Гидродинамический излучатель

 

Использование: в гидромашиностроении для обеспечения интенсификации и стабилизации технологических процессов, например процессов очистки сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Сущность изобретения: гидродинамический излучатель содержит герметизированную емкость с входным и выходным патрубками, имеющими запорно-раздаточную арматуру, и размещенные внутри емкости ультразвуковой вибратор с концевым волноводом, подсоединенный к выходу генератора ультразвуковых колебаний, и сопло конической формы, установленное во входном патрубке. Кроме того, герметизированная емкость снабжена резонирующими стержнями, расположенными параллельно концевому волноводу, имеющему углубление на торце и установленному соосно напротив сопла, а генератор ультразвуковых колебаний дополнительно снабжен устройством амплитудной модуляции ультразвуковых колебаний. 1 ил.

Изобретение относится к гидромашиностроению, а именно к гидродинамическим излучателям, и обеспечивает интенсификацию и стабилизацию технологических процессов, например процесса очистки сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий, диспергирование твердых материалов в жидкости. Изобретение может найти применение для обработки (озвучивания) жидкостей в ультразвуковом поле, в частности в биотехнологии, химической, нефтяной и металлообрабатывающей промышленности.

Известен гидродинамический излучатель, описанный в а.с. СССР N 1477473 МКИ⁵ B 02 C 19/18 заявл. 20.04.87, опубл. 07.05.89.

Известный гидродинамический излучатель (ГДИ) содержит корпус с переменным по длине поперечным сечением, на торце которого установлен штуцер с уплотнением. Регулировочная игла с составным концом расположена внутри корпуса и имеет расположенные по окружности отверстия, уплотнение, осевой канал и электрическую прокладку. Гайка с выступом соединена посредством прижимной шайбы с выступом регулировочной иглы, заостренный конец которой имеет концентричный внешний внутренний элементы. Диэлектрическая прокладка разделяет регулировочную иглу на левую и правую части. Правая часть посредством привода с изоляцией подключена к отрицательному полюсу источника постоянного тока. В корпусе коаксиально и электрически изолировано от него с помощью диэлектрической прокладки установлен электрод, подключенный посредством провода с изоляцией к положительному полюсу источника постоянного тока.

Работает ГДИ следующим образом.

Рабочая жидкость из гидросистемы поступает по осевому каналу к отверстиям иглы и затем попадает в регулируемую зону кавитации, в которой происходят озвучивание жидкости и сверхтонкое измельчение содержащихся в ней механических примесей с последующим выходом в систему через штуцер.

Регулирование работы излучателя в случае изменения параметров потока (давления, расхода) достигается вращением специальной гайки с выступом, внутри которой находится в постоянном зацеплении регулировочная игла, перемещающаяся в результате этого в осевом направлении и уменьшающая площадь проходного сечения между заостренным концом внешнего элемента иглы и корпусом. При этом поддерживается высокая интенсивность колебаний в зоне ультразвуковой кавитации. Конфигурация регулировочной иглы поддерживается в состоянии, приближающемся к первоначальному, за счет наличия источника постоянного тока.

Недостатком данного устройства является надежность технологического процесса из-за механического регулирования (посредством специальной гайки) параметров потока (давления, расхода) в случае их изменения по внешним причинам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является установка для диспергирования суспензий, описанная в а.с. СССР N 1507446 заявл. 16.10.87 г. опубл. 15.09.89 г. Известное устройство содержит герметизированную емкость с днищем, выходным патрубком с пробковым краном, крышкой, загрузочным патрубком с пробковым краном, установленную на амортизаторах. Внутри емкости на пружинистой полукруглой мембране с полукруглым вырезом по центру закреплены ультразвуковой вибратор с конусным стержнем. Конусный стержень заканчивается съемным шаровым наконечником, который соприкасается с наклонной поверхностью конической полости, переходящей в шаровую полость с выходной цилиндрической полостью втулки, являющейся гидродинамическим излучателем.

Недостатком данного устройства является низкая надежность технологического процесса из-за отсутствия регулирования давления на входе гидродинамического излучателя, что приводит к срыву ультразвуковой кавитации (при отсутствии повышенного стабильного давления на входе).

Технической задачей изобретения является повышение надежности (эффективности) технологического процесса.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве, содержащем герметизированную емкость с входным и выходным патрубками, имеющими запорно-раздаточную арматуру, и размещенные внутри емкости ультразвуковой вибратор с концевым волноводом, подсоединенный к генератору ультразвуковых колебаний, и сопло, установленное во входном патрубке, согласно изобретению введены резонирующие стержни, расположенные параллельно концевому волноводу, имеющему углубление на торце и установленному соосно напротив сопла, а генератор ультразвуковых колебаний снабжен устройством для амплитудной модуляции ультразвуковых колебаний.

Повышение надежности технологического процесса достигается в заявляемом устройстве за счет повышения интенсивности ультразвуковых колебаний в области сопло-концевой волновод путем введения в герметизированную емкость резонирующих стержней, установленных как указано выше. Введение резонирующих стержней обеспечивает интерференцию ультразвуковых волн собственно ГДИ с ультразвуковыми волнами стержней, т.е. обеспечивает более интенсивное струйное течение, давление и, следовательно, кавитационную активность.

Подсоединение к ультразвуковому вибратору генератора ультразвуковых колебаний, снабженного устройством амплитудной модуляции ультразвуковых колебаний, позволяет получить повышенное квазистатическое давление в зоне пульсации кавитационной области за счет наложения колебаний разных частот 1 и увеличить тем самым интенсивность кавитационного воздействия. Наличие амплитудной модуляции колебаний вибратора обеспечивает периодическое изменение параметров кавитационной области (т.е. плотность жидкой среды, скорость звука, газосодержание и т.д.). Это периодическое изменение параметров вызывает в свою очередь изменение частоты пульсаций полости собственно ГДИ, что обеспечивает пассивную автоподстройку ГДИ на квазимаксимум кавитационной активности при изменении давления подачи, вязкости и т.д. А это в свою очередь увеличивает надежность технологического процесса и его производительность.

Заявляемое устройство отличается от прототипа новыми существенными признаками, обеспечивающими промышленную применимость предлагаемого устройства, и соответствует критериям изобретения, таким как "новизна" и "промышленная применимость". В результате проведенного поиска по патентной и научно-технической литературе не были выявлены технические решения, обладающие аналогичной с изобретением совокупностью существенных признаков и дающие такой же эффект. Следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлен общий вид устройства.

Гидродинамический излучатель содержит герметизированную емкость 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3, имеющим запорно-раздаточную арматуру. На входе патрубка 2 установлен запорный кран (не показан), а в выходном патрубке 3 установлена втулка 4. Внутри герметизированной емкости 1 размещены ультразвуковой вибратор 5 с концевым волноводом 6 и сопло конической формы 7. Ультразвуковой вибратор 5 подсоединен к генератору ультразвуковых колебаний 8. Сопло 7 установлено на выходе патрубка 2. Герметизированная емкость 1 снабжена резонирующими стержнями 9, расположенными параллельно концевому волноводу 6, имеющему конусно-сферическое углубление 10 на торце. Концевой волновод 6 установлен соосно коническому соплу 7 и напротив него. К генератору 8 ультразвуковых колебаний подсоединено устройство 11 амплитудной модуляции ультразвуковых колебаний.

Герметизированная емкость 1 представляет собой стальную трубу диаметром 133 мм длиной 510 мм. На каждом торце трубы установлены заглушки 12, 13, в которые ввернуты соответственно входной 2 и выходной 3 патрубки. С одной стороны входного патрубка 2 установлена запорно-раздаточная арматура, например запорный кран (не показан), а с другой стороны этого патрубка 2 расположено сопло 7. Сопло 7 выполнено в виде конической насадки с круглым выходным отверстием, против которого на расстоянии 5 см (расстояние определено экспериментально) соосно расположен конусно-сферическая лунка отражатель (торец концевого волновода 6). В выходном патрубке 3 установлена втулка 4. Втулка 4 является рестриктором и служит для образования максимального кавитационного воздействия путем создания повышенного статического давления в зоне кавитации. В центре стальной трубы 1 коаксиально расположен ультразвуковой вибратор 5, выполненный в виде концентратора с переменным по длине поперечным сечением. На одном конце 6 концентратора 5 (с меньшим поперечным сечением) выполнена лунка 10 и установлен монтажный диск 14.

На монтажном диске 14 закреплены три резонирующих стержня 9 консольно и три резонирующих стержня 9 жестко. Резонирующие стрежни 9 расположены в непосредственной близости от сопла 7 параллельно концевому волноводу 6. На другом конце вибратора 5 (с большим поперечным сечением) помещен пьезоэлемент 15, который подключен посредством провода 16 с изоляцией к генератору 8 ультразвуковых колебаний.

Генератор 8 ультразвуковых колебаний работает на частоте 21 кГц. Амплитудный модулятор 11 выполнен в виде диодного выпрямителя сетевого напряжения без сглаживающего фильтра. Напряжение, питающее ультразвуковой генератор, может иметь модулирующую частоту 25,50 или 100 Гц (в зависимости от реализации выпрямителя).

Гидродинамический излучатель работает следующим образом.

Для интенсификации технологических процессов в жидких средах ГДИ располагают или в самой рабочей емкости (например, в химическом реакторе) или размещают в трубопроводе для создания циркуляции через них рабочего раствора. ГДИ работают при перепадах давлений между входом и выходом 0,2^oC15 МПа, которое обеспечивается чаще всего насосами, смонтированными в непосредственной близости от ГДИ (например, при использовании центробежно-вихревых, роторно-зубчатых или шестеренчатых насосов).

Режимы обработки жидких сред следующие: а) обработку воды до поступления на очистные сооружения. При этом режиме возможно достигнуть существенного снижения расхода реагентов и одновременно интенсифицировать процесс осаждения взвеси; б) применение обработки после очистки. Это позволяет улучшить качественные показатели обработанной воды по большинству показателей.

В исходном состоянии минимальная величина давления на входе ГДИ составляет 4·10⁵ Па, и из соображений надежности работы устройства не должна превышать давления (8 10) 10⁵ Па, запорный кран закрыт, ультразвуковой вибратор 5 в состоянии покоя, обрабатываемой жидкости в герметизированной емкости 1 нет.

При включенном ультразвуковом генераторе 8 происходит вибрация ультразвукового вибратора 5, а по входному патрубку 2 (при открытом запорном кране) под избыточным давлением подают обрабатываемую жидкость в герметизированную емкость 1. Подаваемая жидкость через сопло 7 попадает на препятствие, которым является конусно-сферическое углубление в концевом волноводе 6 ультразвукового вибратора 5. Происходит генерирование возмущений в жидкой среде в виде поля скоростей и давлений при взаимодействии вытекающей из сопла струи обрабатываемой жидкости с отражателем в виде сферического углубления. Кроме того, отражаясь от препятствия, жидкость возбуждает колебания резонирующих стержней 9, при этом происходит преобразование энергии турбулентной затопленной струи жидкости в энергию акустических волн.

При прохождении в жидкости акустических волн происходит локальное понижение давления, а следовательно, возникает акустическая кавитация. Таким образом, акустическое поле ГДИ обусловлено действием интенсивных струнных течений и эффекта ультразвуковой кавитации. Втулка 4, установленная в выходном патрубке 3, создает гидродинамическое сопротивление и, следовательно, повышенное статическое давление в зоне кавитации. Размеры втулки 4 выбирают по графикам в зависимости от давления подачи. В полости излучателя фиксируют три частотных составляющих 21 кГц, 7 кГц и пульсаций с частотой 3 кГц, а максимальную амплитуду колебаний наблюдают при зазоре между соплом 7 и концентратором 6, равном 5 см. Величина акустических давлений при этом составляет 250.300 Па. При этом 1) составляющие сигнала с частотой 21 и 7 кГц соответствуют резонансным частотам отражателя-концентратора и набора стержней, рассчитанных на частоту 7 кГц; 2) пульсирующий сигнал с частотой 3 кГц соответствует частоте пульсаций кавитирующей зоны между соплом и отражателем.

Кратность или равенство частоты пульсаций кавитационной полости и резонансной частоты стержней 9 частоте ультразвукового вибратора 5 обеспечивают существенное увеличение амплитуд ультразвуковых сигналов.

Регулировка работы излучателя в автоматическом режиме происходит следующим образом: амплитудная модуляция колебаний концентратора отражателя вызывает периодическое изменение физических параметров зоны между соплом и отражателем (например, газосодержание, плотность жидкости и т.д.). При этом собственная частота пульсации кавитационной области также циклически изменяется в зависимости от глубины амплитудной модуляции до 6.8% от основной частоты. Поэтому при изменении давления подачи жидкости за счет, например, колебаний напряжения и плотности жидкой среды будет происходить периодическое совпадение частоты вынужденных и собственных колебаний, что приведет к небольшому снижению интенсивности кавитационного воздействия (до 15%), но не полная потеря работоспособности как в устройстве прототипа.

Ультразвуковой вибратор находится во время работы в обрабатываемой жидкости, которая, нагреваясь, охлаждает его. По окончании непрерывного технологического процесса выключают ультразвуковые вибраторы 5. Промывка ГДИ и возобновление его работы аналогичны вышеописанному процессу.

Использование изобретения позволяет интенсифицировать и стабилизировать процесс очистки сточных вод промышленности и сельскохозяйственных предприятий за счет повышения интенсивности ультразвуковых колебаний в области сопло-концевой волновод, а также за счет повышенного квазистатического давления в зоне пульсации. Это позволяет повысить производительность технологического процесса на 30%40% по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Гидродинамический излучатель, содержащий герметизированную емкость с входным и выходным патрубками, имеющими запорно-раздаточную арматуру, и размещенные внутри емкости ультразвуковой вибратор с концевым волноводом, подсоединенный к выходу генератора ультразвуковых колебаний, и сопло, установленное во входном патрубке, отличающийся тем, что герметизированная емкость снабжена резонирующими стержнями, расположенными параллельно концевому волноводу, имеющему углубление на торце и установленному соосно напротив сопла, а генератор ультразвуковых колебаний дополнительно снабжен амплитудно-модулирующим устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1