СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВОГО КЛАСТЕРА ЗАДАННОЙ КОНФИГУРАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК B01F23/23 

Изобретение относится к разработке способов аэрации, предназначенных для введения газа в жидкость, и может быть использовано в различных областях техники и технологии (кипячение, насыщение воды кислородом и углекислым газом, кавитация, вспенивание, флотация, биологические очистные сооружения и т.д.), а также при лабораторных исследованиях физико-химических процессов в пузырьковых средах.

В ряде случаев необходимо обеспечить получение пузырькового кластера заданной конфигурации, в частности, при исследовании зажигания электрического разряда в жидкостях с помощью специально создаваемых кавитационных пузырьков [1] и при исследовании влияния поверхностно-активных веществ и акустических волн на динамику пузырьковых кластеров [2-4].

Известен способ введения пузырьков газа в жидкую среду, реализованный в аэрационном устройстве [5]. Основная особенность данного устройства заключается в том, что оно содержит плавучий элемент, обеспечивающий удержание аэрационного устройства на плаву в жидкости. Аэратор выполнен в виде диффузора с возможностью создания из вводимого в него газа множества пузырьков диаметром (1÷7) мм.

Известен способ получения газовых пузырьков в контейнере [6]. Устройство для реализации способа включает вращающийся газопроницаемый полый вал, расположенный в контейнере, и аэрационные диски. сжатый газ подают во вращающийся полый вал, из которого газ поступает через перфорации в контейнер. с помощью аэрационных дисков получают пузырьки жидкости диаметром (1÷200) мкм.

Указанные способы и реализующие их устройства не позволяют получить компактный пузырьковый кластер, поскольку они предназначены для формирования непрерывного потока пузырьков в жидкости.

Известен способ получения сферического кластера пузырьков в жидкости [7], основанный на введении через боковую стенку сосуда с помощью иглы одиночного пузырька газа диаметром (1÷2) мм и последующего его дробления на полидисперсные микропузырьки акустическим полем с частотой 625 Гц.

Известен способ получения эллипсоидального кластера пузырьков в колбе с водным раствором серной кислоты [8]. способ основан в двухчастотном акустическом воздействии на водный раствор серной кислоты с растворенным в нем газообразном аргоном. На геометрический центр колбы воздействуют акустическим полем с частотами f_{1 =} 30.35 кГц и f₂= 333.85 кГц, в результате чего образуется эллипсоидальный пузырьковый кластер из полидисперсных пузырьков микронных размеров.

К недостаткам данных способов относятся невозможность получения кластера монодисперсных пузырьков миллиметровых размеров, а также сложность реализующих эти способы установок.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, реализованный в устройстве, для получения компактного пузырькового кластера [9]. способ включает импульсную подачу газа из коллектора, соединенного с источником сжатого газа и размещенного в нижней части резервуара с жидкостью, через трубки одинакового диаметра, установленные в верхней перфорированной крышке коллектора. Для получения пузырькового кластера газ из коллектора одновременно подают через трубки разной высоты, размещенные на равноотстоящих концентрических окружностях в верхней крышки коллектора.

Данный способ обеспечивает возможность получения компактного кластера с равномерным пространственным распределением пузырьков, однако не позволяет получить кластер произвольной заданной конфигурации.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения пузырькового кластера заданной конфигурации с равномерным распределением монодисперсных пузырьков по его объему и с контролируемыми значениями диаметра пузырьков и их объемной концентрации.

Технический результат достигается тем, что разработан способ получения пузырькового кластера заданной конфигурации, включающий импульсную подачу газа из коллектора, соединенного с источником сжатого газа и размещенного в нижней части резервуара с жидкостью, через трубки одинакового диаметра, установленные в верхней перфорированной крышке коллектора. Кластер получают путем последовательной подачи с одинаковым интервалом времени N групп пузырьков, образующих горизонтальный слой, через трубки одинаковой высоты, установленные на равноотстоящих расстояниях друг от друга. Каждую из трубок соединяют с коллектором через отдельный электоропневмоклапан. Расположение трубок, открываемых электоропневмоклапаном для каждой из N групп пузырьков, задают с помощью контроллера, запрограммированного с возможностью заполнения пузырьками каждого из N слоев, расположенных в последовательных по высоте горизонтальных сечениях кластера заданной конфигурации. Давление газа в коллекторе, внутренний диаметр трубок, минимальное расстояние между осями трубок, объемную концентрацию пузырьков в кластере, время открытия каждого из электоропневмоклапанов и интервал времени между подачей каждой из N групп пузырьков определяют из соотношений:

где

N - количество групп (горизонтальных слоев), пузырьков образующих кластер;

- давление газа в коллекторе;

- атмосферное давление;

- плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения;

H - высота столба жидкости в резервуаре над верхней крышкой коллектора;

d - внутренний диаметр трубки;

D - заданный диаметр пузырька в кластере;

- коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

l - расстояние между осями трубок;

- объемная концентрация пузырьков в кластере;

t₁ - время открытия каждого из электоропневмоклапанов;

- плотность газа;

t₂ - интервал времени между подачей каждой из N групп пузырьков;

u(D, ρ_l, μ_l) - скорость всплытия пузырька газа диаметром D в жидкости с физическими характеристиками ρ_l, μ_l;

μ_l - коэффициент динамической вязкости жидкости.

Сущность изобретения поясняется следующими рисунками.

Фиг. 1 схема экспериментальной установки для реализации способа.

Фиг. 2. Фотография коллектора со стороны верхней крышки.

Фиг. 3. Расположение трубок, открываемых электропневмоклапанами для каждой из N групп пузырьков, в случае цилиндрической конфигурации кластера.

Фиг. 4. Расположение трубок, открываемых электропневмоклапанами для каждой из N групп пузырьков, в случае сферической конфигурации кластера.

Фиг. 5. Фотография одиночного пузырька, образующегося на конце трубки.

Фиг. 6. Фотография всплывающего одиночного слоя монодисперсных пузырьков.

Фиг. 7. Фотография всплывающего пузырькового кластера цилиндрической конфигурации.

Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.

1. Последовательная подача N групп пузырьков позволяет сформировать N горизонтальных пузырьковых слоев 12, всплывающих в жидкости 2 (Фиг. 1). Пузырьки газа 13, поступающие в жидкость 2 из коллектора 3 с постоянным давлением через трубки 6 одинакового диаметра, будут монодисперсными. следовательно, скорость всплытия каждого пузырька, а также каждого из N пузырьковых слоев будет одинакова.

2. Подача N групп пузырьков с одинаковым интервалом времени t₂ позволяет обеспечить одинаковое расстояние h между N пузырьковыми слоями 12 с учетом постоянной скорости всплытия во всплывающем кластере (Фиг. 1).

3. Подача газа через трубки 6 одинаковой высоты, установленные на равноотстоящих расстояниях друг от друга, обеспечивает формирование плоских горизонтальных пузырьковых слоев 12, образующих кластер. При этом в каждом из N слоев 12 пузырьки будут равномерно распределены.

4. Соединение каждой из трубок 6 с коллектором 3 через отдельный электропневмоклапан 10 позволяет варьировать количество и расположение пузырьков, поступающих в каждый из N слоев 12.

5. Расположение трубок, открываемых электоропневмоклапаном для каждой из N групп пузырьков, задаваемое с помощью запрограммированного контроллера 11, позволяет сформировать кластер заданной конфигурации, заполненный пузырьками каждого из N слоев, расположенных в последовательных по высоте N его горизонтальных сечениях. В частности, для случая N = 9 схемы расположения трубок, открываемых электоропневмоклапанами 10 для каждой из n = 1, 2, …, N групп пузырьков (слоев) приведены на Фиг. 3 (для цилиндрической конфигурации кластера) и на Фиг. 4 (для сферической конфигурации). На Фиг.3 и Фиг. 4 светлые точки соответствуют открытым трубкам, темные точки - закрытым трубкам.

Можно отметить аналогию процесса формирования пузырькового кластера заданной конфигурации с процессом получения трехмерных изделий методом 3D печати.

6. Для поступления пузырьков газа через трубку в жидкость необходимо, чтобы давление в коллекторе превышало гидростатическое давление жидкости в нижней части резервуара:

При отработке способа было экспериментально получено уточненное соотношение (1) для определения давления p_k, при котором устойчиво образуется одиночный пузырек при импульсной подаче газа в трубку:

.

7. Для определения внутреннего диаметра d трубки 6 рассмотрим условие отрыва пузырька газа от конца трубки - подъемная сила Архимеда должна превышать с илу поверхностного натяжения :

где

Подставляя (9) и (10) в (8), получим:

Из (11) следует соотношение для определения внутреннего диаметра трубки:

При отработке способа было экспериментально получено уточненное соотношение (2) для определения внутреннего диаметра трубки:

, или .

8. Соотношение (3) для определения минимального расстояния между осями трубок

получено экспериментально из условия получения отдельных пузырьков газа. При возможна коалесценция пузырьков на начальном участке траектории их движения.

9. Соотношение (4) для определения объемной концентрации пузырьков в кластере можно получить из формулы связи объемной концентрации сферических частиц диаметром D, равномерно распределенных в объеме кластера, с расстоянием l между центрами соседних частиц [4]:

,

где k = l/D - безразмерное расстояние между центрами соседних частиц.

Максимально возможное значение объемной концентрации ()_max = π/6≈0.52 соответствует плотной упаковке частиц при k = 1 (поверхности частиц соприкасаются).

Поскольку расстояние между центрами соседних пузырьков l равно расстоянию между осями трубок 6 и в соответствии с (3) составляет , то концентрация пузырьков в кластере не превышает значения

.

С увеличением расстояния l между осями трубок концентрация пузырьков в кластере будет уменьшаться.

10. Для определения времени открытия t₁ каждого из электоропневмоклапанов 10 рассмотрим время заполнения газом пузырька объемом V=πD³/6:

где объемный расход газа Q определяется уравнением [10]:

Здесь - площадь проходного сечения трубки 6 для подачи газа в резервуар 1;

- перепад давления на трубке 6.

С учетом (1), (7) получим:

Подставляя (14) и (15) в (13), получим соотношение (5) для определения t₁:

.

11. Для определения интервала времени t₂ между подачей каждый из N групп пузырьков рассмотрим расстояние h между соседними всплывающими слоями пузырьков 12 (Фиг. 1). Поскольку пузырьки монодисперсны, то скорость их стационарного всплытия постоянна и зависит от диаметра пузырька D и режима всплытия, определяемого физическими характеристиками жидкости - плотностью и коэффициентом динамической вязкости μ_l:

u(D, ρ_l, μ_l) = const.

При этом расстояние между соседними слоями пузырьков определяется формулой

Для получения кластера с равномерным распределением пузырьков в его объеме необходимо, чтобы расстояния h и l были одинаковыми:

Из уравнения (17) следует соотношение (6) для определения промежутка времени t₂:

.

Скорость стационарного всплытия одиночного пузырька определяется с помощью расчета по известным эмпирическим зависимостям [11, 12]. В частности, скорость стационарного всплытия сферического пузырька в однородной вязкой жидкости при значениях числа Рейнольдса:

описывается формулой Адамара-Рыбчинского [11, 13]:

Пример реализации

С целью реализации заявляемого способа разработана экспериментальная установка для получения пузырькового кластера заданной конфигурации. Установка, схема которой приведена на Фиг. 1, включает размещенный в нижней части резервуара 1 с жидкостью 2 коллектор 3 с газопроницаемой верхней крышкой 4, соединенный патрубком 5 с источником сжатого газа. Резервуар 1 выполнен в виде кюветы с плоскопараллельными стенками из оптического с текла размером 0.30.30.6 м для обеспечения возможности визуализации процесса всплытия кластера пузырьков.

В верхней крышке 4 коллектора 3 выполнены перфорации, в которых установлены трубки 6 одинакового диаметра и высоты для подачи пузырьков газа в жидкость (Фиг. 1). Трубки расположены в виде квадратной матрицы размером 8888 мм, состоящей из девяти слоев по девять трубок в каждом (всего 81 трубка). В качестве трубок используются медицинские инъекционные иглы. Общий вид коллектора 3 со стороны верхней крышки 4 приведен на фотографии (Фиг. 2).

В качестве источника газа используется баллон 7 со сжатым воздухом, соединенный через редуктор 8 и патрубок 5 с коллектором 3. Для контроля давления p_k в коллекторе 3 используется манометр 9.

Каждая из трубок 6 соединена с коллектором 3 через отдельный электоропневмоклапан 10. В экспериментах использовались миниатюрные электоропневмоклапаны марки CJAV08-2B05A1 с напряжением питания 5 В (КНР). Расположение трубок 6, открываемых электоропневмоклапанами 10, задают с помощью контроллера 11. Контроллер 11 заранее запрограммирован с возможностью заполнения пузырьками каждого из N слоев 12, расположенных в последовательных по высоте горизонтальных сечениях кластера заданной конфигурации.

Работа установки осуществляется следующим образом. с помощью редуктора 8 устанавливают постоянное давление p_k в коллекторе 3, соответствующее условию (1). Это давление обеспечивает образование одиночного пузырька воздуха на конце трубки 6, при открытом электоропневмоклапане 10. Фотография стадий образования и отрыва пузырька приведена на Фиг. 5. с помощью контроллера 11 одновременно подают импульс электрического напряжения 5 В от источника питания на группу электоропневмоклапанов, открывающих заданную группу трубок. Длительность импульса t₁ соответствует условию (4). При этом в жидкость поступает первый слой пузырьков (n = 1), всплывающих в жидкости (Фиг. 6).

Далее через одинаковые промежутки времени t₂, соответствующие условию (6), с помощью контроллера 11 подают на электоропневмоклапаны 10 импульсы напряжения, обеспечивающие получение следующих пузырьковых слоев (n = 2, 3,…, N), образующих кластер. Заданная конфигурация кластера обеспечивается заранее заданным программным кодом на контроллере 11.

В качестве примера реализации рассмотрим результаты получения пузырькового кластера в виде цилиндра радиусом R = 33 мм, cостоящего из монодисперсных пузырьков воздуха диаметром D=3 мм, всплывающего в глицерине. Необходимые для проведения расчетов значения физических характеристик глицерина [14] приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физические характеристики глицерина при температуре 20°С Параметр ρ_l, кг/м³ σ, H/м μ_l, Па⋅с Значение 1260 63·10⁻³ 1.48

Высота столба жидкости 2 в резервуаре 1 составляет H=0.8 м, в качестве принято нормальное атмосферное давление = Па, плотность воздуха при комнатной температуре ρ_g = 1.205 кг/м³.

1. Определяется давление в коллекторе p_k по соотношению (1):

2. Определяется внутренний диаметр трубки d по соотношению (2):

Для экспериментов в качестве трубок использовались медицинские инъекционные иглы калибром 33G с внутренним диаметром d = 0.11 мм. Фотография одиночного пузырька, образующегося на конце иглы калибром 33G, приведена на Фиг. 5. Измеренное значение диаметра пузырька D = 3.1 мм незначительно отличается от заданного (D = 3 мм).

3. Выбирается расстояние l между осями трубок 6 в соответствии с соотношением (3). с учетом габаритов используемых электоропневмоклапанов было выбрано значение

l = 11 мм>2.8D=8.4 мм.

4. Рассчитывается объемная концентрация пузырьков в кластере по соотношению (4):

5. Рассчитывается время открытия t₁ каждого из электоропневмоклапанов по соотношению (5):

6. Интервал времени t₂ между подачей каждый из N групп пузырьков рассчитывается по соотношению (6). Предварительно рассчитывается скорость всплытия пузырька по формуле (18):

Подставляя скорость всплытия пузырька в соотношение (6), получим:

Для проверки условия (18) использования формулы Адамара-Рыбчинского (19) рассчитаем число Рейнольдса для условий проведенных экспериментов:

.

Таким образом, условие (18) выполняется.

Для определенных выше параметров установки (p_{k =} 113.7 кПа; d = 0.11 мм; l = 11 мм; t₁ = 23 мс; t₂ = 1.8 c), была проведена серия экспериментов и получены видеокадры всплытия одиночного слоя пузырьков 12 (Фиг. 6) и пузырькового кластера цилиндрической формы 14 (Фиг. 7). Диаметр монодисперсных пузырьков в кластере D=3.1 мм, объемная концентрация пузырьков C_V = 0.011.

Таким образом, из приведенного примера следует, что при реализации заявленного изобретения достигается положительный результат - получение пузырькового кластера заданной конфигурации с равномерным распределением монодисперсных пузырьков по его объему и с контролируемыми значениями диаметра пузырьков и их объемной концентрации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дрожжин А.П., Коробейников C.М., Тесленко В.С. Инициирование пробоя в жидкости с помощью кавитационных пузырьков // Научный вестник НГТУ. - 2003. - № 2. - c. 1-11.

2. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Физматгиз, 1959. - 699с.

3. Гуськов О.Б. О движении кластера сферических частиц в идеальной жидкость // Прикладная математика и механика. - 2014. - Т. 78, № 2. - c. 186-193.

4. Архипов В.А., Васенин И.М., Усанина А.С., Шрагер Г.Р. Динамическое взаимодействие частиц дисперсной фазы в гетерогенных потоках. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2019. - 328 c.

5. Патент РФ № 2491116, МПК B01F 3/04, B01F 13/00, C02F 3/20. Аэрационное устройство для введения пузырьков газа в жидкую среду / МАГЕН Ханок (IL) - Опубл. 27.08.2013. Бюл. № 24.

6. Патент РФ № 2788624, МПК B01F 3/04. Устройство и способ получения газовых пузырьков в жидкости / Бири М., Шульц Й., Тичек Г., Габрис Т. - Опубл. 23.01.2023. Бюл. № 3.

7. Naohiro Sugita , Keita Ando, Toshihiko Sugiura. Experiment and modeling of translational dynamics of an oscillating bubble cluster in a stationary sound field // Ultrasonics. 2017, Vol. 77. - P. 160-167.

8. Dellavale D., Bonetto F.J. Stable tridimensional bubble clusters in multi-bubble sonoluminescence (MBSL) // Ultrasonics Sonochemistry. 2015, Vol. 22. - P. 59-69.

9. Патент РФ № 2670228, МПК B01F 3/04, C02F 3/10. Устройство для создания компактного кластера монодисперсных пузырьков / Архипов В.А., Усанина А.С., Басалаев C.А., Перфильева К.Г., Поленчук С.Н., Романдин В.И. - Опубл. 19.10.2018. Бюл. №29.

10. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. справочник. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701с.

11. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. М.: Наука, 1987. - 464 c.

12. Келбалиев Г.И. Коэффициенты сопротивления твердых частиц, капель и пузырей различной формы // Теоретические основы химической технологии. - 2016. Т. 45, № 3. - с 264-283.

13. Архипов В.А., Васенин И.М., Усанина А.С. Динамика всплытия пузырька в присутствии поверхносто-активных веществ // Известия РАН. Механика жидкости и газа. - 2016, № 2. - с .142-151.

14. Неволин Ф.В. Химия и технология производства глицерина. - М.: Химия, 1954. - 401с.

Изобретение относится к способам введения газа в жидкость и может быть использовано в различных областях техники и технологии, а также при лабораторных исследованиях процессов в пузырьковых средах. Способ включает импульсную подачу газа из коллектора, соединенного с источником сжатого газа и размещенного в нижней части резервуара с жидкостью, через трубки одинакового диаметра и высоты, установленные на равноотстоящих расстояниях друг от друга в верхней крышке коллектора. Кластер получают путем последовательной подачи с одинаковым интервалом времени N групп пузырьков, образующих горизонтальный слой. Расположение трубок, открываемых отдельным для каждой трубки электропневмоклапаном для каждой из N групп пузырьков, задают с помощью контроллера. Контроллер запрограммирован с возможностью заполнения пузырьками каждого из N слоев, расположенных в последовательных по высоте горизонтальных сечениях кластера заданной конфигурации. Давление газа в коллекторе, внутренний диаметр трубок, минимальное расстояние между осями трубок, объемную концентрацию пузырьков в кластере, время открытия каждого из электропневмоклапанов и интервал времени между подачей каждой из N групп пузырьков определяют по заданным алгебраическим соотношениям. Изобретение обеспечивает получение пузырькового кластера заданной конфигурации с равномерным распределением пузырьков по его объему и с контролируемыми значениями диаметра пузырьков и их объемной концентрации. 7 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ получения пузырькового кластера заданной конфигурации, включающий импульсную подачу газа из коллектора, соединенного с источником сжатого газа и размещенного в нижней части резервуара с жидкостью, через трубки одинакового диаметра, установленные в верхней перфорированной крышке коллектора, отличающийся тем, что кластер получают путем последовательной подачи с одинаковым интервалом времени N групп пузырьков, образующих горизонтальный слой, через трубки одинаковой высоты, установленные на равноотстоящих расстояниях друг от друга, а каждую из трубок соединяют с коллектором через отдельный электропневмоклапан, причем расположение трубок, открываемых электропневмоклапаном для каждой из N групп пузырьков, задают с помощью контроллера, запрограммированного с возможностью заполнения пузырьками каждого из N слоев, расположенных в последовательных по высоте горизонтальных сечениях кластера заданной конфигурации, при этом давление газа в коллекторе, внутренний диаметр трубок, минимальное расстояние между осями трубок, объемную концентрацию пузырьков в кластере, время открытия каждого из электропневмоклапанов и интервал времени между подачей каждой из N групп пузырьков определяют из соотношений

$$p_k=p_{атм}+1.25{\text{ρ}}_{l}gH$$ ,

d=$$\frac{{\text{ρ}}_{l}Dg}{\text{48σ}}$$,

$$l\ge 2.8D$$ ,

$${С}_V=\frac{\text{π}}{6}{\left(\frac{D}{l}\right)}^3$$ ,

$$t_1=\frac{2}{3}\frac{D^3}{d^2}\sqrt{\frac{{\text{ρ}}_g}{\text{0}{\text{.5ρ}}_{l}gH}}$$ ,

$$t_2=\frac{l}{u(D,{\text{ρ}}_l,{\text{μ}}_l)}$$ ,

где

N – количество групп - горизонтальных слоев пузырьков, образующих кластер;

$$p_k$$ – давление газа в коллекторе, Па;

$$p_{атм}$$ – атмосферное давление, Па;

$${\text{ρ}}_l$$ – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

H – высота столба жидкости в резервуаре над верхней крышкой коллектора, м;

d – внутренний диаметр трубки, м;

D – заданный диаметр пузырька в кластере, м;

$$\text{σ}$$ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

l – расстояние между осями трубок, м;

$${С}_V$$ – объемная концентрация пузырьков в кластере;

t₁ – время открытия каждого из электропневмоклапанов, с;

$${\text{ρ}}_g$$ – плотность газа, кг/м³;

t₂ – интервал времени между подачей каждой из N групп пузырьков, с;

u(D, ρ_l, μ_l) – скорость всплытия пузырька газа диаметром D в жидкости с физическими характеристиками ρ_l, μ_l, м/с;

μ_l – коэффициент динамической вязкости жидкости, Па⋅с.