Способ удаления инородных частиц из текучей среды и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технологии очистки жидкостей и газов от взвешенных инородных частиц, в особенности микрочастиц диаметром от 0,01 до 100 мкм, путем использования энергии ультразвука. Способ удаления инородных частиц из текучей среды включает создание потока обрабатываемой среды через зону обработки стоячей акустической волной т фронтами, параллельными направлению потока, и образование путем упомянутой акустической обработки ряда эквидистантных и параллельных фронтам стоячей волны слоев с повышенным содержанием инородных частиц, а в интервалах между ними - ряда параллельных и эквидистантных слоев с пониженным содержанием инородных частиц. На выходе из зоны акустической обработки упомянутые слои разделяют с образованием частей потока с повышенным содержанием инородных частиц, которые направляют в одну из частей потока с пониженным содержанием частицу, которые направляют в другую сторону. Для реализации способа служит устройство для удаления инородных частиц из текучей среды, снабженное сепаратором, содержащим короб и смонтированный внутри короба пакет из тонколистовых деталей, в том числе перегородок и отражателей частей потока. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технологии очистки жидкостей и газов от взвешенных инородных частиц, в особенности так называемых микрочастиц диаметром от 0,01 до 100 мкм, путем использовании энергии ультразвука и может найти применение для очистки воды, жидких пищевых продуктов, топлива, воздуха, выхлопных газов двигателей и так далее.

Известен способ обеспыливания газа [1] включающий создание потока обрабатываемой среды через зону обработки стоячей акустической волной с фронтами, параллельными направлению потока, и образование путем акустической обработки вблизи характерных плоскостей упомянутой акустической волны ряда параллельных и эквидистантных слоев с повышенным содержанием пылевых частиц, а в интервалах между ними ряда параллельных и эквидистантных слоев с пониженным содержанием пылевых частиц.

В слоях с повышенным содержанием пылевых частиц вследствие поученного таким образом уменьшения расстояния между ними, как и вследствие дополнительной обработки потока пилообразной звуковой волной, распространяемой вдоль направления его движения, достигается определенная степень коагуляции частиц пыли, способствующая повышению эффективного их осаждения при последующем пропускании потока через осадительные устройства.

Однако, такой способ, также как и другие, основывающиеся на процессе коагуляции, применим лишь для очистки газовых сред от аэрозолей с достаточно крупными частицами, способными коагулировать, и то только при их сравнительно высокой концентрации в обрабатываемой среде.

Описанный способ, выбранный в качестве прототипа, малоэффективен при обработке мелкодисперсных аэрозолей, образованных из весьма малых частиц, и оставляет в обработанной среде сравнительную высокую остаточную запыленность, которую принципиально невозможно снизить ниже определенной предельной величины. Это же недостаток проявляется и при обработке загрязненных микрочастицами жидкостей.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания такой технологии очистки жидкой или газовой среды от взвешенных в ней микрочастиц, которая была бы свободна от отмеченного выше недостатка и благодаря применению которой достигается степень очистки практически не зависела бы ни от дисперсности, ни от концентрации загрязняющих частиц в очищаемой среде, ни от их способности к коагуляции.

Поставленная задача решена путем того, что при проведении способа удаления инородных частиц из текучей среды, включающего создание потока обрабатываемой среды через зону обработки стоячей акустической волной с фронтами, параллельными направлению потока, и образование путем упомянутой акустической обработки ряда эквидистантных и параллельных яронтам стоячей волны слоев с повышенным содержанием инородных частиц, а в интервалах между ними ряда параллельных и эквидистантных слоев с пониженным содержанием инородных частиц, не выходя из зоны акустической обработки упомянутые слои разделяют с образованием частей потока с повышенным содержанием инородных частиц, которые направляют в одном направлении, и частей потока с пониженным содержанием инородных частиц, которые направляют в другом направлении.

Решение поставленной задачи потребовало также создания устройства для удаления инородных частиц из текучей среды, которое оказалось бы эффективным и при удалении микрочастиц.

При создании такого устройства были использованы результаты собственных теоретических и экспериментальных исследований дрейфового движения микрочастиц в ультразвуковых полях. В результате упомянутых исследований было установлено, что при обработке ультразвуковым полем частицы, в зависимости от их плотности и размеров, а также в зависимости от частоты и интенсивности акустической волны, группируются либо в областях пучности скоростей, либо в узловых плоскостях звуковой волны. Например, при обработке ультразвуковым полем с плотностью мощности порядка 1 вт/куб.см и частотой 76 кгц частицы диаметром свыше 20 мкм и с плотностью выше 0,4 г/куб.см группируются в областях пучности скоростей, а более мелкие независимо от их плотности в узловых плоскостях.

Решение поставленной задачи поэтому было осуществлено путем создания устройства для удаления инородных частиц из текучей среды, которое, в отличие от устройства для осуществления способа прототипа [1] содержащего рабочую камеру прямоугольного сечения, ограниченную двумя первыми боковыми стенками и двумя вторыми боковыми стенками, перпендикулярными первым, и по меньшей мере один ультразвуковой излучатель, закрепленный на одной из первых боковых стенок для создания в камере одномерной стоячей ультразвуковой волны с фронтами, параллельными первым боковым стенкам, снабжено на выходе из рабочей камеры сепаратором, содержащим ряд тонкостенных перегородок, расположенных в плоскостях, параллельных первым боковым стенкам и охватывающих с обеих сторон узловые плоскости и/или плоскости пучностей, а также центральные части интервалов между ними, и два ряда размещенных между перегородками отражателей, в том числе ряд отражателей частей потока с повышенным содержанием частиц, компланарных узловым плоскостям и/или плоскостям пучностей, и ряд отражателей частей потока с пониженным содержанием частиц, компланарных осевым плоскостям интервалов между узловыми плоскостями и/или плоскостями пучностей, причем отражатели частей потока с повышенным содержанием частиц имеют отражательные поверхности, размещенные на первой геометрической поверхности, перпендикулярной первым боковым стенкам рабочей камеры и прилегающей к внутренней поверхности одной из вторых боковых стенок, а отражатели частей потока с пониженным содержанием частиц имеют отражательные поверхности, размещенные на второй геометрической, перпендикулярной первым боковым стенкам рабочей камеры и прилегающей к внутренней поверхности другой из вторых боковых стенок, и при этом первая и вторая геометрические поверхности пересекаются между собой в пространстве между плоскостями боковых стенок вне пределов рабочей камеры.

Поток текучей среды, который, благодаря его обработке стоячей звуковой волной, приобретает слоистую структуру, разделяется послойно на части, характеризующиеся либо повышенной, либо пониженной концентрацией частиц. Сталкиваясь с отражателями, упомянутые части потока меняют направление движения, при этом части потока с повышенной концентрацией частиц, отклоняются в одну, а части потока с пониженной концентрацией частиц отклоняются в другую сторону.

Ключевым элементом предложенного устройства для удаления инородных частиц из текучей среды является его сепаратор, который в соответствии с изобретением содержит короб и смонтированный внутри короба пакет из ряда идентичных четырех слойных групп плоских листовых деталей, в каждой из которых первый слой образован первой перегородкой, второй слой равными между собой по толщине отражателем первого рода и прокладкой первого рода, третий слой второй перегородкой, идентичной первой, и четвертой слой равными между собой по толщине отражателями второго рода и прокладкой второго рода, а отражатели выполнены в виде полосы, имеющей на концах первый и второй хвостовики и с боковых сторон отражающую и затылочную грани, причем контуры первых хвостовиков отражателей первого рода проецируются на контуры прокладок второго рода, контуры первых хвостовиков отражателей второго рода на контуры прокладок первого рода, контуры вторых хвостовиков отражателей первого рода - на контуры одноименных хвостовиков отражателей второго рода, контуры хвостовиков и затылочных граней отражателей проецируются на часть контура перегородок, тогда как оставшаяся часть последнего представлена линией, конечные точки которой проецируются на точки перехода от отражающих граней к контурам хвостовиков первого рода.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного устройства для удаления инородных частиц из текучей среды; на фиг. 2 вид на фиг. 1 по стрелке А с частичным разрезом; на фиг. 3 и 4 разрезы Б-Б и В-В фиг. 2.

Устройство содержит удлиненную рабочую камеру прямоугольного сечения 1, имеющую боковую стенку 2, противоположную ей стенку 3, в окне которой смонтирована параллельная стенка 2 резонирующая плита закрепленного на стенке 3 излучателя ультразвуковых колебаний 4, и перпендикулярные стенкам 2 и 3 стенки 5 и 6.

При этом расстояние между плитой излучателя 4 и стенкой 2 установлено кратным четверти длины генерируемой стоячей волны.

Кроме того излучатель снабжен юстировочным устройством (на чертеже не показано), позволяющим устанавливать это расстояние в достаточной точностью. Сверху к камере 1 прикреплен переходной патрубок 7 с фланцем 8 для соединения с подающим трубопроводом 9. Снизу камера имеет фланец 10, к которому посредством болтовых соединений прикреплен сепаратор 11. Последний имеет корпус 12 с левым и правым отводами 13 и 14 и закрепленными на них фланцами 15 и 16. Сверху сепаратор снабжен фланцем 17, имеющим рант 18, раздвинутый в стороны со стороны стенок 5 и 6 с образованием прямоугольных площадок 19 и 20. С опиранием на последние, а также на стенки 21 и 22 отводов 13 и 14 в корпусе 12 закреплен пакет из нескольких идентичных четырехслойных групп плоских листовых деталей. Каждая из этих групп имеет в качестве первого слоя тонкостенную перегородку 23, в качестве второго слоя левый, относительно плоскостей фиг 3 и 4 отражатель 24 и правую прокладку 25, той же толщины, что и отражатель 24, в качестве третьего слоя вторую тонкостенную перегородку 23 и в качестве четвертого слоя правый отражатель 26 и левую прокладку 27, равную по толщине отражателю 26. При этом общая толщина группы равна половине длины ультразвуковой волны, генерируемой излучателем 4. Отражатели 24 и 26 выполнены в виде полос, имеющих отражающие 28 и затылочные 29 грани, первые хвостовики 30, опирающиеся на площади 19 и 20 и вторые хвостовики 31, опирающиеся на стенки 21 и 22. При этом контуры хвостовиков 30 левых отражателей проецируются на контуры левых прокладок 27, контуры хвостовиков 30 правых отражателей проецируются на контуры правых прокладок 25, контуры вторых хвостовиков 31 левых отражателей проецируются на контуры вторых хвостовиков 31 правых отражателей, контуры хвостовиков 30 и 31 и затылочных граней 29 проецируются на часть контура перегородок 23, тогда как оставшаяся часть последнего образована линией 32 с конечными точками, проецирующими на точки пересечения контуров отражающих граней 28 и первых хвостовиков 30. Толщина ранта 18 равна ширине прокладок 25 и 27 и первых хвостовиков отражателей 24 и 26, а между ними и фланцем 10 проложена упругая герметизирующая прокладка 33. К фланцам 15 и 16 прикреплены переходники 34 и 35 для соединения с трубопроводами для очищенной среды и среды с повышенной концентрацией микровключений.

Пакет из элементов 23-27 смонтирован в сепараторе с возможностью регулирования его положения относительно стенок 2 и 3 и, следовательно, по отношению к узловым плоскостям ультразвуковой волны. Такое регулирование обеспечивается наличием охватывающих пакет с обеих сторон левой и правой пластин 36 и 37 той же формы, что и перегородки 23, но обладающих по сравнению с ними, благодаря большей толщине, более высокой жесткостью, упругой сжимаемой прокладки 38, расположенной между стенкой корпуса 12 и пластиной 36, прикрепленной к противоположной стенке корпуса 12 втулки 39 с резьбовым отверстием, являющимся продолжением соответствующего сквозного отверстия в стене корпуса, и винта 40, взаимодействующего торцем с пластиной 37 и резьбовой частью с втулкой 39.

Устройство содержит также схему автоматического поддержания заданной частоты генерируемых ультразвуковых колебаний, выполненную в соответствии с традиционной схемой регулирования с обратной связью (на чертеже не показана). Схема может включать расположенный внутри рабочей камеры 1 датчик интенсивности ультразвуковых колебаний. При отклонении системы от резонансного режима изменяется величина поступающего с датчика сигнала, что вызывает соответствующее изменение частоты ультразвукового генератора до тех пор, пока значение сигнала от датчика не станет равным оптимальной величине.

Очистка текучей среды от инородных микрочастиц проводится при помощи описанного выше устройства следующим образом.

Через патрубок 7 в камеру 1 подают подлежащую очистке среду: например, жидкость. Благодаря работе излучателя 4 в камере 1 устанавливается стоячая ультразвуковая волна, длина которой (λ) отвечает следующим двум условиям: , где L расстояние между излучателем 4 и стенкой 2; S толщина группы от деталей 23-27; n целое число.

При ламинарном прохождении жидкости сверху вниз через камеру 1 содержащейся в ней инородные микрочастиц, в зависимости от их размера, группируются либо в узловых плоскостях стоячей волны, либо в плоскостях, расположенных посередине между узловыми плоскостями. В зависимости от установки пакета 23 27, выполняемой при помощи винта 40, части потока жидкости, содержащие повышенную концентрацию частиц, будут при этом отклоняться либо отражателями 24, либо отражателями 26 в одну сторону, а части потока жидкости с пониженным содержанием частиц соответственно либо отражателями 26, либо отражателями 24 в другую сторону, вследствие его через патрубки 34 и 35 будут проходить потока жидкости с различной концентрацией включений.

При загрязнения жидкости частицами, различными по своей природе, или заметно отличающимися по габаритам, часть из них может группироваться в узловых плоскостях ультразвуковой волны, тогда как оставшаяся часть в плоскостях, расположенных посередине между ними. В этом случае описанное устройство может работать как классификатор.

Нетрудно представить, что если в аналогичном устройстве каждую группу деталей 23 27 выполнить равной по толщине λ/4, то с его помощью можно разделить поток жидкости на два, один из которых будет содержать жидкость с повышенным содержанием частиц, группирующихся и в узловых плоскостях, и в плоскостях, располагающихся посередине между ними, а второй будет содержать жидкость с пониженным содержанием любых частиц.

Формула изобретения

1. Способ удаления инородных частиц из текучей среды, включающий пропускание потока обрабатываемой среды через зону обработки стоячей акустической волной с фронтами, параллельными направлению потока, и образование ряда эквидистантных и параллельных фронтам стоячей волны слоев с повышенным содержанием инородных частиц, а в интервалах между ними ряда параллельных и эквидистантных слоев с пониженным содержанием инородных частиц, отличающийся тем, что на выходе из зоны акустической обработки слои разделяют с образованием частей потока с повышенным содержанием инородных частиц, которые направляют в одну, и частей потока с пониженным содержанием частиц, которые направляют в другую сторону.

2. Устройство для удаления инородных частиц из текучей среды, содержащее рабочую камеру с двумя первыми боковыми стенками и двумя вторыми боковыми стенками, перпендикулярными первым, и по меньшей мере один ультразвуковой излучатель, закрепленный на одной из первых боковых стенок для создания в камере однородной стоячей ультразвуковой волны с фронтами, параллельными первым боковым стенками, отличающееся тем, что на выходе из рабочей камеры устройство снабжено сепаратором, содержащим ряд тонкостенных перегородок, расположенных в плоскостях, параллельных первым боковым стенкам и охватывающих с обеих сторон узловые плоскости и/или плоскости пучностей ультразвуковой волны, а также центральные части интервалов между ними, и два ряда размещенных между перегородками отражателей, в том числе ряд отражателей частей потока с повышенным содержанием частиц, компланарных узловым плоскостям и/или плоскостям пучностей, и ряд отражателей частей потока с пониженным содержанием частиц, компланарных медианным плоскостям интервалов между узловыми плоскостями и/или плоскостями пучностей, причем отражатели частей потока с повышенным содержанием частиц имеют отражательные поверхности, размещенные на первой геометрической поверхности, перпендикулярной первым боковым стенкам рабочей камеры и прилегающей к внутренней поверхности одной из вторых боковых стенок, а отражатели частей потока с пониженным содержанием частиц имеют отражательные поверхности, размещенные на второй геометрической поверхности, перпендикулярной первым боковым стенкам рабочей камеры и прилегающей к внутренней поверхности другой из вторых боковых, и при этом первая и вторая геометрические поверхности пересекаются между собой в пространстве между плоскостями вторых боковых стенок вне пределов рабочей камеры.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что сепаратор содержит короб и смонтированный внутри короба пакет из ряда идентичных четырехслойных групп плоских листовых деталей, в каждой из которых первый слой образован первой перегородкой, второй слой равными между собой по толщине отражателями первого рода и прокладкой первого рода, третий слой второй перегородкой, идентичной первой, и четвертый слой равными между собой по толщине отражателями второго ряда и прокладкой второго рода, а отражатели выполнены в виде полосы, имеющей на концах первый и второй хвостовики и с боковых сторон - отражающую и затылочную грани, причем контуры первых хвостовиков отражателей первого рода проецируют на контуры прокладок второго рода, контуры первых хвостовиков отражателей второго рода контуры прокладок первого рода, контуры вторых хвостовиков отражателей первого рода на контуры одноименных хвостовиков отражателей второго рода, контуры хвостовиков и затылочных граней отражателей проецируют на часть контура перегородки, оставшаяся часть последнего представлена линией, конечные точки которой проецируют на точки перехода от отражающих граней к контурам первых хвостовиков.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что пакет из групп листовых деталей смонтирован с возможностью регулируемого перемещения относительно короба в направлении, перпендикулярном плоскостям листовых деталей.

5. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что толщина группы плоских листовых деталей равна половине или четверти длины акустической волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4