Способ генерирования вибрации и пульсации потока и устройство для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК F15B21/12 

Изобретение относится к области струйной техники и может быть использовано в системах с эффектом вибрации и пульсации потока при атмосферном или повышенном давлении.

Известны, например, устройства для настройки гидрогенератора жидкостного потока на заданную частоту (Патент РФ на изобретение №2802101, МПК F15B 21/12, В06В 1/20. Опубликовано: 22.08.2023 Бюл. №24), имеющее емкость, оболочку с патрубком, при этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение, что снижает эффективность устройства, имеет два источника энергии: электрическую и энергии давления потока, а также имеет сложную конструкцию.

Известен пневматический излучатель (Патент РФ на изобретение №1748532, МПК G01V 1/133, Опубликовано: 10.10.1998) имеющий резонатор, отверстия для сообщения с полостью резонатора, дополнительное отверстие для сообщения полости резонатора с окружающей средой, при этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение, что снижает эффективность устройства и усложняет его конструкцию.

Известен пневматический вибратор (Патент РФ на изобретение №2799163, МПК F15B 21/12. Опубликовано: 04.07.2023 Бюл. №19) включающий корпус с плитой, скрепленных стойками, воздухоподводящие отверстия, мембрану с центральным отверстием и камеру обратного хода, упругий ограничитель, регулировочное устройство с отверстиями и осевым каналом. При этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение, что снижает эффективность устройства и усложняет его конструкцию.

Известен гидравлический вибровозбудитель (Патент РФ на изобретение №2740420, МПК F15B 21/12, В06В 1/18. Опубликовано: 14.01.2021 Бюл. №2), содержащий полость со сливом, каналы, выходы которых соединены между собой, а входы выполнены с возможностью соединения одного из них со всасывающей и с напорной полостью для сброса жидкости. При этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение газа, что снижает эффективность устройства и усложняет его конструкцию.

Известен мультипликативный золотниковый пульсатор (Патент РФ на изобретение №2698385, МПК B01F 7/28. Опубликовано: 26.08.2019 Бюл. №24), включающий статор и ротор, содержащий газообразную среду под избыточным давлением, снабженный окнами для прямой или обратной пульсации, избыточное давление, вызывающее разрежение. При этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение, что снижает эффективность устройства и усложняет его конструкцию.

Известно гидропневматическое устройство (Патент РФ на изобретение №2645136, МПК B01F 5/00, F15B 21/12. Опубликовано: 15.02.2018 Бюл. №5) включающее камеру, напорный патрубок, днище камеры с центральным отверстием и крышку с импульсными патрубками. При этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение, что снижает эффективность устройства и усложняет его конструкцию.

Известен пневматический излучатель (Патент РФ на изобретение №2632988, МПК G01V 1/137, F15B 21/12. Опубликовано: 11.10.2017 Бюл. №29) содержащий камеру, сообщенную с источником сжатого воздуха, полости, сообщенные с камерой высокого давления и патрубком, и оболочку, соединенную через клапан. При этом поток не в полной мере вовлекается в импульсное движение. Устройство имеет два источника энергии: электрическую и энергии давления потока, а также имеет сложную конструкцию со значительной подвижной массой поршня, что снижает эффективность устройства.

Известен распределитель гидравлического ударного механизма (Патент РФ на изобретение №2674289, МПК F15B 21/12, B25D 9/18, Е21В 4/14. Опубликовано: 06.12.2018 Бюл. №34) путем ввода жидкости в корпус с каналами для подвода и отвода рабочей жидкости, канал с обратным клапаном, устройство выравнивания давлений в камере и в канале управления, канал управления с обратной связью с каналом подвода рабочей жидкости. При этом не в полной мере вовлекается в импульсное движение жидкость, что снижает эффективность устройства, два источника энергии: электрической и энергии давления усложняют конструкцию.

Известно также течение потока в зазоре между пластинами, при котором образуется кольцевая зона разряжения за отверстием в одной из пластин, (Чупраков Ю.И. «Гидропривод и средства гидроавтоматики: Учебное пособие для вузов по специальности "Гидропривод гидроавтоматика». М. Машиностроение, 1979-232 с.) Однако, в нем предусматриваются жесткие пластины и не используется разрежение потока, что не позволяет повысить эффективность работы устройства.

Анализ аналогов и прототипа показал, что наиболее близким способом образования пульсаций и устройством для его осуществления является (Патент РФ на изобретение №2657301, МПК B01D 3/14, Опубликовано: 19.06.2018 Бюл. №17), в котором путем деформации пластины, закрепленной относительно корпуса в нескольких точках, наиболее удаленных от сопла, под воздействием вакуума, образующегося в кольцевой зоне, расположенной за соплом корпуса, и при перетекании потока в зазоре между пластиной и корпусом в пространство за корпусом. Однако, данный способ и устройство не позволяют повысить эффективность генерирования вибрации пластины и пульсации потока.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют. Ни одно из самых близких известных технических решений не обеспечивает повышения эффективности генерирования вибрации и пульсации потока за счет признаков, содержащихся в предлагаемом способе и устройстве, что соответствует критериям "новизны и полезности".

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники показали, что отличительные признаки заявленного способа и устройства его реализации не следуют явным образом из представленных аналогов и прототипа. Из уровня техники также не выявлена известность существенных признаков, предусматриваемых в заявленном изобретении, и достижение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Техническим результатом изобретения является интенсификация процессов вибрации и пульсации при смешивании компонентов и получении тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов и гомогенных смесей, а также в энергетических установках тепло-массообмена между фазами за счет увеличения поверхности контакта фаз, и в других технологических процессах.

Технический результат применением способа и устройства достигается созданием дополнительных резонансных колебаний пластины, которые генерируют путем пропускания потока в резонаторную камеру через резонаторное отверстие и через сапуны, пониженное давление потока образуется вакуумом, передающимся в резонаторную камеру через резонаторное отверстие, расположенное в корпусе коаксиально относительно сопла в пределах кольцевой зоны вакуума, повышенное давление потока передается в резонаторную камеру из зазора между корпусом и пластиной через сапуны, равномерно расположенные по окружности коаксиально относительно сопла в пределах кольцевой зоны давления вне кольцевой зоны вакуума, при этом чередованием пониженного и повышенного давления в резонаторной камере создаются периодические колебания пластины, которые резонируют с колебаниями потока в резонаторной камере и образуют пульсацию потока на выходе из зазора за пределами резонаторного отверстия. Диаметр каждого сапуна не превышает ширины кольцевой зоны давления в зазоре между корпусом и пластиной, суммарная площадь сечения сапунов не превышает площади сечения резонаторного отверстия, а величина зазора не превышает величины поперечного сечения сопла и принимается в пределах 1/12÷1/16 диаметра сопла.

Способ осуществляется с помощью устройства для осуществления способа генерирования вибрации и пульсации потока.

Описание чертежей.

Фиг. Устройство пластинчатого источника вибрации и пульсации.

На фигуре приняты следующие обозначения:

Устройство генерирования вибрации и пульсации потока содержит корпус 1 с пластиной 2 и соплом 3. В корпусе 1 содержится резонаторная камера 4 с резонаторным отверстием 5. Пластина 2 закреплена на корпусе 1 винтами 6 со втулками 7 в нескольких точках, наиболее удаленных от центра сопла 3 с кромкой 8. Величина зазора 9 задана высотой втулки 7. Резонаторная камера 4 соединена с зазором 9 посредством резонаторного отверстия 5 и сапунов 15. Резонаторные отверстия 5 и сапуны 15 коаксиальны соплу 3. При этом ширина b резонаторного отверстия 5 не превышает ширины b₁ кольцевой зоны вакуума 13, а сапуны 15 расположены по окружности в пределах зоны давления 16 шириной b₂. Не менее трех сапунов 15 диаметром d₁, равномерно расположены коаксиально соплу 3 в пределах кольцевой зоны давления 16 в зазоре 9 между корпусом 1 и пластиной 2, при этом диаметры d₁ сапунов 15 не превышают ширины зоны давления 16. Суммарная площадь сечения сапунов 15 меньше площади сечения резонаторного отверстия 5, чтобы в резонаторной камере не создавалось избыточное давление за счет подсоса воздуха из зоны 16. Величина зазора 9 принимается в пределах 1/12÷1/16 диаметра сопла 3.

Рассмотрим функционирование устройства генерирования вибрации пластины 2, пульсации потока 11 в зазоре 9 и за пределами пластины 2. Поток 10 под давлением проходя через сопло 3, срывается с кромки 8 сопла 3 и разворачивается в зазор 9. Согласно закону Бернулли, увеличение скорости расходящегося потока в зоне сужения 11 образует зону вакуума 12 в центре сопла 3, кольцевую зону вакуума 13 со стороны корпуса 1 и кольцевую зону вакуума 14 со стороны пластины 2. Таким образом, в зонах вакуума 12, 13 и 14 создается присасывающая сила, которая преодолевает силу давления потока 10, прогибает пластину 2 в сторону кромки 8 и уменьшает величину h зазора 9. В кольцевой зоне касания 16 поток 11 прижимается к корпусу 1. Образующаяся в кольцевой зоне 13, присасывающая сила создает вакуум в резонаторной камере 4, за счет этого вакуума часть потока за зоной 16 через сапуны 15 всасывается в резонаторную камеру 4, снижая в ней вакуум и повышая давление. В этот момент энергия волны давления объединяется со стоячей волной, образующейся в резонаторной камере 4, и через резонаторное отверстие 5 «догоняет» разгибающуюся под действием упругости материала пластину 2, воздействуя на нее дополнительным усилием давления струи из сопла 3, увеличивает величину h зазора 9. При увеличении зазора 9 поток 10 под давлением, проходя через сопло 3, вновь срывается с кромки 8 сопла 3, разворачивается в зазор 9, а увеличение скорости в зоне сужения 11 вновь образует зоны вакуума 12, 13, 14, в которых вновь создается присасывающая сила, уменьшая величину h зазора 9, деформирует пластину 2 в пределах упругости ее материала, в присутствии энергии волн давления 16 и вакуума 13. При этом в резонаторной камере 4 образуется звуковая волна, которая отражается от внутренних стенок резонаторной камеры 4, объединяется со стоячими волнами и выходит из резонаторной камеры 4 через резонаторное отверстие 5, создавая в зазоре 9 акустический резонанс, вызывающий резонансные колебания пластины 2 и пульсацию потока, как в самом зазоре 9, так и за пределами пластины 2.

Способ генерирования вибрации и пульсации потока подтвержден исследованием работоспособности устройства для его осуществления. При исследовании латунная пластина 2 толщиной 2 мм и диаметром 80 мм по периферии в трех точках винтами 6 закреплена на корпусе 1 с зазором h=0,3 мм. Сопло 3 для подачи сжатого воздуха в зазор 9 выполнено диаметром d=4 мм. Размеры кольцевой зоны вакуума 13 и кольцевой зоны давления 16 определены подачей в зазор 9 через сопло 3 давления сжатого воздуха 3,0 кг/см² с подмешиванием в сжатый воздух абразивных частиц. При этом в зазоре 9 волнообразное течения потока сжатого воздуха с абразивными частицами в зоне 16, на поверхности корпуса 1, образовало кольцевой след коаксиально соплу 3. Замером кольцевого следа определена ширина зоны разрежения 13, которая составила b₁=7 мм и ширина зоны давления 16, которая составила b₂=3 мм. По кольцевому следу зоны разрежения 13 задана ширина b=3 мм резонаторного отверстия 5, по кольцевому следу зоны давления 16 задан радиус r=10,5 мм расположения шести отверстий диаметром d₁=2 мм группы 15 коаксиально соплу 3. Радиус резонаторной камеры 4 принят R=15 мм, а ее высота Н=6 мм. Вибрация пластины 1 наблюдалась при диапазоне давления сжатого воздуха в пределах 2÷3,5 кг/см².

Согласно изобретению, установкой в корпусе резонаторной камеры с резонаторным отверстием в кольцевой зоне вакуума и сапунов в кольцевой зоне давления за счет энергии волн давления, которые объединяются со стоячими волнами, образующимися в резонаторной камере и в резонаторном отверстии, создают резонансные колебания пластины и пульсации потока, как в самом зазоре, так и за пределами пластины.

Изобретение повышает интенсификацию генерирования вибраций пластины и пульсаций потока при смешивании компонентов, получении тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов и гомогенных смесей, а также в энергетических установках тепло-массообмена между фазами за счет увеличения поверхности контакта фаз, и в других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области струйной техники и может быть использовано в системах с эффектом вибрации и пульсации потока при атмосферном или повышенном давлении. Устройство для осуществления способа генерирования вибрации и пульсации потока содержит корпус и пластину, установленную относительно корпуса с зазором и закрепленную в нескольких точках, наиболее удаленных от сопла, расположенного на корпусе, при этом величина зазора меньше величины поперечного сечения сопла, согласно изобретению в корпусе расположена резонаторная камера, которая сообщается с зазором через резонаторное отверстие и через группу отверстий, резонаторное отверстие расположено коаксиально соплу в пределах кольцевой зоны вакуума, образующейся в зазоре между корпусом и пластиной, а отверстия группы равномерно расположены по окружности коаксиально соплу в пределах кольцевой зоны давления, образующейся вне кольцевой зоны вакуума. Технический результат - интенсификация процессов вибрации и пульсации при смешивании компонентов и получении тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов и гомогенных смесей, а также в энергетических установках тепломассообмена между фазами за счет увеличения поверхности контакта фаз и в других отраслях промышленности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерирования вибрации и пульсации потока путем изменения зазора между пластиной и корпусом за счет деформации пластины, в пределах упругости материала пластины, под воздействием вакуума, образующегося в кольцевой зоне, расположенной за соплом, при перетекании потока в зазоре между пластиной и корпусом в пространство за пластиной, отличающийся тем, что вибрацию и пульсацию потока в зазоре дополнительно осуществляют резонансными колебаниями пластины, которые генерируют чередованием пониженного и повышенного давления в резонаторной камере путем пропускания потока в резонаторную камеру через резонаторное отверстие и через группу отверстий, пониженное давление потока образуется вакуумом, передающимся в резонаторную камеру через резонаторное отверстие, расположенное в корпусе коаксиально относительно сопла в пределах кольцевой зоны вакуума, повышенное давление потока передается в резонаторную камеру из зазора между корпусом и пластиной через группу отверстий, равномерно расположенных по окружности коаксиально относительно сопла в пределах кольцевой зоны давления вне кольцевой зоны вакуума, при этом чередованием пониженного и повышенного давления в резонаторной камере создаются периодические колебания пластины, которые резонируют с колебаниями потока в резонаторной камере и образуют пульсацию потока на выходе из зазора за пределами резонаторного отверстия.

2. Устройство для осуществления способа генерирования вибрации и пульсации потока по п. 1, содержащее корпус и пластину, установленную относительно корпуса с зазором и закрепленную в нескольких точках, наиболее удаленных от сопла, расположенного на корпусе, при этом величина зазора меньше величины поперечного сечения сопла, отличающееся тем, что в корпусе расположена резонаторная камера, которая сообщается с зазором через резонаторное отверстие и через группу отверстий, резонаторное отверстие расположено коаксиально соплу в пределах кольцевой зоны вакуума, образующейся в зазоре между корпусом и пластиной, а отверстия группы равномерно расположены по окружности коаксиально соплу в пределах кольцевой зоны давления, образующейся вне кольцевой зоны вакуума.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что ширина резонаторного отверстия резонаторной камеры не превышает ширины кольцевой зоны вакуума, с которой сообщается резонаторная камера, диаметр каждого отверстия группы не превышает ширины кольцевой зоны давления, при этом отверстие резонаторной камеры расположено в пределах кольцевой зоны давления в зазоре между корпусом и пластиной.

4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что величина зазора принимается в пределах 1/12-1/16 диаметра сопла.

5. Устройство по одному из пп. 2-4, отличающееся тем, что суммарная площадь сечения отверстий группы меньше площади сечения резонаторного отверстия, при этом не менее трех отверстий группы равномерно расположены по окружности в пределах кольцевой зоны давления, расположенной вне кольцевых зон вакуума.