Кавитационный реактор

Изобретение относится к аппаратам для обработки путем воздействия энергией акустического поля ультразвуковой кавитации (кавитационной дезинтеграции) суспензий, эмульсий, коллоидных либо истинных растворов, а также воды и других жидкостей. Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, нефтедобывающей, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной отраслях промышленности, а также в медицине. Реактор включает корпус, излучатель акустической волны и отражающую стенку. Поверхность отражающей стенки, обращенная к поверхности излучателя, с которой в жидкость распространяется акустическая волна, принадлежит твердотельному резонатору с частотой резонанса, равной частоте колебаний этой поверхности излучателя и размещена вне узла его колебательных смещений. Поверхности излучателя акустической волны, с которой в жидкость распространяется акустическая волна, и отражающей стенки размещены в пучностях колебательных смещений находящегося между ними объема обрабатываемой жидкости на частоте колебаний излучателя акустической волны. Технический результат состоит в снижении потерь энергии акустической волны, возбуждающей кавитацию в реакторе, при одновременном снижении кавитационной эрозии поверхности, с которой излучается акустическая волна. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к аппаратам для обработки жидкостей путем воздействия энергией акустического поля ультразвуковой кавитации (кавитационной дезинтеграции): разрушения, разъединения, разделения на части любых субстанций, включая живые, существующих в виде взвешенных фаз в этих средах, а также для диссоциации молекул самих сред. В кавитационном реакторе могут обрабатываться жидкие среды в виде суспензий, эмульсий, коллоидных либо истинных растворов, а также вода и другие жидкости. Задачей обработки жидкостей в кавитационном реакторе может быть повышение дисперсности и гомогенности содержащихся фаз, интенсификация происходящих химических реакций, в том числе сопровождающихся синтезом новых соединений, а также бактериолиз и бактериостаз. В кавитационном реакторе механизм передачи энергии в жидкость имеет “надтепловой” характер, реализуя в ней процессы, свойственные химии высоких энергий, при которых жидкость выводится из состояния термодинамического равновесия за короткий отрезок времени. Это позволяет аккумулировать в жидкости, например в воде, определенное количество энергии практически без ее нагрева и впоследствии, при возврате к равновесному состоянию, отдавать ее в виде тепла гидратации.

Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, нефтедобывающей, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной отраслях промышленности, а также в медицине.

Известна также конструкция вибрационного устройства с отражательной стенкой [1], смонтированной таким образом, что ее обращенная внутрь камеры поверхность находится в одной плоскости с поверхностью излучателя ультразвуковой волны, окружая ее. То есть поверхность фронта ультразвуковой упругой волны, содержащего поверхность излучателя ультразвуковой волны, совпадает с обращенной внутрь камеры поверхностью этой стенки. Вторая отражающая стенка, находящаяся напротив первой стенки и излучателя ультразвуковой волны по направлению ее распространения, жестко соединена с корпусом устройства.

Известно [2], что энергия кавитации является причиной эрозионных разрушений материалов, на чем отчасти и основан дезинтегрирующий эффект в кавитационном реакторе. Поэтому разрушениям могут подвергаться и материалы, из которых изготовлены элементы конструкции самого кавитационного реактора. Продукты эрозии, попадая в обрабатываемую жидкость, могут необратимо изменить ее физико-химические свойства, что категорически не допускается, например, при обработке лекарственных препаратов, продуктов питания, а также лекарственного и пищевого сырья.

В описанном устройстве корпус подвержен кавитационной эрозии, вызываемой контактом с его периметром кавитационных областей, возникающих при работе устройства. Кроме того, так как противоположная излучателю отражающая стенка жестко связана с корпусом и не может полностью отразить падающую на нее ультразвуковую волну, ее колебания, модулируясь, частично передаются корпусу и тоже порождают кавитацию у его поверхности.

Кавитационной эрозии также подвергается поверхность излучателя и окружающей его отражающей стенки под воздействием кавитации, возникающей непосредственно на их поверхностях по причине неравенства амплитуд их колебаний [3].

Все эти явления препятствуют достижению указанного ниже технического результата при использовании такого реактора.

Известен аналог описанного реактора, содержащий корпус, образующий камеру, в которой находится обрабатываемая среда, источник ультразвуковой волны, создающий в камере кавитацию, и отражающую стенку, между которой и корпусом размещена прослойка, поглощающая часть ультразвуковой волны, не отраженную в обрабатываемую среду [4].

В таком устройстве жесткая механическая связь между отражающей стенкой и корпусом отсутствует, что позволяет рассеять часть энергии ультразвуковой волны в прослойке и обрабатываемой жидкости, снизив диссипацию энергии части ультразвуковой волны на явлении кавитации вблизи отражающей стенки и корпуса.

Однако здесь, как и в описанном выше аналоге, стенки камеры подвергаются воздействию кавитации стационарных кавитационных областей, образующихся при работе реактора. Кавитация вблизи поверхности корпуса вызывает эрозию материалов, из которых он изготовлен, сопровождающуюся попаданием ее продуктов в обрабатываемую среду, что не позволяет использовать такой реактор для достижения указанного ниже технического результата.

Известен кавитационный реактор, представляющий собой камеру, объем которой ограничен поверхностью корпуса, хотя бы одной отражающей стенки, хотя бы одного излучателя акустической волны и заполнен обрабатываемой жидкостью [5].

В этом реакторе размер корпуса, измеряемый по нормали к границе любого из фронтов ультразвуковой волны в камере, равен минимальному положительному корню трансцендентного уравнения, получаемого путем приравнивания к нулю выражения для известной единичной обобщенной функции, которая аппроксимирует известную функцию интегральной безразмерной жесткости. Поскольку эта функция есть известный “фазовый сдвиг” [2] в точке периметра кавитационной области, то искомый корень трансцендентного уравнения определяет размер корпуса, при котором плотность потенциальной энергии поля кавитации в заданной точке поверхности корпуса равна нулю. То есть эрозия стенок корпуса в этом реакторе исключена.

Однако поверхность излучателя ультразвуковой волны и отражающей стенки все же подвержены кавитационной эрозии, так как на них возникают кавитационные области из-за неравенства амплитуд их колебаний, о средствах или способах уравнивания которых в описании этого аналога ничего не сказано.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению является кавитационный реактор для обработки жидких сред, представляющий собой камеру, объем которой ограничен поверхностью корпуса, хотя бы одной отражающей стенки и хотя бы одного излучателя акустической волны, который принят за прототип [6].

В этом реакторе осуществлено выравнивание по величине амплитуд колебаний источника ультразвуковой волны - излучателя и отражающих стенок путем подбора акустического сопротивления поглощающего материала прослойки между корпусом и отражающими стенками, что дало возможность избежать возникновения кавитационной области у поверхности излучателя ультразвуковой волны и тем самым исключить ее эрозионное разрушение.

Прототип обладает недостатком, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании такого реактора для обработки жидкостей.

Выравнивание амплитуд колебаний излучателя и отражающих стенок достигнуто за счет организации режима, аналогичного по энергетике режиму бегущей волны, когда вся падающая на отражающую стенку волна проходит сквозь нее, не отражаясь назад, внутрь реактора. То есть эта стенка названа отражающей лишь условно. Часть энергии, переданная волной через стенку в прослойку, рассеивается на внутреннем трении в материале, из которого изготовлена прослойка. И лишь часть энергии, переносимая волной от излучателя в обрабатываемую жидкость, будет рассеиваться там на явлении кавитации.

Таким образом, исключение эрозии материала реактора достигается в прототипе за счет потери части энергии акустической волны, излучаемой в жидкость ее источником. При этом для выполнения задачи обработки жидкости требуются дополнительные затраты энергии, восполняющие эти потери.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что не только в режиме бегущей волны амплитуды смещения в соседствующих пучностях амплитуды практически равны по величине [7]. То же проявляется в режиме стоячей волны. В этом случае кавитационная область на поверхности излучателя в реакторе также будет отсутствовать [3] и ее эрозионное разрушение будет исключено. При этом будут сведены к минимуму и потери энергии, так как известно, что в стоячей упругой волне происходит лишь обмен энергией между соседними полуволновыми объемами [7]. А если эти объемы будут находиться внутри реактора в обрабатываемой жидкости, то вся энергия волны будет рассеиваться в ней. Использовать это преимущество позволяет тот факт, что все известные источники ультразвуковой волны, используемые в качестве источников энергии в кавитационных реакторах, функционирующих на явлении акустической (негидродинамической) кавитации, являются по сути дела резонансными колебательными системами - резонаторами. Имея в составе кавитационного реактора в качестве источника волны резонатор, можно осуществить резонансный режим работы всего реактора, как показано ниже.

Технический результат - снижение потерь энергии акустической волны, возбуждающей кавитацию в реакторе при одновременном снижении кавитационной эрозии поверхности, с которой излучается акустическая волна.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кавитационном реакторе для обработки жидкостей, включающем заполненный обрабатываемой жидкостью объем, ограниченный поверхностями корпуса, хотя бы одного излучателя акустической волны и хотя бы одной отражающей стенки, отличие состоит в том, что поверхность отражающей стенки, обращенная к поверхности излучателя, с которой в жидкость распространяется акустическая волна, принадлежит твердотельному резонатору с частотой резонанса, равной частоте колебаний этой поверхности излучателя, и размещена вне узла его колебательных смещений.

Еще одно отличие кавитационного реактора состоит в том, что поверхности излучателя акустической волны, с которой в жидкость распространяется акустическая волна, и отражающей стенки размещены в пучностях колебательных смещений находящегося между ними объема обрабатываемой жидкости на частоте колебаний излучателя акустической волны.

При реализации первого отличия во время работы реактора установится режим механического резонанса в резонаторе, которому принадлежит отражающая стенка, а при реализации и второго отличия этот режим установится и в объеме обрабатываемой жидкости, заключенном между ней и поверхностью излучателя. Как известно, резонансный режим сопровождается наименьшими механическими потерями энергии [7]. Если реализованы оба отличия, то в жидкости установится стоячая волна, у которой амплитуда давления, а значит, и рассеиваемая в жидкости энергия больше, нежели в бегущей волне в прототипе с излучателем такой же мощности. Кроме того, в любом случае амплитуды колебательного смещения поверхностей излучателя и противолежащей отражающей стенки будут равны между собой при равенстве их площадей либо обратно пропорциональны площадям при их неравенстве [3]. Поэтому кавитационная область у поверхности излучателя не возникнет и эрозия ее будет исключена.

Таким образом, сравнение заявленного кавитационного реактора с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный кавитационный реактор обладает существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками.

При анализе отличительных признаков описываемого кавитационного реактора не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к устройству отражающей стенки с целью одновременного снижения ее кавитационной эрозии потерь энергии акустической волны, возбуждающей кавитацию в реакторе.

На фиг.1 схематично изображена конструкция круглого в плане кавитационного реактора плоской волны, удовлетворяющего требованиям заявленного изобретения. Отражающая стенка принадлежит резонатору, являющемуся самостоятельной колебательной системой.

На фиг.2 схематично изображен фрагмент конструкции круглого в плане кавитационного реактора плоской волны, удовлетворяющего требованиям заявленного изобретения. Отражающая стенка принадлежит резонатору, являющемуся частью колебательной системы излучателя акустической волны.

Заявленный кавитационный реактор (фиг.1) для обработки жидкостей, в котором реализованы оба отличия, представляет собой заполненную обрабатываемой жидкостью камеру 1, например, цилиндрической формы, внутренний рабочий объем которой ограничен поверхностями корпуса 2, излучателя ультразвуковой волны 3 с частотой колебаний поверхности f и отражающей стенки 4. Поверхность отражающей стенки 4, принадлежит, например, твердотельному резонатору 5 в виде сплошного цилиндра с частотой резонанса в соответствии с отличительным признаком изобретения, также равной f, закрепленного в узле колебательного смещения посредством уплотнения 6. Пусть скорость звука в материале, из которого выполнен резонатор, равна c_р, а в обрабатываемой жидкости c_ж. Тогда высота цилиндра резонатора равна, например, c_р/2f, а расстояние между поверхностью излучателя и отражающей стенки - c_ж/f, так как в соответствии с отличительным признаком изобретения их поверхности являются поверхностями пучностей колебательных смещений заключаемого между ними объема обрабатываемой жидкости на частоте колебаний излучателя акустической волны. Излучатель выполнен, например, в виде резонатора, аналогичного резонатору, которому принадлежит поверхность отражающей стенки. Источником акустической волны является, например, электроакустический магнитострикционный преобразователь 7 с обмоткой возбуждения 8, прикрепленный к резонатору излучателя. Для пропускания обрабатываемой жидкости сквозь реактор служат, например, патрубки 9.

Кавитационный реактор (фиг.1) работает следующим образом.

В обрабатываемую жидкость, пропускаемую через камеру 1 реактора посредством патрубков 9 (направление движения жидкости значения для достижения технического результата не имеет), от электроакустического преобразователя 7 через резонатор излучателя 3 распространяется акустическая волна. При этом в колебательной системе, состоящей из электроакустического преобразователя 7, резонатора излучателя, объема жидкости, заключенного между поверхностью излучателя 3 и поверхностью отражающей стенки 4 резонатора 5 и самого этого резонатора, устанавливаются резонансные колебания, то есть режим стоячей волны, вызывающей в жидкости возникновение кавитации, которая производит в ней полезную работу.

Часть энергии акустической волны теряется при преобразовании ее в тепло на внутреннем трении в жидкости и материале резонаторов и преобразователя. Известно, что потери на внутреннее трение в твердых телах меньше, чем в жидкостях [8]. Кроме того, в отличие от прототипа, часть энергии акустической волны в жидкости, падая на поверхность отражающей стенки или, равно, излучателя, отражается от них обратно в жидкость. Поскольку в режиме резонанса отраженная волна синфазна с падающей волной, то имеет место суммирование амплитуд их давлений, квадрату которых пропорциональна энергия, рассеиваемая в жидкости [7]. То есть потери энергии акустической волны, возбуждающей кавитацию в реакторе, будут меньше, чем потери в прототипе.

Так как и излучатель с преобразователем, и отражающее устройство являются резонаторами, площади их обращенных в жидкость поверхностей равны, то в установившемся режиме их амплитуды сравняются. Если, в ином случае, площади поверхностей резонаторов не равны, то амплитуды будут им обратно пропорциональны [9]. Таким образом, возникновение кавитационных областей на этих поверхностях и связанное с их наличием эрозионное разрушение будут исключены.

Формулировка отличительных признаков изобретения не исключает случай, когда отражающая стенка (стенки) принадлежит колебательной системе излучателя акустической волны.

Фрагмент конструкции такого реактора схематично изображен на фиг.2. Реактор представляет собой заполненную обрабатываемой жидкостью камеру 1, например, цилиндрической формы, внутренний рабочий объем которой ограничен поверхностями корпуса 2, излучателя ультразвуковой волны 3 с частотой колебаний поверхности f и отражающей стенки 4. В данном случае обе эти поверхности принадлежат резонатору излучателя акустической волны. Поэтому как одна, так и другая могут называться и поверхностью излучателя, и поверхностью отражающей стенки. Амплитуды их колебательного смещения равны по определению и заданы размерами общей конструкции, которой они принадлежат. Условия резонанса и стоячей волны как в жидкости, так и в резонаторе выполняются и здесь. На базе резонатора, общего для излучающей и отражающей стенок, может быть реализовано устройство, содержащее несколько реакторов, состоящих из фрагментов, изображенных на фиг.2.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. US 3519251, 07.07.1970.

2. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 348 с.

3. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. - 173 с.

4. US 4618263, 21.10.1986.

5. SU 2209112, 04.06.2002.

6. Шестаков С.Д. К теории кавитационного реактора 2. //Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества, М.: ГЕОС, Том 1, 2003, с.31-35.

7. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959. - 572 с.

8. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.

9. Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований. // Под ред. У. Мэзона. - М: Мир, 1967, T.1, ч. “Б”. - 362 с.

1. Кавитационный реактор для обработки жидкостей, включающий заполненный обрабатываемой жидкостью объем, ограниченный поверхностями корпуса, хотя бы одного излучателя акустической волны и хотя бы одной отражающей стенки, отличающийся тем, что поверхность отражающей стенки, обращенная к поверхности излучателя, с которой в жидкость распространяется акустическая волна, принадлежит твердотельному резонатору с частотой резонанса, равной частоте колебаний этой поверхности излучателя, и размещена вне узла его колебательных смещений.

2. Кавитационный реактор по п.1, отличающийся тем, что поверхности излучателя акустической волны, с которой в жидкость распространяется акустическая волна, и отражающей стенки размещены в пучностях колебательных смещений находящегося между ними объема обрабатываемой жидкости на частоте колебаний излучателя акустической волны.