СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЕМКОСТИ, НАГРЕВАЕМОЙ В ОСНОВНОМ СО СТОРОНЫ ДНИЩА, НАПРИМЕР, ДЛЯ РАБОТЫ ШЛИХТОВАЛЬНОЙ МАШИНЫ ТКАЦКОГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2013 года по МПК B01F5/10 

Предлагаемое изобретение относится к технологии растворения труднорастворимых сложных полимеров типа крахмала и к технологии нагрева жидких субстанций внутри вертикальных цилиндрических емкостей, высота которых существенно больше размеров днища.

Изобретение может быть использовано для получения технологических растворов в неподвижных емкостях для промывки деталей, тросов и других изделий после изготовления или перед сборкой.

Для получения подогретых растворов (электролитов) в электролизных и гидролизных емкостях, в гальванических ваннах.

Для получения подогретых растворов с целью очистки деталей от механических загрязнений.

Для приготовления раствора шлихты и подачи его в клеевую ванну шлихтовальной машины ткацкого производства текстильной промышленности.

1. Уровень техники

Известен способ приготовления раствора шлихты [1, с.4-34], который является слабым раствором органических (природных) полимеров на основе крахмала. В этом способе [1, с.36, рис.4 и табл.13] раствор приготавливается следующим образом.

В цилиндрический бак с механическими мешалками, снабженными электроприводом, внутри заливается вода и нагревается подачей пара внутрь рубашки бака в течение 15 мин до 25-30°C. Затем сверху бака (цилиндрическая емкость) закладывают крахмальный состав, включают мешалки и перемешивают состав внутри емкости (бака) в течение 20 мин. Далее, в течение 6 мин в процессе перемешивания внутрь жидкой смеси засыпают (вводят) расщепитель (например, хлорамин) и перемешивают жидкую смесь 6 мин. Затем доливают воду, нагревают паром емкость (рубашку бака) и перемешивают мешалками жидкую смесь в течение 45 мин. После этого в почти готовый раствор, перемешивая его и нагревая, вводят масла и глицерин и доводят раствор до готовности в течение еще 10 мин.

Расход времени на приготовление раствора составляет больше чем 1,5 часа. Готовый раствор из нижней части емкости (бака) по трубе с регулировочным вентилем непрерывно подается в клеильный аппарат шлихтовальной машины [1, с.51, рис.11] непосредственно в клеевую ванну [1, с.51, рис.11, поз.18].

Основными недостатками такого способа получения растворов являются

1. Чрезвычайно высокая энергоемкость нагрева паром и большой расход пара за 1,5 часа приготовления раствора.

2. Сложность устройства, реализующего такой способ приготовления растворов и расход дополнительной энергии приводом на вращение механических мешалок.

3. Слишком большая длительность по времени процесса приготовления раствора.

Первый недостаток данного аналога обусловлен спецификой парового нагрева.

Двустенная рубашка бака (емкости) нагревается посредством конвекции между паром и внутренними поверхностями стенок рубашки. Жидкий состав в баке (в емкости) нагревается от внутренней стенки рубашки посредством теплопроводности. Наружная стенка рубашки поглощает тепловую энергию пара, но нагревается бесполезно, поскольку не имеет контакта с жидким составом внутри емкости.

Из научно-технической литературы известно, что при теплообмене конвекцией и теплопроводностью перенос энергии приблизительно пропорционален разности температур в первой степени. При теплообмене излучением перенос энергии тоже пропорционален разности температур, но абсолютных, и каждая из них возводится в 4-ую или 5-ую степень [2]. Поэтому нагрев излучением существенно эффективнее, чем конвекцией и теплопроводностью.

Известны способы нагрева вращающихся цилиндрических емкостей (сушильных цилиндров) изнутри токами высокой частоты [3, 4, 5, 6]. Основными недостатками являются чрезмерная энергоемкость, сложность реализации и ограниченные функциональные возможности вследствие невозможности наведения вихревых (поверхностных токов Фуко) токов в сплавах цветных металлов. Емкости для приготовления растворов изготавливают из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, которую излучением токов высокой частоты нагреть невозможно.

Известны способы контактного электрического нагрева цилиндрической стенки вращающейся цилиндрической емкости [7, 8]. Основные недостатки: сложность реализации (изготовления, монтажа и замены электрического нагревателя) и высокая энергоемкость, обусловленная теплообменом и теплопроводностью.

Известно, что мощность электромагнитного излучения пропорциональна квадрату его частоты, и максимальными нагревающими способностями обладает излучение в ближней инфракрасной области с длиной волны 0,75-2 мк (f≈10¹⁴ Гц) [9]. Известны и источники такого излучения - кварцево-галогенные лампы КГТ и инфракрасные зеркальные лампы ИКЗ [10]. Лампы КГТ создают рассеянное излучение, а ИКЗ - направленно-фокусированное излучение в ближней инфракрасной области за счет зеркального отражателя в колбе. Далее по тексту это излучение будет обозначаться сокращенно НИКИ.

Известны способы нагрева цилиндрической стенки вращающейся емкости изнутри посредством направленного электромагнитного излучения (ЭМИ) инфракрасного спектра (далее по тексту - ИКИ (инфракрасное излучение) линейными излучателями ограниченной длины [11, 12, 13, 14]. Основными недостатками является сложность реализации из-за необходимости изготовления, монтажа и настройки отдельных отражателей на каждый отдельный излучатель для создания НИКИ, направленного на внутреннюю цилиндрическую поверхность.

Известен способ нагрева цилиндрической стенки вращающейся емкости изнутри точечными по сравнению с размерами самой емкости источниками НИКИ [15, 16, 17]. Этими излучателями являются электрические, зеркальные, инфракрасные лампы накаливания, которые выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью. Внутренняя поверхность колбы такой лампы снабжена зеркальным отражателем, направляющим всю энергию ИКИ спирали вдоль оси лампы в направлении, противоположном ее цоколю. В данном способе эти лампы посредством термостойких керамических патронов неподвижно закрепляют на плоских гранях неподвижного короба, а короб устанавливают неподвижно внутри емкости коаксиально ее внутренней цилиндрической поверхности, причем так, что НИКИ каждого точечного источника направлено радиально к внутренней поверхности емкости. Данный способ позволяет устранить большинство недостатков конвективного нагрева, нагрева теплопроводностью, трансформаторного нагрева и нагрева посредством НИКИ от линейных излучателей ограниченной длины (лампы КГТ).

Недостатками данного способа являются высокая конструктивная и технологическая сложность реализации, недостаточная надежность и долговечность работы электрической системы (электропроводка, патроны и большое число электрических контактов) внутри емкости, а также избыточная энергоемкость.

Главным недостатком всех вышеперечисленных способов нагрева является то, что их реализация функционально не позволяет обеспечить нагрев плоского днища неподвижной вертикальной емкости, высота которой существенно больше размеров днища.

Известны также электродные котлы проточного типа («ГАЛАН») [18, 19], нагревающие жидкость, протекающую в собственной камере ионизации, за счет высокочастотной смены полюсов ионизации молекул жидкости (с частотой промышленной сети 50 Гц). Эти котлы представляют собой трубчатый (цилиндрический) ионизатор (нагреватель), к которому с двух сторон присоединяется гидравлически трубопровод отопительной системы. За счет высокочастотной ионизации и переионизации (с плюса на минус) молекул жидкости последняя в камере котла быстро нагревается, ее давление повышается и такой котел работает и как нагреватель жидкости, и как гидравлический насос. Такой насос с электрическим питанием позволяет нагревать жидкость (например, воду) в проточной трубе, связанной гидравлически с батареями водяного отопления, и обеспечивать централизованное водяное отопление, например в комнате, квартире или в здании, состоящем из нескольких помещений.

1.1. Наиболее близким техническим решением (первым прототипом) к заявляемому является способ нагрева жидкости в вертикально установленной неподвижной емкости с плоским днищем, высота которой больше размеров днища [20].

В этом техническом решении днище вертикально установленной цилиндрической емкости нагревают снизу посредством НИКИ от ламп ИКЗ, а жидкость разделяют на две части, одну из которых оставляют в емкости, а другую часть помещают в неподвижную трубу, параллельную емкости снаружи, гидравлически соединенную с емкостью концами в нижней и верхней частях емкости как сообщающиеся сосуды. Эту часть жидкости внутри трубы нагревают посредством электродного котла, размещая его неподвижно на трубе выше ее середины по высоте, при этом изначально жидкость в емкость заливают выше верхнего соединения трубы с емкостью.

Излучатели НИКИ и электродный котел электрически параллельно подключают к силовому выходу авторегулятора «напряжение-температура», силовой вход которого электрически подключают к промышленной сети, а управляющий вход регулятора электрически соединяют с датчиком температуры, который надежно прикрепляют к наружной стенке емкости посередине высоты столба жидкости в емкости.

Данное техническое решение позволяет существенно увеличить скорость нагрева жидкости в емкости, не увеличивая количество излучателей НИКИ (не увеличивая площадь днища емкости). При этом жидкость внутри трубы (при одновременно работающих нагревателях) непрерывно движется снизу вверх, создавая на выходе из верхнего отверстия приточную струю жидкости.

Наиболее существенным недостатком такого способа нагрева является невозможность быстрого растворения в жидкости растворимых веществ, поскольку жидкость внутри емкости не совершает вращательного движения (размешивания).

Другим недостатком является размещение датчика температуры посередине высоты столба жидкости в емкости. По мере уменьшения величины этого столба (по мере слива жидкости) этот датчик необходимо непрерывно перемещать вниз. При неподвижном закреплении уровень жидкости опустится ниже датчика и на управляющий вход авторегулятора «напряжение-температура» будет поступать искаженный сигнал о температуре жидкости. По мере уменьшения уровня показывает все меньшую температуру. В этом случае на управляемом выходе авторегулятора всегда будет поддерживаться максимальная электрическая мощность для питания излучателей НИКИ. Это очень существенный недостаток прототипа, который приводит к перерасходу энергии на нагрев.

Второй и третий недостатки аналога обусловлены сложной структурой устройства для приготовления раствора шлихты и недостаточной скоростью взаимодействия жидкости с растворяемым веществом.

В то же время известны ультразвуковые технологии растворения растворимых веществ, создания суспензий и эмульсий [21]. Ультразвук, воздействуя на вещество внутри жидкости, на два порядка ускоряет растворение растворимых веществ в 10-30 раз, а медленно растворимых в 3-5 раз. При ультразвуковом растворении наблюдается одновременный процесс сольватации (гидратации) и разрушения кристаллической решетки. Эффективность процесса зависит от того, насколько силы сцепления между ионами или молекулами растворяемого вещества и растворителя будут больше, чем межмолекулярные связи каждого из них в отдельности.

Динамическая вязкость полярных жидкостей уменьшается, микротрещины и поры в твердом веществе разветвляются, увеличиваются их размеры и глубина, что способствует в наилучшей форме процессу растворения. Типовой ультразвуковой реактор РАП-01 достаточно хорошо представлен в материалах [22].

Сущность этого способа растворения заключается в том, что жидкий состав из емкости забирается сверху через присоединенную к емкости трубу, поступает в ультразвуковой реактор типа РАП-01, в нем состав подвергается ультразвуковому воздействию и поступает в нижнюю часть емкости тоже по трубе. Таким образом, жидкий состав циркулирует из емкости сверху через ультразвуковой реактор и поступает в нижнюю часть емкости по трубам. Циркуляция жидкого состава осуществляется посредством насоса.

Этот способ растворения позволяет в 5-7 раз увеличить скорость растворения сложно растворимых природных полимеров типа крахмала. Несмотря на то что насос, реактор и ультразвуковой генератор занимают некоторую дополнительную площадь и расход энергии на 15%, скорость растворения увеличивается в среднем в 6 раз.

Недостатками данного способа являются невозможность нагрева жидкого состава и неравномерность процесса растворения. Первый связан с тем, что способ не содержит нагревающих операций, хотя и известно, что с повышением температуры процесс растворения происходит более интенсивно. Второй обусловлен процессом загрузки растворяемого вещества внутрь цилиндрической емкости.

В этом процессе растворяемое вещество, загружаемое сверху в емкость, находится вверху жидкости и захватывается (частично) всасывающей трубой РАП-01 в максимальной концентрации, но лишь со стороны всасывающего отверстия трубы. Большая часть растворимого вещества медленно опускается вниз к днищу нерастворенным и смешивается внизу с поступающим почти растворенным веществом из ультразвукового реактора. Такая циркуляция жидкой смеси сверху из емкости (с высокой концентрацией нерастворенного состава) - в ультразвуковой реактор (с высокой концентрацией нерастворенного состава) - в нижнюю часть емкости (частично растворенный состав + нерастворенный, который остается у днища емкости) не дает возможности равномерно растворить растворяемое вещество.

1.2. Наиболее близким техническим решением (вторым прототипом) к заявляемому является способ ультразвукового растворения веществ в жидкости, в котором жидкую смесь из емкости непрерывно подают в ультразвуковой реактор, после обработки смеси ультразвуком смесь подают обратно в емкость.

2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является комбинированный прототип. Это способ получения растворов в цилиндрической вертикальной емкости, нагреваемой в основном со стороны днища, в котором днище нагревают инфракрасными излучателями, а жидкость в емкости разделяют на две части, одну из которых оставляют в емкости, а другую часть помещают в неподвижную трубу, параллельную емкости снаружи, гидравлически соединенную с емкостью концами в нижней и верхней частях емкости как сообщающиеся сосуды, нагревая эту часть жидкости внутри трубы посредством электродного котла, объединяя инфракрасные излучатели днища и электродный котел общей автоматической системой нагрева с датчиком температуры жидкости, при этом подключая внутреннюю полость емкости сверху и снизу трубами к проточному ультразвуковому реактору.

Преимуществами прототипа перед аналогами являются высокая скорость нагрева жидкости в емкости и возможность растворения веществ без механических мешалок с электроприводами.

В основные цели предлагаемого изобретения (по сравнению с прототипом) входит получение следующих технических результатов.

1. Увеличение скорости и равномерности растворения веществ в растворе.

2. Повышение надежности и точности контроля температуры раствора.

3. Причины, препятствующие получению технических результатов.

Основными причинами, препятствующими эффективному использованию известного способа (прототипа), являются следующие обстоятельства.

3.1. Первый недостаток обусловлен способом [22] гидравлического подключения емкости к ультразвуковому реактору и способом [20] циркуляции нагретой жидкости в трубе с электрическим проточным котлом. Емкость к ультразвуковому реактору (в прототипе) гидравлически подключают так, что всасывающая труба присоединяется к емкости сверху, нагнетающая - снизу. При работе нагревающей системы электрический проточный котел нагревает жидкость в трубе и подает ее вверх от днища вверх. Нагретая инфракрасными излучателями жидкость от днища поступает в верхнюю часть емкости более горячей, чем у днища, поскольку она дополнительно нагревается электродным котлом. При этом (из-за более высокой температуры) плотность жидкости меньше, чем у днища. При засыпке сверху емкости в жидкость растворяемого вещества оно быстро тонет и достигает дна, где скапливается. Оно слегка растворяется под воздействием приточной струи из нагнетающей трубы ультразвукового реактора, и процесс растворения происходит очень медленно и не в ультразвуковом реакторе.

3.2. Второй недостаток обусловлен расположением датчика температуры на емкости - посередине высоты емкости. После приготовления раствора, например шлихты для шлихтовальной машины ткацкого производства, его нужно сливать (т.е. подавать в машину), не уменьшая его температуры, т.е. 95°C. Пока уровень раствора выше или равен тому уровню, на котором размещен датчик температуры - авторегулятор с инфракрасными излучателями поддерживает заданную температуру раствора. Однако, когда уровень раствора ниже датчика температуры, данные с датчика будут заниженными значениями температуры по сравнению с фактической температурой раствора. Авторегулятор будет непрерывно увеличивать напряжение в цепи питания инфракрасных нагревателей и раствор в емкости будет непрерывно перегреваться. Повышение его температуры до 100°C приводит к порче раствора. При этой температуре, например, раствор крахмала превращается в кисель (крахмал сваривается) и становится не пригодным для процесса шлихтования на шлихтовальных машинах.

4. Признаки прототипа, совпадающие с предлагаемым изобретением.

В способе получения растворов в цилиндрической вертикальной емкости, нагреваемой в основном со стороны днища, в котором днище нагревают инфракрасными излучателями, а жидкость в емкости разделяют на две части, одну из которых оставляют в емкости, а другую часть помещают в неподвижную трубу, параллельную емкости снаружи, гидравлически соединенную с емкостью концами в нижней и верхней частях емкости как сообщающиеся сосуды, нагревая эту часть жидкости внутри трубы посредством электродного котла, объединяя инфракрасные излучатели днища и электродный котел общей автоматической системой нагрева с датчиком температуры жидкости, подключают внутреннюю полость емкости сверху и снизу трубами к проточному ультразвуковому реактору.

5. Задачами предлагаемого изобретения являются следующие технические результаты.

1. Увеличение скорости и равномерности растворения веществ в растворе.

2. Повышение надежности и точности контроля температуры раствора.

6. Эти технические результаты в заявляемом способе получения растворов в цилиндрической вертикальной емкости, нагреваемой в основном со стороны днища, например, для работы шлихтовальной машины ткацкого производства дополнительно создают циркуляцию жидкости вместе с растворяемым веществом внутри емкости, присоединяя верхний конец трубы с электродным котлом к емкости тангенциально к ее внутренней окружности, а нижний конец - также тангенциально в противоположном направлении относительно верхнего конца таким образом, что всасывающий факел нижнего конца совпадает по направлению с приточной струей верхнего конца, при этом нагнетающую трубу от ультразвукового реактора присоединяют к емкости сверху, диаметрально противоположно верхнему концу трубы с электродным котлом, тангенциально к внутренней окружности емкости, а заборную трубу реактора присоединяют к емкости снизу, напротив нижнего конца трубы с электродным котлом, тангенциально к внутренней окружности емкости так, что всасывающий факел заборной трубы снизу одинаков по направлению приточной струи нагнетающей трубы сверху, причем всасывающие факелы от нижнего конца трубы с котлом и заборной трубы реактора размещают диаметрально противоположно в плоскости окружности так, что силы всасывания жидкости образуют вращающий момент в этой плоскости, а приточные струи в верхней части емкости от верхнего конца трубы с котлом и от нагнетающей трубы от реактора размещают аналогично, формируя аналогичный вращающий момент в жидкости верхней части емкости, кроме того, датчик температуры размещают в нижней части емкости на уровне сливной трубы.

7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства, реализующего заявляемый способ (общий вид), на фиг.2 - вид на емкость сверху, на фиг.3 - поперечный разрез емкости снизу; на фиг.4 - структура ультразвуковой системы растворения, на фиг.5 - структурная схема автоматической системы управления нагревом раствора.

7.1. Устройство для реализации заявляемого способа включает в себя следующие элементы конструкции.

Буквенные обозначения на чертежах и в тексте:

ШМ - шлихтовальная машина;

Ж - жидкость;

ЖР - жидкий раствор;

ДТ - датчик температуры;

УЗР - ультразвуковой реактор, например РАП-01;

ЭН - электрический насос;

УГ - ультразвуковой генератор;

ЭПК - электродный проточный котел;

Ф₁ - схема фазного электрического провода с управляемого выхода авторегулятора «напряжение-температура» (АРНТ);

N - схема нейтрального электрического провода с управляемого выхода авторегулятора «напряжение-температура» (АРНТ);

АРНТ - авторегулятор «напряжение-температура» (однофазный);

TP - температурное реле;

R_Э - эквивалентное электрическое сопротивление всех инфракрасных излучателей;

ПС - приточная струя (гидродинамика жидкости);

ВФ - всасывающий факел (гидродинамика жидкости).

1 - цилиндрическая емкость (фиг.1), высота которой больше размеров основания, неподвижно установленная вертикально основанием (на чертежах не обозначено) на неподвижном фундаменте (на чертежах не обозначен). Емкость 1 заполнена жидкостью Ж, например водой. К емкости 1, как сообщающийся с ней сверху и снизу сосуд, присоединена герметично труба 2, разделенная на верхнюю 2А и нижнюю 2Б части. Верхняя 2А и нижняя 2Б части трубы 2 соединены между собой гидравлически внутренней цилиндрической камерой электродного проточного котла 3, например «Галан». В нижней части емкости 1 вварен сливной патрубок 4 с вентилем (на чертежах не обозначен). Между основанием емкости 1 и фундаментом неподвижно размещены инфракрасные излучатели 5 равномерными или неравномерными рядами (фиг.1) с общим эквивалентным электрическим сопротивлением R_Э (фиг.5). К верху внутренней полости емкости 1 гидравлически присоединена нагнетающая труба 6 от ультразвукового реактора 10 (УЗР), фиг.1, 4. К низу внутренней полости емкости 1 гидравлически присоединена всасывающая труба 7 от ультразвукового реактора 10 (УЗР), фиг.1, 4. Датчик температуры 14 (ДТ), фиг.1, 5, закреплен на емкости 1 в нижней ее части на уровне сливного патрубка 4 (фиг.1).

Верхний конец 2.1 верхней части 2А трубы 2 вварен (фиг.2) в емкость 1 тангенциально внутренней цилиндрической поверхности емкости 1. Верхний конец 6.1 нагнетающей трубы 6 вварен в емкость 1 тангенциально внутренней цилиндрической поверхности емкости 1 в диаметрально противоположном верхнему концу 2.1 положении. Верхние концы 2.1 и 6.1 размещены внутри емкости так, что приточные струи из них, соответственно ПС2 и ПС6, располагаясь диаметрально противоположно в одной плоскости, направлены противоположно друг другу (фиг.2).

Нижний конец 2.2 нижней части 2Б трубы 2 вварен (фиг.3) в емкость 1 тангенциально внутренней цилиндрической поверхности емкости 1. Нижний конец 7.1 всасывающей трубы 7 вварен в емкость 1 тангенциально внутренней цилиндрической поверхности емкости 1 в диаметрально противоположном нижнему концу 2.2 положении. Нижние концы 2.2 и 7.1 размещены внутри емкости так, что их всасывающие факелы, соответственно ВФ2 и ВФ7, располагаясь диаметрально противоположно в одной плоскости, направлены противоположно друг другу (фиг.3).

В общую схему ультразвукового растворения (фиг.4), кроме всасывающей трубы 7 и нагнетающей трубы 6, входит электронасос 8 (ЭН), засасывающий жидкость Ж из емкости 1 снизу и нагнетающий ее по соединительной трубе 9 в ультразвуковой реактор 10 (УЗР), например в РАП-01, откуда после ультразвуковой обработки жидкость нагнетается по нагнетающей трубе 6 в верхнюю часть емкости 1. Электрический сигнал в реактор 10 подается по высокочастотному кабелю 11 от ультразвукового генератора 12 (УГ), который, в свою очередь, получает питание от электрической сети («Сетевое питание»).

В общую электрическую схему автоматического управления температурой раствора (ЖР) входит (фиг.5), кроме электродного проточного котла 3 (ЭПК), инфракрасных излучателей 5 (R_Э), датчика температуры 14 (ДТ) и авторегулятора «напряжение-температура» 15 (АРНТ), дополнительно температурное реле 13 (TP). В данной схеме выход датчика температуры 14 (ДТ) параллельно подключен и к управляемому входу авторегулятора 15 (АРНТ), и к управляющему входу температурного реле 13 (TP), а фазный провод с управляемого выхода авторегулятора 15 (АРНТ) подключен к электродному котлу 3 (ЭПК) через температурное реле 13 (TP).

7.2. Заявляемый как изобретение способ получения растворов в цилиндрической вертикальной емкости, нагреваемой в основном со стороны днища, реализуется следующим образом.

В емкость 1 доверху заливают жидкость Ж (фиг.1), например воду, устанавливают за датчиком (на чертежах не показан) температуры авторегулятора 15 (АРНТ, фиг.5) и температурного реле 13 (TP) температуру 95°C и включают его в работу. Одновременно включают в работу систему ультразвукового растворения (фиг.4), т.е. ультразвуковой генератор 12 (УГ), ультразвуковой реактор 10 (УЗР) и электронасос 8 (ЭН). При этом на полную (номинальную) мощность подается электрическое питание инфракрасных излучателей 5 (R_Э), нагревающих днище емкости 1 и электродного проточного котла 3 (ЭПК) нагревающего жидкость в трубе 2 и подающего ее вверх.

В этот же момент электронасос 8 (ЭН) всасывает жидкость Ж из нижней части емкости 1 по трубе 7 и по соединительной трубе 9, направляет жидкость Ж в реактор 10 (УЗР), из которой под давлением по нагнетающей трубе 6 жидкость поступает в верхнюю часть емкости 1. В это время (в момент включения ультразвуковой системы, фиг.5) уровень жидкости Ж внутри емкости 1 понижается, поскольку часть жидкости Ж поступает во всасывающую трубу 7, в электронасос 8 (ЭН), в соединительную трубу 9, в реактор 10 (УЗР) и в нагнетающую трубу 6.

Как только ультразвуковая система на фиг.4 включилась в работу и уровень жидкости Ж в емкости 1 понизился (в течение 2 секунд после включения), в жидкость Ж сверху емкости 1 засыпают растворяемое вещество, например сухое и на основе крахмала, т.е. шлихту (на чертежах не показана).

В момент засыпки растворяемого вещества и в нижней, и в верхней части емкости 1 (фиг.3 и фиг.2) уже сформированы вращающиеся потоки жидкости Ж.

В нижней части емкости 1 это вращение обусловлено (фиг.3) действием момента сил (гидравлических) всасывающих факелов ВФ2 в нижний конец 2.2 трубы 2 и ВФ7 в нижний конец 7.1 всасывающей трубы 7 (от электронасоса 8, ЭН). Эти силы (от ВФ2 и ВФ7) лежат (приблизительно) в одной плоскости, взаимно противоположны по направлению, а плечо между ними соответствует внутреннему диаметру емкости 1.

В верхней части емкости 1 это вращение обусловлено (фиг.2) действием момента сил (гидравлических) приточных струй ПС2 из верхнего конца 2.1 трубы 2 и ПС6 из верхнего конца 6.1 нагнетающей трубы 6 (от реактора 10, УЗР). Эти силы (от ПС2 и ПС6) лежат (приблизительно) в одной плоскости, взаимно противоположны по направлению, а плечо между ними соответствует внутреннему диаметру емкости 1.

Вращающие моменты гидравлических сил в верхней и в нижней части емкости 1 имеют одно и то же направление, и в процесс вращения вовлекается вся масса жидкости Ж в емкости 1, а за счет сил вязкого трения и все засыпанное в емкость 1 растворяемое вещество (на схемах и чертежах не показано).

Вращающимся потоком жидкости Ж это вещество распределяется равномерно в плоскости поперечных сечений и, перемещаясь вниз (внутри жидкости Ж) под действием силы тяжести, одновременно участвует во вращательном движении внутри вращающихся потоков жидкости Ж, омывающих частицы растворяемого вещества. Поэтому вещество внутри емкости 1 интенсивно частично растворяется (и набухает) в жидкости Ж по мере достижения дна емкости 1, превращаясь в жидкий раствор ЖР (фиг.2, 3). В результате в захваченной (снизу емкости 1) всасывающим факелом ВФ7 части жидкого раствора нерастворенные внутри емкости 1 частицы растворяемого вещества растворяются практически мгновенно в ультразвуковом реакторе 10 УЗР (фиг.4). В захваченной (снизу емкости 1) всасывающим факелом ВФ2 части жидкого раствора нерастворенные внутри емкости 1 частицы растворяемого вещества растворяются практически мгновенно внутри камеры ионизации электродного проточного котла 3, ЭПК (фиг.1, 5). Очень важно, что до полного растворения растворяемого вещества от момента его засыпки в емкость объемом 2 м³ проходит не более 5 мин (в отличие от первого аналога - 1,5 часа), т.е. в 18 раз быстрее, и раствор получается идеальной равномерности.

Таким образом достигается первый положительный результат предлагаемого изобретения, а именно многократно большие скорость растворения и равномерность раствора.

В течение этих 5 мин температура жидкого раствора ЖР, который непрерывно обрабатывается ультразвуком в реакторе 10 (УЗР) и внутри камеры ионизации электродного котла 3 (ЭПК), непрерывно увеличивается и достигает 95°C, т.е. заданной. При достижении заданной температуры температурное реле 13, TP (фиг.5), отключает электрическое питание электродного приточного котла 3, ЭПК (фиг.1, 5), и раствор полностью готов к использованию, например к подаче на шлихтовальную машину. Для равномерной подачи приготовленного раствора приоткрывают вентиль (на чертежах не обозначен) сливного патрубка 4 емкости 1 (фиг.1) на заданную величину открытия и жидкий раствор ЖР из емкости 1 постепенно и непрерывно из патрубка 4 емкости 1 поступает на шлихтовальную машину по мере его расходования машиной. При этом уровень ЖР в емкости 1 непрерывно уменьшается. Для полной выработки раствора шлихты для, например, шлихтовальной машины из емкости 1 объемом 2 м³ требуется в среднем 2 часа. Все это время инфракрасные излучатели 5 (R_Э) (при отключенном электродном котле 3, ЭПК), подключенные к управляемому выходу авторегулятора 15, АРНТ (фиг.1, 5), поддерживают заданную температуру жидкого раствора ЖР 95°C, а ультразвуковая система растворения (фиг.4) продолжает работать, непрерывно поддерживая равномерность раствора и не позволяя образовываться осадкам.

По мере уменьшения уровня раствора ЖР в емкости 1 его масса внутри емкости непрерывно уменьшается и на поддержание заданной температуры раствора расходуется все меньше электрической энергии, поскольку посредством авторегулятора 15 (АРНТ) непрерывно уменьшается напряжение питания инфракрасных нагревателей 5, R_Э (фиг.1, 5).

Датчик температуры 14 (ДТ) раствора ЖР установлен на емкости 1 (фиг.1, 5) в нижней части емкости 1 на уровне ее сливного патрубка 4 (фиг.5). Поэтому на управляющий вход авторегулятора температуры 15, АРНТ (фиг.5), поступает управляющий сигнал с датчика, полностью соответствующий фактической температуре жидкого раствора ЖР (фиг.1, 2, 3, 5) в емкости 1. До полного слива ЖР из емкости 1 его температура непрерывно поддерживается заданной, а электрическое напряжение питания инфракрасных излучателей 5, R_Э (фиг.1, 5), посредством авторегулятора непрерывно уменьшается. Уменьшается и расход электрической энергии на поддержание заданной температуры жидкого раствора ЖР в емкости 1.

Таким образом, в заявляемом техническом решении не только достигается второй положительный результат - повышение надежности и точности контроля температуры раствора, но и создается дополнительный положительный эффект.

Этот дополнительный эффект заключается в непрерывном уменьшении расхода энергии на поддержание заданной температуры жидкого раствора ЖР внутри емкости по мере его вытекания из емкости. Для шлихтовального производства это является важным эффектом, поскольку жидкий раствор ЖР из емкости 1 сливается (срабатывается) в течение 2 (двух) часов.

Источники информации

1. Живетин В.В., Брут-Бруляко А.Б. Устройство и обслуживание шлихтовальных машин. Издание второе. М.: Легпромбытиздат, 1988. С-240.

2. Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1980. // С.-469.

3. АС №220744, кл. F26B 5/02, 1952.

4. Патент GB №2227823, кл. F26B 13/14.

5. АС №731234, кл. F26B 13/18, опубл. 30.04.80.

6. Патент RU №22177129, кл. F26B 13/18, опубл. 20.12.2001.

7. АС №514177, кл. F26B 13/18, опубл. 15.05.76.

8. Патент DM №1226287, НКИ 39az 7/14, 1966.

9. Джемисон P.X. Физика и техника инфракрасного излучения. М.: Изд. Советское радио, 1965 // С.-535.

10. http://www.lisma-guprm.ru.

11. АС №596795, кл. F26B 13/18, опубл. 05.03.78.

12. Патент RU A1 №1781523, кл. F26B 13/14, опубл. 15.12.1992.

13. Патент RU №2263730, МПК D06B 15/00, F26B 13/00, 2005.

14. Патент RU №2300589, МПК D06B 15/00, F26B 13/00, 2007.

15. Патент RU №2269730, МПК F26B 13/18, 2006.

16. Патент RU №2355961, МПК F26B 3/34, 13/08, 2009.

17. Патент RU №2431793, МПК F26B 3/34, 2011.

18. http://www.galan.ru/products/electrod/index.shtm.

19. http://velebit.tiu.ru/p250702-elektrodnye-kotly.html.

20. Патент RU №2442935, МПК F24H 1/18, 20.02.2012 г.

21. http://www.alexplus.ru/technologies/dissolution.html.

22. http://www.ultrasonicteo.ru/medicina.html.

Изобретение относится к технологии растворения труднорастворимых сложных полимеров типа крахмала и к технологии нагрева жидких субстанций внутри вертикальных цилиндрических емкостей, высота которых существенно больше размеров днища. Изобретение может быть использовано для получения технологических растворов в неподвижных емкостях для промывки деталей, тросов и других изделий после изготовления или перед сборкой; для получения подогретых растворов (электролитов) в электролизных и гидролизных емкостях, в гальванических ваннах; для получения подогретых растворов с целью очистки деталей от механических загрязнений; для приготовления раствора шлихты и подачи его в клеевую ванну шлихтовальной машины ткацкого производства текстильной промышленности. Днище цилиндрической вертикальной емкости нагревают инфракрасными излучателями. Жидкость в емкости разделяют на две части, одну из которых оставляют в емкости, а другую часть помещают в неподвижную трубу, параллельную емкости снаружи, гидравлически соединенную с емкостью концами в нижней и верхней частях емкости, как сообщающиеся сосуды, нагревают эту часть жидкости внутри трубы посредством электродного котла на трубе, объединяя инфракрасные излучатели днища и электродный котел общей автоматической системой нагрева с датчиком температуры жидкости, при этом подключая внутреннюю полость емкости сверху и снизу трубами к проточному ультразвуковому реактору. Дополнительно создают циркуляцию жидкости вместе с растворяемым веществом внутри емкости, присоединяя верхний конец трубы к электродному котлу, тангенциально к внутренней окружности емкости, а нижний конец - также тангенциально в противоположном направлении относительно верхнего конца таким образом, что всасывающий факел нижнего конца совпадает по направлению с приточной струей верхнего конца, при этом нагнетающую трубу от ультразвукового реактора присоединяют к емкости сверху, диаметрально противоположно верхнему концу трубы с электродным котлом, тангенциально к внутренней окружности емкости, а заборную трубу реактора присоединяют к емкости снизу, напротив нижнего конца трубы с электродным котлом, тангенциально к внутренней окружности емкости так, что всасывающий факел заборной трубы снизу одинаков по направлению к приточной струе нагнетающей трубы сверху, причем всасывающие факелы от нижнего конца трубы с котлом и заборной трубы реактора размещают диаметрально противоположно в плоскости окружности так, что силы всасывания жидкости образуют вращающий момент в этой плоскости, а приточные струи в верхней части емкости от верхнего конца трубы с котлом и от нагнетающей трубы от реактора размещают аналогично, формируя аналогичный вращающий момент в жидкости верхней части емкости. Датчик температуры размещают в нижней части емкости на уровне сливной трубы. Способ обеспечивает увеличение скорости приготовления растворов, равномерности растворов, повышение надежности и точности поддержания заданной температуры растворов внутри емкости и значительное снижение энергоемкости процессов растворения. 5 ил.

Способ получения растворов в цилиндрической вертикальной емкости, нагреваемой в основном со стороны днища, например, для работы шлихтовальной машины ткацкого производства, в котором днище нагревают инфракрасными излучателями, а жидкость в емкости разделяют на две части, одну из которых оставляют в емкости, а другую часть помещают в неподвижную трубу, параллельную емкости снаружи, гидравлически соединенную с емкостью концами в нижней и верхней частях емкости, как сообщающиеся сосуды, и нагревая эту часть жидкости внутри трубы посредством электродного котла на трубе, объединяя инфракрасные излучатели днища и электродный котел общей автоматической системой нагрева с датчиком температуры жидкости, при этом подключая внутреннюю полость емкости сверху и снизу трубами к проточному ультразвуковому реактору, отличающийся тем, что дополнительно создают циркуляцию жидкости вместе с растворяемым веществом внутри емкости, присоединяя верхний конец трубы с электродным котлом к емкости тангенциально к ее внутренней окружности, а нижний конец - также тангенциально в противоположном направлении относительно верхнего конца таким образом, что всасывающий факел нижнего конца совпадает по направлению с приточной струей верхнего конца, при этом нагнетающую трубу от ультразвукового реактора присоединяют к емкости сверху, диаметрально противоположно верхнему концу трубы с электродным котлом, тангенциально к внутренней окружности емкости, а заборную трубу реактора присоединяют к емкости снизу, напротив нижнего конца трубы с электродным котлом, тангенциально к внутренней окружности емкости так, что всасывающий факел заборной трубы снизу одинаков по направлению приточной струе нагнетающей трубы сверху, причем всасывающие факелы от нижнего конца трубы с котлом и заборной трубы реактора размещают диаметрально противоположно в плоскости окружности так, что силы всасывания жидкости образуют вращающий момент в этой плоскости, а приточные струи в верхней части емкости от верхнего конца трубы с котлом и от нагнетающей трубы от реактора размещают аналогично, формируя аналогичный вращающий момент в жидкости верхней части емкости, кроме того, датчик температуры размещают в нижней части емкости на уровне сливной трубы.