Вихревое соноплазмохимическое устройство Российский патент 2019 года по МПК B01J19/08 B01J19/10 C02F1/00 C02F1/36 C02F1/48 

Устройство относится к физико-химическим инструментам плазмохимических технологий, а также к экологии и может быть использовано, например, в системах кондиционирования воды, в частности, для обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод.

Цель создания устройства - расширение возможностей плазмохимических технологий, включая соноплазменные технологии, используемые в основном для осуществления гетеро-фазных процессов, и в том числе для решения важной и актуальной задачи - обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод.

Предлагаемое устройство - соноплазмохимический реактор, обеспечивающее достижение поставленной цели, характеризуется тем, что включает комбинацию взаимно адаптированных вихревого гидроакустического излучателя и трубчатого плазмохимического реактора, что позволяет получить синергичную эффективность, за счет мощной кавитации в вихревом потоке, проходящем через трубчатый плазмохимический реактор.

Известно, что плазмохимические процессы высокопроизводительны, при почти полной необратимости протекающих реакций. Одной из важных областей применения плазмохимии, является технология обеззараживания воды, поскольку взаимодействие активных частиц плазмы с вредными химическими соединениями или микроорганизмами приводит к их разрушению.

В настоящее время известно множество методов очистки и обеззараживания воды: механическая фильтрация, биохимические методы, химические методы, озонирование, акустическая, ультрафиолетовая, электроимпульсная, рентгеновская обработка, воздействие ударными волнами. Одними из перспективных методов водоподготовки и очистки сильнозагрязненных сточных вод являются методы, основанные на плазмохимических процессах в жидко-газовых средах. (Абрамова А.В., Булычев Н.А., Градов О.М. и др. Воздействие плазмы на биологические объекты в жидкофазных средах. «Перспективные материалы и технологии». Витебск, 2011; Patent WO 2014182715A1, 2013; Булычев А., Казарян Н.А., Чернов М.А., и др. Воздействие плазменного разряда в жидкости на микробиологические объекты и создание технологии плазменной стерилизации воды. Альтернативная энергетика и экология. 2013. №5 (126), ч. 2. - С. 114-119; Patent US 7067204 В2, Chinese ZL 03807461.3, Korean 10-2004-7015057).

Несмотря на некоторые успехи, достигнутые при испытаниях, холодная плазменная обработка воды не получила распространения на практике, поскольку источники холодной плазмы технически сложно и экономически невыгодно масштабировать.

Существенно повышает эффективность плазменной обработки комбинация вышеупомянутого способа с ультразвуком, генерируемым, в частности, несложными в исполнении, относительно недорогими и хорошо зарекомендовавшими себя гидроакустическими преобразователями (Саруханов Р.Г., Пучков В.В., Шибуня В.С и др., АС 1251962, АС 1732531, АС 1472433, АС 1550713, АС 1480215, АС 1494317 АС 1034790, RU 2651197, RU 2467956).

Известно, что гидроакустические преобразователи, излучающие широкополосный спектр акустических колебаний, в ряде случаев предпочтительнее моно-частотных пьезоэлектрических и/или магнито-стрикционных излучателей ультразвука. В частности, импульсный вихревой гидроакустический излучатель весьма эффективен для интенсификации технологических процессов в жидкостях, за счет того, что жидкая среда, поступая в вихревые камеры, испытывает действие изменяющихся во времени центробежных сил, вследствие чего реализуется импульсный режим генерации и повышается амплитуда колебаний частиц в жидкости (Саруханов Р.Г., и др. SU 1579580 A1, 1983). Известно также, что комбинированное (сочетанное) действия различных физических факторов часто оказывается весьма эффективным при воздействии на ряд физико-химических процессов (Акопян В.Б., Ершов А.Ю. Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). - М: «ЮРАЙТ». 2016, 223 с).

Эффективность соноплазменных процессов убедительно доказана, однако, лишь в лабораторных условиях на малопроизводительных лабораторных установках (S. Nomura, Н. Toyota Sonop lasma generated by a combination of ultrasonic waves and microwave irradiation Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 4503; A. Zolezzi-Garreton, О Abramov, V. Abramov US 20100039036 A1, 2008; S. Mukasa, S. Nomura, H. Toyota, Measurement of Temperature in Sonoplasma Japanese Journal of Applied Physics 2004 43, 1, 5B; A. Zolezzi-Garreton P. n: 20150139853, 20160272518; P. Cintas, S. Tagliapietra, M. Caporaso et al., Enabling technologies built on a sonochemical platform: Challenges and opportunities, Ultrasonics Sonochemistry 2015, 25, Pp 8-16;. Абрамов O.B, Абрамов B.O., Андрианов Ю.В., и др., Соноплазменный разряд в жидкой фазе, Материаловедение, 2009, 2, 143, с. 57; Абрамов В.О., Андриянов Ю.В., Кистерев Э.В., и др. Плазменный разряд в кавитирующей жидкости, Инженерная физика, 2009, 8, с. 34.). Сообщалось даже о возможности термоядерных реакций с излучением холодных нейтронов в поле мощного ультразвука (Taleyarkhan R.P., West C.D., Cho J.S., et al. Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. Science 2002, 295, 1868; M. Sato, H. Sugai, T. Ishijima, at al. Condition of Multibubble Sonofusion and Proposal of Experimental Setup, arXiv:physics/0508191), так и не получивших достоверного подтверждения (Shapira D., Saltmarsh М., Nuclear Fusion in Collapsing Bubbles-Is It There? An Attempt to Repeat the Observation of Nuclear Emissions from Sonoluminescence, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 10, 104302).

Предлагаемое изобретение - соноплазмохимический реактор - характеризуется тем, что включает комбинацию взаимно адаптированных вихревого гидроакустического излучателя и трубчатого плазмохимического реактора, что позволяет получить синергичную эффективность, за счет мощной кавитации в вихревом потоке, проходящем через трубчатый плазмохимический реактор.

Устройство легко масштабируемо, например, организацией параллельных потоков.

Устройство включает: входной патрубок (1), в корпусе вихревого устройства (2), резонаторные камеры (3) с вакуумной зоной (4), трубчатые анод и катод (5), выходное сопло (6), входные штуцера для подачи газовой смеси (7), отверстия в трубчатых катоде и аноде (8).

Устройство функционирует следующим образом:

Жидкая среда поступает по каналу 1 в корпусе соноплазмохимического вихревого устройства 2 в вихревые резонаторные камеры (3) с вакуумной зоной (4), в которых поток закручивается. Вихревое движение в эллипсоидальных вихревых камерах характеризуется ускорениями потока у стен вихревых камер с меньшей кривизной, то течение рабочей среды оказывается сильно турбулизированным и нестационарным. При этом камеры 3 периодически заполняются рабочей средой и опорожняются, генерируя при этом упругие колебания, распространяющиеся по направлению потока. В результате, постоянно и резко меняющиеся по величине и направлению скорости и градиенты скоростей в потоках жидкости в резонансных камерах обуславливают импульсный режим генерации колебаний, зависящий, в том числе и от кривизны поверхностей вихревых камер определяющих структуру и анизотропию поля скоростей и давлений.

В результате функционирования устройства, поток жидкости направляется по каналу (1) в корпусе соноплазмохимического вихревого устройства (2) в вихревые резонаторные камеры (3) с вакуумной зоной (4), расположенные на входе устройства, в жидкости возникает кавитация и в промежуток между электродами (5), попадает поток кавитирующей жидкости, совершающей, к тому же вихревое движение. Дополнительно, через отверстия (8), поступающий через входные штуцеры (7) для подачи газовой смеси газ, обеспечивает увеличение количества кавитирующих пузырьков. В электрическом поле, такие кавитационные пузырьки, несущие поверхностный заряд (Сиротюк М.Г., Акустическая кавитация, М. Наука, 2008), выстраиваются в цепочки, образуя множество микроканалов в промежутке между электродами, облегчая электрический пробой и поддерживая электрический разряд, сходный по своим свойствам с аномальным тлеющим разрядом (Химическая энциклопедия, 1992). Такой разряд с развитой поверхностью микроканалов приводит к увеличению диффузионных потоков химически активных частиц из плазмы в жидкость, ускоряя технологические процессы, в частности разрушая биомакромолекулы, включая вирусы, и подавляя жизнеспособность отдельных клеток, в том числе болезнетворных бактерий. Обработанная в вихревом соноплазмохимическом устройстве вода покидает устройство через сопло (6).

Следует отметить, что трубчатая конструкция устройства, объединенная с гидроакустическим преобразователем, легко масштабируема вплоть до промышленных размеров, в частности, увеличением числа параллельных потоков.

Как следует из вышеприведенного, совокупность отличительных признаков заявленного устройства обеспечивает комбинированное воздействие на жидкие среды, движущиеся с высокими градиентами скоростей в потоке, и мощных импульсов давления, создаваемых кавитационными пузырьками, в купе с влиянием порождаемой между электродами плазмой.

В результате проведенного анализа уровня техники, источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства, не обнаружен, следовательно, заявленное устройства соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенное техническое решение обладает свойствами, обеспечивающими сочетанное действие сопровождающих ультразвуковую кавитацию эффектов и присущих плазме специфически свойств. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию «изобретательский уровень».

Для заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле устройства, нет препятствий для его реализации с получением вышеуказанного результата. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию "промышленная применимость".

Предлагаемое устройство создает необходимое разнообразие, обеспечивая возможность оптимального выбора устройств для интенсификации ряда процессов, в том числе и обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод.

Изобретение относится к вихревому соноплазмохимическому устройству для обработки жидких сред, которое может быть использовано, например в системах кондиционирования воды для обеззараживания водопроводной, морской и сточных вод. Устройство содержит корпус, входной патрубок, резонаторные камеры с вакуумной зоной, выполненные с возможностью закручивания в них потока жидкости и генерирования упругих колебаний, распространяющихся по направлению потока жидкости, обеспечивая кавитацию в потоке жидкости, трубчатые анод и катод, входные штуцера для подачи газовой смеси и выходное сопло. Изобретение обеспечивает комбинированное воздействие на жидкие среды сопровождающих ультразвуковую кавитацию эффектов и присущих плазме специфических свойств. 1 ил.

Вихревое соноплазмохимическое устройство для обработки жидких сред, содержащее корпус, входной патрубок, расположенные на входе устройства резонаторные камеры с вакуумной зоной, выполненные с возможностью закручивания в них потока жидкости, а также с возможностью периодического заполнения рабочей средой и опорожнения, и генерирования упругих колебаний, распространяющихся по направлению потока жидкости, обеспечивая кавитацию в потоке жидкости, трубчатые анод и катод, в промежуток между которыми попадает поток кавитирующей жидкости, совершающей вихревое движение, входные штуцера для подачи газовой смеси, при этом трубчатые анод и катод выполнены с отверстиями для поступающей через входные штуцера газовой смеси, которая обеспечивает увеличение количества кавитирующих пузырьков, и выходное сопло.