УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗА В ЖИДКОСТЬ Российский патент 2023 года по МПК B01F23/23 B01F33/40 B01F25/40 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в устройствах для обогащения газом или газовоздушной смесью различных жидкостей. Возможно использование устройства для подачи воздуха в водную среду для поддержания жизни водных организмов. Благодаря отсутствию механических движущихся частей особенно полезным может быть применение в биологических средах, требующих минимальной вибрации и шума, а также высокой точности дозирования подачи газо-воздушной смеси в жидкость.

Уровень техники

Из уровня техники известно устройство, реализующее способ газирования жидкости, предусматривающий инжекцию (впрыскивание, нагнетание) газа в жидкость при рециркуляции последней и подача газожидкостного потока на зеркало поверхности газируемой жидкости, инжекцию газа осуществляют между двумя однонаправленными и сходящимися потоками жидкости, при скорости последних от 10 до 100 м/с (SU 1250241). Устройство содержит емкость с циркуляционным контуром, смеситель и инжектор с соплом, установленные в верхней части емкости, при этом инжектор снабжен дополнительным, установленным коаксиально основному, соплом, также соединенным с напорным трубопроводом циркуляционного контура.

Известное устройство характеризуется узкой сферой применения и не обеспечивает возможности высокоточного дозирования подачи газа в жидкость.

Известно устройство для диспергирования газа в жидкость, содержащее приемную камеру, камеру смешения и диффузор. Устройство снабжено средством для распыла жидкости, выполненным в виде пневматической центробежной форсунки с камерой распыла на выходе, осевым каналом и периферийным каналом для подачи газа, образованным корпусом форсунки и центральным подпружиненным обтекателем, при этом в обтекателе выполнен осевой канал, сообщающийся с приемной камерой (RU 2085272).

Недостатками данного устройства также является низкая точность дозирования подачи газа в жидкость, и, кроме того, необходимость использования механических, в том числе с вращательным движением, внешних источников переменного неуправляемого давления, что повышает уровень шума при работе устройства и снижает его надёжность.

Известно устройство, реализующее способ введения газов в жидкость. Способ включает эжекцию (процесс смешения двух каких-либо сред (в данном случае - газа и жидкости), в котором одна среда, находясь под давлением, оказывает воздействие на другую и увлекает её) газа из заострённого патрубка, имеющего конфузорно-диффузорное сопло, образование газового потока, имеющего сверхзвуковую начальную скорость струи при эжекции из заостренного патрубка, создание вокруг потока газа оболочки пламени для превращения газового потока в когерентный поток газа, имеющий сверхзвуковую начальную осевую скорость струи, пропускание когерентного потока газа из заостренного патрубка к поверхности объема жидкости, контактирование поверхности объема жидкости с когерентным потоком газа и пропускание газа в объем жидкости (RU 2208749).

Недостаток этого технического решения состоит в том, что для реализации известного способа необходимо устройство, характеризующееся высокой конструктивной сложностью, многоэлементностью. При этом устройство используется в режиме сверхзвукового течения газа, приводящем к появлению пламени, поэтому возможно накопление тепловой энергии, рассеяние которой устройством не предусмотрено. В результате нагрева конструкции устройства может произойти выход его из строя. Кроме того, для данного устройства характерны следующие недостатки - повышенный шум при работе, невозможность обеспечения точности дозирования подачи газа в жидкость, а также узкая область применения устройства.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип техническим решением является устройство, описанное в А.С. СССР № 1736584 B01F3/04 B01F5/04 C02F1/24. Способ диспергирования газа в жидкости и устройство для его осуществления / Павлечко В.Н., Щербаков Л.А. Опубликовано 30.05.1992. Данное устройство для подачи газа (и диспергирования газа в жидкости) содержит воздушную камеру, снабженную патрубком подвода газа с дросселем, а также установленные в воздушной камере конфузор, участок смешения в виде щелевого канала прямоугольного сечения высотой 0,5 - 5,0 мм, выполненный с отверстиями на широких сторонах, и диффузор.

Недостатком данного устройства также является невозможность обеспечения точности дозирования подачи газа в жидкость, узкая область применения устройства, повышенные шум и вибрация при его работе, и, кроме того, высокая вероятность возникновения в устройстве кавитации, вследствие чего возможен выход устройства из строя.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания простого и надежного устройства подачи газа (воздуха) в жидкость с возможностью использования в различных отраслях промышленности, характеризующегося низким шумовым эффектом при работе.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, повышении точности дозирования подачи газа в результате однозначной связи объема вытесняемого газа, пропорционального значению интеграла функции давления от времени P(t), параметрам токового импульса.

Иные технические преимущества заявляемого решения заключаются также в существенном снижении уровня шума и вибрации при работе вследствие отсутствия механического движения деталей при работе устройства.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем воздушную камеру с патрубком подвода газа, воздушная камера снабжена клапаном, выполненным с возможностью открытия и закрытия при изменении давления внутри воздушной камеры, проводником электрического тока, установленным внутри воздушной камеры, генератором серии регулируемых по амплитуде, длительности и частоте следования импульсов электрического тока, установленным вне воздушной камеры и соединённым с проводником электрического тока с возможностью прохождения импульсов электрического тока по этому проводнику.

В заявляемом устройстве для подачи газа в жидкость изменение давления газа в воздушной камере осуществляется в результате пропускания импульсов электрического тока в проводнике, размещённом в воздушной камере. Повышение давления газа, обусловленное протеканием электрического тока в проводнике внутри воздушной камеры, вызывает выталкивание объема воздуха, то есть его перемещение (подачу) из воздушной камеры в ёмкость с жидкостью.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими изображениями, где

на фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства,

на фиг.2 представлена типичная экспериментальная зависимость давления воздуха P в рабочей воздушной камере от времени t для проводника из сплава никеля при воздействии импульса тока длительностью Δt = 5,7 с и амплитудой I = 0,5A.

Позициями на чертежах обозначены:

корпус 1,

патрубок подвода газа 2,

наконечник 3,

проводник электрического тока 4,

источник (генератор) электрического тока (импульсного тока) 5,

клапан 6,

ёмкость 7 с жидкостью 8.

Осуществление изобретения

Устройство включает корпус 1, оснащенный патрубком подвода газа 2 с наконечником 3. Внутренний объём корпуса 1 с клапаном 6 и патрубка подвода газа 2 с наконечником 3 образуют воздушную камеру устройства. Клапан 6 установлен в стенке корпуса, может быть выполнен, например, из эластичных материалов. Клапан имеет входное отверстие, которое закрывается или открывается под действием давления внутри воздушной камеры. Иными словами, клапан предназначен для перекрытия или наоборот, осуществления доступа воздуха в воздушную камеру устройства. Наконечник 3 выполнен с возможностью погружения во внешне расположенную емкость 7, например, наполненную водой 8 (фиг.1). В воздушной камере размещен металлический проводник 4 с возможностью соединения с источником электрического тока 5. В качестве таких проводников от источника тока до корпуса могут быть использованы, например, провода меди, а внутри воздушной камеры может быть использован провод из сплава никеля. Эффект быстрого изменения давления при прохождении импульсов тока малой амплитуды в проводнике из сплава никеля значительнее при выборе проводников малого диаметра. В качестве источника электрического тока 5 используют генератор импульсов электрического тока с регулируемой амплитудой и длительностью импульса.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В начале эксперимента в воздушной камере устанавливалось атмосферное давление воздуха. Генератор электрического тока (импульсного тока) 5 вырабатывает серию регулируемых по амплитуде, длительности и частоте следования импульсов электрического тока. При прохождении тока в проводнике электрического тока 4 давление в объёме воздушной камеры быстро возрастает, клапан 6 закрывается, и часть воздуха через патрубок подвода газа 2 и наконечник 3 выталкивается в жидкость 8, находящуюся в сосуде 7 (фиг.1). После выхода воздуха в жидкость в воздушной камере во время действия импульса электрического тока воздух частично разрежен. После окончания импульса тока и выхода части воздуха из воздушной камеры давление в воздушной камере быстро понижается, клапан 6 открывается и происходит всасывание воздуха извне в воздушную камеру, в результате чего объём наружного воздуха, необходимый для выравнивания давления до атмосферного, поступает в воздушную камеру для следующего этапа подачи газа в жидкость. Таким образом, давление воздуха в воздушной камере и наружное (атмосферное) давление выравниваются. При прохождении следующего импульса электрического тока в проводнике процесс повторяется.

Объем вытесняемого через патрубок газа пропорционален значению интеграла P(t) за время действия импульса тока и, следовательно, зависит от амплитуды и длительности импульса тока. Требуемая для вытеснения необходимого объёма воздуха амплитуда и/или длительность импульса тока определяется и глубиной фиксации наконечника в жидкости, поскольку необходимо преодолевать давление жидкости зависящее от глубины погружения наконечника. Изменение параметров импульса тока (амплитуда, длительность) позволяет регулировать с достаточной точностью объём газа (воздуха), подаваемого в жидкость (в воду).

В предлагаемом устройстве изменение давления газа (воздуха) в рабочей воздушной камере, перемещающее часть воздуха из воздушной камеры, осуществляется за счёт пропускания импульсов электрического тока в проводнике, размещённом в воздушной камере.

При прохождении импульса электрического тока определенной величины и длительности в проводнике график зависимости изменения давления в воздушной камере устройства от времени имеет три характерных участка (фиг.2). На начальном участке давление газа (воздуха) резко увеличивается, имеется скачок давления. Затем давление значительно медленнее нарастает. При выключении тока (по окончании прохождения электрического импульса) давление резко падает.

Пример конкретного выполнения

В качестве опытной реализации был изготовлен работающий макет заявляемого устройства. Воздушную камеру образовывала запаянная с торцов стеклянная трубка диаметром 8 мм с отводом и клапаном из эластичного материала. Проводник, расположенный внутри стеклянной трубки, выполнен диаметром 100 мкм из никелевого сплава, а вне корпуса трубки выполнен медным. На фиг.2 представлена типичная экспериментальная зависимость давления воздуха P в воздушной камере от времени t для проводника диаметром 100 мкм из сплава никеля при воздействии импульса тока длительностью Δt = 5,7 с и амплитудой I = 0,5A.

Устройство может быть применено для обогащения газом, газо-воздушной смесью жидкостей. Возможно применение устройства для подачи воздуха в водную среду для поддержания жизни водных организмов, микроорганизмов. Благодаря отсутствию механических движущихся частей повышается надёжность работы устройства, значительное снижение уровня шума и вибрации при его работе. Особенно полезным применением устройства может быть его использование в биологических жидкостных средах, требующих минимальной вибрации и шума, а также точности дозирования подачи газа в жидкость.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано для обогащения газом, газовоздушной смесью различных жидкостей. Возможно применение устройства для подачи воздуха в водную среду для поддержания жизни водных организмов. Устройство для подачи газа в жидкость содержит воздушную камеру с патрубком подвода газа, снабжено клапаном, установленным на воздушной камере; проводником электрического тока, установленным внутри воздушной камеры; генератором серии регулируемых по амплитуде, длительности и частоте следования импульсов электрического тока, установленным вне воздушной камеры и соединённым с проводником электрического тока с возможностью прохождения импульсов электрического тока по этому проводнику. Технический результат изобретения - повышение надёжности работы устройства, значительное снижение уровня шума и вибрации благодаря отсутствию механических движущихся частей. 2 ил., 1 пр.

Устройство для подачи газа в жидкость, содержащее воздушную камеру с патрубком подвода газа, отличающееся тем, что воздушная камера снабжена клапаном, выполненным с возможностью открытия и закрытия при изменении давления внутри воздушной камеры, проводником электрического тока, установленным внутри воздушной камеры, генератором серии регулируемых по амплитуде, длительности и частоте следования импульсов электрического тока, установленным вне воздушной камеры и соединённым с проводником электрического тока с возможностью прохождения импульсов электрического тока по этому проводнику.