и является обстоятельством, которое препятствует достижению сформулированного ниже технического результата изобретения.

Сущность изобретения в части, касающейся способа, заключается в следующем. Известно, что кавитацию можно усилить, не изменяя физических параметров жидкости, путем фазового управления несколькими действующими в ее объеме независимо друг от друга ультразвуковыми волнами одинаковой частоты, то есть осуществить так называемое непараметрическое усиление многопузырьковой кавитации [12] с максимумом в заданной части объема жидкости за счет суперпозиции там испускаемых пузырьками импульсов давления. Проще всего такое усиление можно осуществить в геометрическом центре объема, если действующие в нем волны расположены относительно него симметрично [13]. Поскольку момент прихода в центр симметрии объема суммарных импульсов давления от кавитационных областей всех действующих в пространствах упругих волн определяется фазой этих волн и расстоянием между кавитационными областями в них и центром, то можно синхронизировать их и не управляя фазами, а задав эти расстояния конструкцией реактора, предварительно оптимизировав их. При этом несколько синфазных источников колебаний - акустических ячеек - с конечными размерами поверхностей излучения будут действовать как одна, но те части ее объема, импульс давления от кавитации в которых приходил бы в центр реактора несинхронно с остальными и ослаблял бы там суммарный импульс, останутся неозвученными. Чтобы при этом минимизировать возможность усиления условий протекания нежелательных реакций в газовой фазе внутри кавитационных пузырьков, в которых реализуется механизм термической диссоциации реагентов в образующейся под большим давлением плазме [14] и расширить тем самым область применения способа на пищевую промышленность, гармонические колебания должны занимать как можно меньший объем вблизи центра симметрии. Для этого волны должны лучше всего иметь круглый фронт и в пространстве обрабатываемой воды должно действовать четное число таких волн, тогда в самом центре симметрии пузырьковая кавитация будет отсутствовать, а вблизи него будет занимать минимальный объем. Ясно, что обеспечить выполнение вышеперечисленных условий абсолютно невозможно при использовании известных конструкций кавитационных реакторов с одной акустической ячейкой, в которой действует только одна упругая волна со сплошным фронтом. По этой причине реакторы, использующиеся для осуществления рассмотренных выше способов [RU 2226428, 2004; RU 2228217, 2004], имеющие одну акустическую ячейку или могущие иметь несколько независимо друг от друга работающих ячеек, не позволят достигнуть технического результата изобретения.

В аналоге, использованном в известных экспериментальных исследованиях возможности непараметрического усиления кавитации [12, 13] в качестве реактора-автоусилителя, имеются три акустические ячейки, то есть одна из них находится именно в центре симметрии реактора, где и осуществляется усиление кавитации. Это сделано для того, чтобы иметь возможность контролировать процесс, измеряя интенсивность свечения сжимаемой плазмы в пузырьках (сонолюминесценции). То же относится и к описанным там конструкциям реакторов с коаксиальными кольцеобразными акустическими резонансными ячейками. Таким образом, реализация всех признаков предлагаемого способа в них невозможна, и технический результат изобретения не может быть достигнут.

Существует конструкция реактора, изображенная на фиг.5 и 6 описания изобретения к патенту [RU 2286205, 2006], в которой использовано четное число акустических резонансных ячеек одинаковой частоты с фронтом волны круглой формы, и поэтому максимальное увеличение импульса кавитационного давления достигается между ближайшими к центру симметрии реактора ячейками, расположенными симметрично относительно него на оси потока протекающей через реактор жидкости. Реактор предназначен для использования в химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине и энергетике, является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению и принят за прототип.

Фазы колебаний в ячейках прототипа сдвинуты на опережение по мере удаления их от центра реактора. При этом величина сдвига фазы каждой ячейки в единицах периода колебаний равна отношению расстояния от узлов колебаний в ней до центра реактора к длине волны в жидкости. Существует причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании этого принятого за прототип кавитационного реактора для умягчения воды. Она заключается в сложности его системы управления, которая должна содержать прецизионные электронные линии задержки, посредством которых реализуется требуемый сдвиг фаз [12].

Сущность изобретения в части конструкции реактора заключается в следующем. Известно, что линии задержки могут быть равноценно заменены в такого рода реакторе более простыми устройствами - фазоинверторами на том основании, что, как уже было сказано выше, сдвиг фаз в решаемой задаче аналогичен установлению определенного расстояния от точек действующей в волне кавитационной области до центра реактора [13]. Отсюда следует, что если решаемая задача синхронизации кавитационных импульсов давления в центре реактора не направлена на усиление сжатия там кавитационных пузырьков и не требует для этого расположения акустических ячеек вплотную друг к другу, то можно обойтись и без фазоинверторов. Это совсем упрощает задачу управления, делая ее задачей всего лишь обеспечения одинаковой частоты источников, а синхронизация импульсов давления от кавитации может быть достигнута размещением ячеек на определенных расстояниях от центра симметрии реактора. Если при этом ячейки содержат по два находящихся напротив друг друга источника колебаний, а число полуволн между ними нечетно, или каждая имеет один излучатель при любом числе полуволн, то есть в них действуют стоячие упругие волны, то одинаковая частота и одинаковая фаза всех источников колебаний может быть обеспечена еще на электрической стороне электроакустических преобразователей. Это можно сделать, подключив их к одному электрическому источнику, например, представляющему собой один задающий генератор частоты и несколько соединенных с ним усилителей по числу излучателей. Известно, что поскольку излучаемые кавитационными пузырьками импульсы давления в пространстве имеют сферическую форму, то происходит их значительное геометрическое затухание в любом направлении. Когда геометрическое затухание импульса давления складывается с затуханием вследствие суперпозиции возмущений давления, имеющих противоположные знаки, эффект непараметрического усиления исчезает. Этот факт немонотонности функции пространственного распределения плотности мощности кавитации известен и используется, например, для предотвращения разрушений корпусов кавитационных аппаратов [RU 2209112, 2003]. Поэтому диапазон расстояний, на котором должны быть расположены ячейки от центра реактора, должен быть ограниченным сверху максимально допустимым значением. Оно было установлено путем математического моделирования непараметрического усиления суммарного кавитационного импульса давления в центре реактора аналогично [12-14, 16]. Полученная в результате вычислительных экспериментов с математической моделью заданная на дискретном множестве численных значений зависимость максимального расстояния от центра симметрии реактора до луча волны в лежащей по каждую сторону от него n-ной акустической ячейки L_n аппроксимирована аналитической функцией с достаточной для технических задач точностью приближающей ее в реальном диапазоне варьирования параметров:

L_n=1,5k^-0,4(n-0,5)^0,8λ,

где: n - номер ячейки, считая близлежащую к центру первой; k - число полуволн колебаний, умещающихся на отрезке луча волн в ячейке; λ - длина волны ультразвука в воде на частоте колебаний используемых источников. При этом учитывалось, что диаметр фронта волны, задаваемый в акустической ячейке диаметром круглой излучающей поверхности металлического волновода, чаще всего, из соображений минимизации рассеяния передаваемой им мощности на неосновных модах его колебаний выбирают не превышающим четверти длины волны используемого ультразвука в металле [17], что в любом случае не превышает длины его же волны в воде. А частоты используемых в промышленности источников ультразвуковых колебаний, предназначенных для возбуждения кавитации, лежат у нижней границы ультразвукового диапазона и обычно составляют 20-40 кГц.

Технический результат изобретения - создание способа безреагентного сонохимического снижения временной жесткости воды в потоке путем реализации непараметрического усиления кавитации без использования фазового управления акустическими ячейками предназначенного для его осуществления кавитационного реактора, то есть при минимальной сложности системы управления этим реактором.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе снижения временной жесткости воды в потоке воздействием на нее непараметрически усиленными импульсами давления от кавитации, порождаемой в обрабатываемом объеме ультразвуковыми стоячими волнами, которые создают путем передачи в воду упругих колебаний одинаковой частоты от нескольких источников колебаний, отличие состоит в том, что фазы этих колебаний устанавливают одинаковыми, а суммарные импульсы давления в геометрическом центре обрабатываемого объема воды усиливают за счет пространственного расположения волн относительно него на заданных в зависимости от количества источников колебаний и протяженности отрезков лучей волн в воде расстояниях. А в известном кавитационном реакторе, предназначенном для осуществления этого способа, содержащем четное число расположенных в ряд на оси, проходящей через геометрический центр внутреннего объема реактора, осесимметричных круглых в плане акустических ячеек одинаковых размеров, вызывающих во время работы перпендикулярные этой оси упругие колебания обрабатываемой воды одинаковой частоты и фазы, отличие состоит в том, что диаметры вызывающих эти колебания поверхностей не превышают длины волны в воде на частоте колебаний, а точки пересечения лучей волн, созданных в лежащих по каждую сторону от центра внутреннего объема реактора ячейках, находятся от него на расстояниях, не превышающих 1,5k^-0,4(n-0,5)^0,8 длины волны, где: n - номер ячейки, считая близлежащую к центру первой; k - число полуволн колебаний, умещающихся на отрезке луча волн в ячейке.

Сравнение предлагаемого способа и реактора для его осуществления с аналогами осуществляли экспериментально, используя тот факт, что обратная растворимость карбоновых солей жесткости под действием кавитации усиливается в результате того же механизма дегидратации, что и прямая растворимость электролитов типа натрия хлорида. Сравнивали интенсивность растворения таблетированного химически чистого NaCl в воде, обработанной воздействием кавитации разными способами, реализованными на разных конструкциях реактора. В качестве корпуса кавитационного реактора использовалась открытая тонкостенная продолговатая емкость, вдоль которой воду пропускали самотеком с одинаковой во всех случаях скоростью. Габариты емкости позволяли создать в ней вдоль ее длинной стороны четыре акустические ячейки с умещающимися в них по высоте тремя полуволнами ультразвука частотой 22 кГц. Для этого сверху над емкостью на общем штативе были закреплены в ряд с возможностью перемещения по длинной оси емкости четыре источника ультразвуковых колебаний, представляющих собой магнитострикционные преобразователи с водяным охлаждением частотой 22 кГц, отрегулированные на потребляемую при работе электрическую мощность 100 Вт и соединенные с волноводными акустическими излучающими трансформаторами с диаметром погруженной в воду круглой поверхности 30 мм. Отражателем в каждой ячейке служило тонкое дно емкости, граничащее с обратной стороны с воздухом. Такой подбор источников позволил обеспечить требования способа, выбранного прототипом в отношении интенсивности акустической волны. В открытой емкости она составляла при работе около 7 Вт/см², что удовлетворяет признаку прототипа.

Сравнивали три объекта. Первый - заявленное изобретение, для реализации признаков которого расстояние от геометрического центра внутреннего пространства емкости с водой до осей акустических ячеек - цилиндрических объемов под погруженными в воду поверхностями волноводных трансформаторов, по обе стороны от этого центра было установлено максимально допустимым признаком изобретения. Для первой пары источников L₁=1,5·3^-0,4(1-0,5)^0,8·1500:22=38 мм, где 1500:22=68 мм - длины волны, равная отношению скорости звука в воде к частоте колебаний, а для второй пары L₂=1,5·3^-0,4(2-0,5)^0,8·68=91 мм. Выполнение требований признаков изобретения в случае более близкого расположения ячеек к центру реактора имитировали при минимально допустимом габаритами преобразователей (диаметром кожуха водяного охлаждения) расстоянии L₁=34 мм и L₂=68 мм. Усилители, являющиеся источниками электропитания преобразователей, работали от общего генератора частоты. Второй - прототип, для воспроизведения которого близлежащие к центру ячейки также были размещены вплотную друг к другу, а периферийные на расстоянии 91 мм. Признак прототипа, требующий сдвига фаз колебаний, был осуществлен путем задержки сигнала от задающего генератора частоты на усилители ближних к центру реактора преобразователей на 0,1 периода посредством линии задержки, аналогичной описанной в известном эксперименте [12]. Третий - условный аналог, в котором есть отклонение от требований признаков изобретения, выраженное в удалении ячеек от центра сверх максимально допустимого в 1,2 раза, которое имитировали при L₁=45 мм и L₂=109 мм.

Передаваемая в воду во всех случаях акустическая мощность была одинаковой, а количество передаваемой воде энергии уравнивали поддержанием одинаковой скорости потока воды через емкость и одинаковым временем обработки.

Относительную растворяющую способность обработанной воды оценивали убылью массы таблеток натрия хлорида после трехминутной выдержки их в обработанной сравниваемыми способами воде по СанПиН 2.1.4.1116-2002 сразу же после обработки и выражали в процентах, приняв за 100% значение, полученное на первом объекте при L₁=38 мм и L₂=91 мм.

Результаты сравнения приведены в таблице.

  ОБЪЕКТ Первый на границах диапазона Второй Третий ПАРАМЕТР Значение размеров, мм: L₁ 34 38 34 45 L₂ 68 91 91 109 Относительная растворяющая         способность воды, % 105 100 100 55

Результаты наглядно подтверждают обоснованность одностороннего ограничения диапазона характеризующих признак изобретения размеров. Так при их увеличении сверх определенного признаком максимума на 20 процентов эффективность воздействия кавитации изменилась (уменьшилась) на 45 процентов, а при таком же приблизительно уменьшении она изменилась (увеличилась) всего на 5 процентов. То есть при технически возможном изменении размеров в заявленном диапазоне отклонение эффекта от среднего значения не превысило ±2,5%. Это соответствует принятому в технике допустимому отклонению параметров.

У воды, обработанной в соответствии с прототипом и с заявленным изобретением, растворяющая способность оказалась одинаковой в пределах чувствительности использованного метода оценки, но система управления реактором, использованным для осуществления прототипа, была гораздо сложнее, так как содержала устройство для управления фазой колебаний.

Таким образом, сравнение заявленного способа и кавитационного реактора для его осуществления с их прототипами, являющимися наиболее близкими аналогами из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ и кавитационный реактор обладают существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками.

При анализе отличительных признаков описываемого способа и кавитационного реактора для его осуществления не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к положению акустических ячеек в реакторе, позволяющему получить эффект усиления кавитации без управления фазами действующих в них упругих волн.

На Фиг.1 показан совмещенный с разрезом в диаметральной плоскости одной из акустических ячеек вид сбоку кавитационного реактора для непрерывного умягчения воды на входе в водогрейный котел системы централизованного отопления.

На Фиг.2 показан вид спереди реактора, изображенного на фиг.1. Тоновым рисунком в рабочем пространстве корпуса реактора показано распределение плотности потенциальной энергии, выделяемой за конечный промежуток времени в осевых сечениях реактора: в первом квадранте - по оси первой по ходу потока воды акустической ячейки; во втором - на половине расстояния между первой и второй; в третьем - по оси второй и в четвертом - в центре реактора. Более темные тона соответствуют большей плотности энергии.

На Фиг.3 показан совмещенный с разрезом в диаметральной плоскости одной из акустических ячеек вид сбоку кавитационного реактора для непрерывного умягчения воды на входе в установку восстановления сухого молока.

На Фиг.4 показан разрез по диаметральной плоскости корпуса реактора, изображенного на фиг.3. Тоновым рисунком на разрезе показано распределение плотности потенциальной энергии, выделяемой за конечный промежуток времени, в сечении потока воды в реакторе.

С помощью реактора, изображенного на фиг.1 и 2, изобретение может быть осуществлено при непрерывном умягчении воды, циркулирующей в системе централизованного отопления на входе ее в водогрейный котел большой мощности. Пусть диаметр подводящей воду к котлу трубы составляет 250 мм, а используемые источники колебаний имеют частоту резонанса 22 кГц. Следовательно, число целых полуволн в ячейках должно быть равно 250·22·2:1500=7. При такой большой высоте ячеек и нечетном числе заключенных в них полуволн их лучше всего оснастить двумя синфазными с электрической стороны источниками колебаний, направляя их в ячейке встречно. Чтобы интенсивность образуемой волны позволяла достигнуть физического предела потенциальной составляющей энергии кавитации в ней, суммарная электрическая мощность излучателей в ячейке должна быть не меньше 1,2 кВт, что легко найти из известных соотношений акустики конденсированных сред и [RU 2286205, 2006]. Для такого случая подходят преобразователи 1 типа ПМС 22-0,63 (Ультратехника-СИ, г.Северодвинск), снабженные волноводными трансформаторами 2 диаметром излучающей поверхности 42 мм. Участок трубы, где размещаются ячейки, собственно представляющий собой корпус кавитационного реактора 3, должен быть изготовлен из кавитационно стойкого материала. Для этого можно использовать, например, бесшовную трубу из стали марки 12Х18Н10Т размерами ⌀273×12 мм. Реактор встраивается в разрез водопроводной трубы у входа в котел, например, посредством фланцев 4 с уплотнениями 5. Чтобы поток воды в реакторе обрабатывался как можно более равномерно, следует вмонтировать в корпус реактора 3 ячейки, повернутые на оси потока на угол 45° в одну сторону, каждая относительно предыдущей. Чтобы обеспечить одинаковые частоту и фазу колебаний, обмотки 6 преобразователей должны быть соединены в каждой ячейке последовательно и подключены параллельно с обмотками преобразователей других ячеек к выходу одного генератора, например, типа УЗГК 5-22 мощностью 5 кВт (РЭЛТЕК, г.Екатеринбург). Максимальные расстояния от центра объема воды в реакторе, на который воздействуют импульсы кавитационного давления, до осей ячеек, попарно расположенных по каждую сторону от него, устанавливаются равными вычисленным из выражения, формализующего признак изобретения L_n=1,5k^-0,4(n-0,5)^0,8λ. Они должны быть равны соответственно 0,396λ и 0,953λ или 27 мм и 65 мм.

Реактор при осуществлении заявленного способа работает следующим образом. Подключенные к общему источнику тока ультразвуковой частоты, которым является для них генератор УЗГК 5-22, преобразователи в акустических ячейках реактора будут трансформировать электрическую энергию в энергию синхронных упругих колебаний воды, при этом теряя ее часть на электрической стороне и внутреннем трении упругих же колебаний в металлических деталях. Однако благодаря техническим расчетам, в результате которых они выбраны, каждая их пара, составляющая акустическую ячейку, обеспечит в ней интенсивность колебаний, достаточную, чтобы достигнуть максимума выделяемой потенциальной энергии образующейся в них кавитации. Поток воды, проходя внутри реактора справа налево (Фиг.1), будет испытывать действие потенциальной энергии импульсов давления, порождаемых пульсациями кавитационных пузырьков в упругих ультразвуковых стоячих волнах, установленных в акустических ячейках. Благодаря размещению ячеек относительно центра реактора, соответствующему требованиям признака изобретения, объемная плотность выделяемой энергии приобретет в воде пространственное распределение, показанное на фиг.2 в осевых сечениях потока. На фрагментах распределения в разных сечениях хорошо видно, что имеющая форму полой сферы зона локального минимума плотности энергии по мере приближения к центру реактора увеличивается в размерах и в нем самом практически на стенках корпуса. То есть поток, протекая через реактор, испытает достаточно равномерное воздействие с нарастающей к центру плотностью мощности.

В пищевой, например в молочной, промышленности изобретение может быть применено для обработки воды, используемой при восстановлении сухого молока [18]. Вода на установку для восстановления сухого молока подается по трубе диаметром, например, 50 мм. Используемые источники колебаний, например пьезоэлектрические преобразователи 7 (Фиг.3) от ультразвуковых индустриальных процессоров UIP 250 производства Hielscher Systems GmbH (Германия), имеют частоту резонанса 20 кГц. Следовательно, число целых полуволн в ячейках должно быть равно 50·20·2:1500=2. В этом случае акустические ячейки могут содержать по одному излучателю, состоящему из такого преобразователя, соединенного с волноводным трансформатором 8 диаметром излучающей части 34 мм. Требуемая интенсивность образуемой волны достигается при электрической мощности преобразователя UIP 250. Корпус реактора 9, где размещено, например, 6 ячеек, должен быть изготовлен из кавитационно стойкого материала. Для этого можно использовать, например, бесшовную трубу из стали марки 12Х18Н10Т размерами ⌀57×4 мм. Реактор встраивается в разрез водопроводной трубы на входе в установку для восстановления молока, например, посредством резьбовых соединений с накидными гайками 10. Для равномерности обработки потока акустические ячейки вмонтированы в корпус с поворотом на оси потока на угол 90°, каждая относительно предыдущей. Одинаковая частота и фаза колебаний обеспечивается, например, работой источников питания преобразователей через устройство их синхронизации аналогично [12]. Максимальные расстояния от центра объема воды в реакторе, на который воздействуют импульсы кавитационного давления от ячеек, до осей ячеек, попарно расположенных по каждую сторону от него, устанавливаются в этом случае равными соответственно 0,653λ, 1,572λ и 2,336λ или 49 мм, 118 мм и 177 мм.

Реактор в данном случае работает также, как и в предыдущем. Объемная плотность энергии порождаемых кавитацией импульсов давления в воде будет иметь пространственное распределение, показанное на фиг.4. Поток, протекая через реактор, испытает достаточно равномерное воздействие с нарастающей к центру плотностью мощности.

В том и другом случаях распределенная в потоке воды энергия будет более эффективно совершать в ней работу против сил сцепления гидратных оболочек с ионами бикарбонатных солей, разрушая их. Ионы, лишенные гидратных оболочек и приобретшие тем самым более высокую поверхностную плотность заряда, вступят в реакции образования нерастворимых карбонатов. При этом не потребуется использовать электронные устройства для фазового управления преобразователями в ячейках, чего и требовалось достигнуть изобретением.

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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1990, Т.2

2. Шестаков С.Д., Волохова Т.П. Изотермическое кондиционирование зерна для улучшения хлебопекарных достоинств муки // Хлебопечение России, 6, 2001.

3. Новик А.А. Ультразвуковые установки для борьбы с отложениями накипи //www.utinlab.ru.

4. The «Crustex» Ultrasonic Boiler Descalter // Engineering, 175, 619, 1953.

5. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956, - 726 с.

6. Николаевский Н.Н. Ультразвуковой метод предотвращения накипеобразования // Новости теплоснабжения, 10 (26), 2002.

7. Allen Т. Ultrasonic water softener for pipe-cleaning //www.processingtalk.com, Jun 30, 2006.

8. Боев В.Ф. Использование акустических колебаний для интенсификации процессов обработки воды в системах водоподготовки // В кн.: «Ультразвуковые технологические процессы - 98».- М.: МАДИ(ТУ), 1998.

9. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М: ЕВА-пресс, 2001.

10. Шестаков С.Д. О распределении плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны // Труды XVI сессии Росс. акуст. общества, Т.1. - М.: ГЕОС, 2005.

11. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: Заблуждения и реальность // Хранение и переработка сельхозсырья, 4, 2004; 10, 2004.

12. Шестаков С.Д. Исследование возможности непараметрического усиления многопузырьковой кавитации // Прикладная физика, 6, 2008.

13. Шестаков С.Д. О непараметрическом управлении сонохимическим реактором. - Вологда, 2008, - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН, №699-В2008.

14. Flannigan D. and Suslik К. Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation // Letters to Nature, 434, 2005.

15. Шестаков С.Д. Об управлении интенсивностью акустического поля многопузырьковой кавитации // Труды XX сессии Росс. акуст. общества, Т.2. - М.: ГЕОС, 2008.

16. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2008612431. Комплекс программ критериальной оценки производительности сонохимического реактора, 2009.

17. Шестаков С.Д. Критерий оптимизации волноводных акустических трансформаторов // Труды X сессии Росс. акуст. общества, Т.2. - М.: ГЕОС, 2000.

18. Галстян А.Г., Петров А.Н., Чистовалов Н.С. Передовые технологии водоподготовки в производстве восстановленных молочных продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья, 11, 2007.

Изобретение относится к снижению временной жесткости воды и может использоваться в теплообменных аппаратах и котлах. Способ включает воздействие на воду непараметрически усиленными импульсами давления от кавитации, порождаемой в обрабатываемом объеме ультразвуковыми стоячими волнами, которые создают путем передачи в воду упругих колебаний одинаковой частоты от нескольких источников колебаний. Фазы колебаний устанавливают одинаковыми. Суммарные импульсы давления в геометрическом центре обрабатываемого объема воды усиливают за счет пространственного расположения волн относительно него на заданных расстояниях. Реактор содержит четное число расположенных в ряд на оси, проходящей через геометрический центр внутреннего объема реактора, осесимметричных круглых в плане акустических ячеек одинаковых размеров. Ячейки вызывают во время работы перпендикулярные оси упругие колебания обрабатываемой воды одинаковой частоты и фазы. Диаметры вызывающих эти колебания поверхностей не превышают длины волны в воде на частоте колебаний. Точки пересечения лучей волн, созданных в лежащих по каждую сторону от центра внутреннего объема реактора ячейках, находятся от него на определенных расстояниях. Технический результат состоит в повышении эффективности безреагентного сонохимического умягчения воды в потоке. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ снижения временной жесткости воды в потоке воздействием на нее непараметрически усиленными импульсами давления от кавитации, порождаемой в обрабатываемом объеме ультразвуковыми стоячими волнами, которые создают путем передачи в воду упругих колебаний одинаковой частоты от нескольких источников колебаний, отличающийся тем, что фазы этих колебаний устанавливают одинаковыми, а суммарные импульсы давления в геометрическом центре обрабатываемого объема воды усиливают за счет пространственного расположения волн относительно него на заданных в зависимости от количества источников колебаний и протяженности отрезков лучей волн в воде расстояниях.

2. Кавитационный реактор для осуществления способа по п.1, содержащий четное число расположенных в ряд на оси, проходящей через геометрический центр внутреннего объема реактора, осесимметричных круглых в плане акустических ячеек одинаковых размеров, вызывающих во время работы перпендикулярные этой оси упругие колебания обрабатываемой воды одинаковой частоты и фазы, отличающийся тем, что диаметры вызывающих эти колебания поверхностей не превышают длины волны в воде на частоте колебаний, а точки пересечения лучей волн, созданных в лежащих по каждую сторону от центра внутреннего объема реактора ячейках, находятся от него на расстояниях, не превышающих 2k^-0,4(n-0,5)^0,8 этой длины волны, где
n - номер ячейки, считая близлежащую к центру первой;
k - число полуволн колебаний, умещающихся на отрезке луча волн в ячейке.