Способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде

 

Изобретение относится к технике эксперимента, а именно, к способам проведения эксперимента с использованием процессов нелинейной акустики. Использование предлагаемого способа позволяет с минимальными затратами опробировать множество технологических процессов и получить научные обоснования использования нелинейной акустики. Способ проведения эксперимента включает в себя технологический процесс в проточной жидкой или газовой среде и формирование линейных акустических колебаний посредством устройства для излучения линейных акустических колебаний. В среде присутствуют нелинейные акустические колебания, взаимодействующие с линейными акустическими колебаниями среды. При этом линейные акустические колебания формируют истечением среды через одно отверстие прямоугольного сечения, имеющего ширину меньше высоты, с частотой, определяемой произведением числа оборотов подвижного ротора и числа импульсов в среде за один оборот ротора излучателя акустических колебаний. А частотный диапазон импульсных возбуждений среды согласуют с технологическим процессом. 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к области техники эксперимента, а более конкретно к способам проведения эксперимента с использованием процессов нелинейной акустики.

Уровень техники Нелинейная акустика находит все более широкое применение в науке и технике. Акустические воздействия на вещество являются эффективным средством познания большого числа естественных знаний. Общепринято трактовать эффекты нелинейной акустики как "акустические колебания", "ультразвуковая технология", "звукохимия" и просто одним названием - "ультразвук". Практически же в технологических процессах используются акустические колебания широкого диапазона частот - от инфразвука до гиперзвука.

В ряде областей физики и техники, связанных с акустическими колебаниями /акустики, радиофизики, оптики, теории плазмы/, уже достигнуты возможности распространения мощных воли, и в отдельных случаях, большей частью в жидких и газовых средах, появляется необходимость исследования таких явлений, как, например, акустические течения, радиационное давление, кавитация и других факторов.

Однако более интенсивному применению акустических колебаний препятствует сложность проведения экспериментальных работ по конкретным технологическим процессам, выражающаяся необходимостью выполнения опытных образцов в металле, большого количества продукта или среды, совершенной контрольной и регистрирующей аппаратуры.

Известны устройства для создания акустических колебаний, обладающих достаточной мощностью акустического поля, например изделие, выпускаемое Златоустовским машиностроительным заводом - "Сирена гидродинамическая СГД-З". Уровень звукового давления в этом излучателе достигает 210 дБ относительно опорного уровня 2·10^-5 Н/м².

Технические решения, использованные в этом излучателе акустических колебаний, защищены авторскими свидетельствами СССР NN 495862, 506978, 678755, 699713, 936529 и патентами Бельгии N 829110, Болгарии N 31391, ГДР N 116764, Канады N 1031065, Польши N 99184, США N 4118796, Франции N 2310811, ФРГ N 2521015, Швейцарии N 604931, Японии N 1114277.

Товарное изделие СГД-3Г демонстрировалось в институте горного дела /ИГД/ им. А. А. Скочинского представителям фирм: "Валмет" /Финляндия/ в 1980 г. и "Ниссо Иваи", Синто Когио ЛтД и 1981 г. Последней, по опционному соглашению, в Токио на 6 месяцев направлялась установка-смеситель "УС-1" /шахтерский вариант/ с установленным в ней изделием СГД-3Г.

Известно устройство, названное "Пульсационный смеситель", заявка СССР N 4190715/25-29, авторское свидетельство N 1814349, действие которой в РФ прекращено с 28.05.1993 г., 19.10.1988 г., подана международная заявка N PCT 38/00199 на выдачу европейского патента в странах: Австрия, Бельгия, Швейцария и Лихтенштейн, ФРГ, Франция, Великобритания, Италия и национального патента в странах: Финляндия, Венгрия, Япония, США. Европейское патентное ведомство сообщило 30.04.1991 г., что заявка N 89903486 опубликована в Европейском патентном бюллетене N 1991/15 под N 0420981. Отличительной особенностью такого излучателя является то, что в нем ротор охватывает статор и вращение ротора осуществляется потоком среды, находящейся под давлением в полости статора и радиальных каналах прямоугольного сечения, а каналы в роторе выполнены также прямоугольного сечения, но тангенциально, что и является причиной вращения.

Известно "устройство для создания акустических колебаний" в жидкой проточной среде", опубликованное в БИ N 10 1982 г., авторское свидетельство СССР N 1296234, действие которого в РФ прекращено с 28.05.1993 г. Именно этот патент взят за прототип настоящего изобретения, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков, один из которых в том, что количество в роторе и статоре выбрано из соотношения где n - число промежутков между совпавшими отверстиями ротора и статора в ряду отверстий статора; n, α - целое число /1,2,3.../ Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения являлся способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде. Использование для таких задач уже известных излучателей акустических колебаний затруднено для эксперимента в проточной жидкой или газовой среде в технологических процессах, какими, например, могут быть эмульгирование в жидких средах и коагуляция в газовых.

В отличие от линейных волн для нелинейных перестает выполняться принцип суперпозиции - нелинейные волны взаимодействуют.

В предлагаемом способе в среде присутствуют линейные волны, возбуждаемые самой средой, истекающей из полости статора, где она находится под давлением, через совпавшие отверстия подвижного ротора и неподвижного статора с частотой повторения, определяемой из соотношения f = m·k·n(n+α), где f - частота повторения импульсных возбуждений среды, Гц;
m - частота вращения подвижного ротора, сек^-1;
k - количество одновременно совпадающих отверстий подвижного ротора и неподвижного статора /1,2,3.../
n, α - целое число /1,2,3.../
практически плоскими струями среды, за счет исполнения отверстий прямоугольного сечения, в которых присутствуют нелинейные волны, зависящие от "толщины" этих плоских струй среды.

Согласно изобретению "толщина" плоских струй среды в процессе эксперимента изменяется. На фиг.1 показано формирование импульса истекающей струи среды в процессе совпадения отверстий неподвижного статора и вращающегося ротора. Импульс формируется за время перемещения отверстия ротора относительно отверстия неподвижного статора на расстояние "2a", как это наглядно представлено на фиг.1, где перемещение отверстия ротора происходит по направлению стрелки.

Имея в излучателе акустических колебаний сочетание количества отверстий в статоре и роторе таким, что совпадают только одно отверстие ротора и статора, и проведя осуществление и наблюдение процесса в проточной жидкой или газовой среде, можно увеличить производительность среды и частоту импульсных возбуждений среды в соответствии с проведенным технологическим процессом.

На фиг. 2 показано расположение и последовательность их совпадения для двух групп минимального сочетания отверстий статора и ротора n/n + α = 3/4. Для наглядности, в развертке окружности отверстия статора условно размещены выше отверстий ротора так, что крайние отверстия ни что иное, как одно отверстие, по оси которого окружность разомкнута в развертку. Каждое отверстие ротора и статора при этом расположено на своей осевой линии отверстия и выделяется более жирной линией. Из приведенного на фиг.2 примера следует, что за перемещение на расстояние "2аn" осевой линии отверстия ротора формируются три импульса одновременно двумя отверстиями статора. Последовательность совпадения 1-1, -2-2, 3-3, как это показано стрелками с нумерацией. За один оборот ротора процесс импульсных "возмущений" среды повторяется восемь раз, так как на поверхности ротора восемь отверстий, т.е. за полный оборот ротора в среду последовательно излучается 24 импульса "возмущений" среды одновременно двумя отверстиями статора.

Согласно настоящему изобретению способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде осуществляется при наличии сочетания количества прямоугольных отверстий в подвижном роторе и неподвижном статоре, когда при движении ротора по отношению к неподвижному статору совпадают только одно отверстие статора и ротора излучателя акустических колебаний, каким может быть любой известный излучатель акустических колебаний, снабженный подвижным ротором и неподвижным статором, имеющими прямоугольные отверстия для пропуска среды. Количество импульсов возбуждения среды в таком случае движения ротора за один полный оборот ротора определяется произведением n(n + α), а для строгой последовательности импульсного возбуждения среды окончание одного импульса должно совпадать с началом следующего импульса. Для этого необходимо в развертке окружности минимального сочетания отверстий статора и ротора выдерживать расстояние по осевым линиям отверстий в роторе "2аn" и в статоре "2а(n + α), как это показано на фиг.2. Приняв ширину прямоугольного отверстия равной единице, что можно отнести к метрической системе, согласно изобретению составлена номограмма, изображенная на фиг.3, где на пересечении линий чисел n и α , где совпадает только одно отверстие, указано количество импульсов, излучаемых последовательно в среду за один полный оборот ротора, и выше, слева от числа импульсов, указан номинативный /назывательный/ диаметр по французской лингвистике как диаметр единый для наружной поверхности статора и внутренней ротора, поскольку зазором между ними из-за малости можно пренебречь, а потому диаметр обращенных друг к другу поверхностей ротора и статора определяется одним выражением:

где D_н - номинативный диаметр поверхностей ротора и статора, мм.

Числа n и α можно неограниченно увеличивать для расширения действия номограммы фиг.3.

Согласно изобретению "Способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде" предполагается проведение экспериментальных отработок множества технологических процессов, каждый из которых проводится в конкретном диапазоне акустических колебаний. Ориентацию процессов по частотному диапазону линейных волн согласуют с уже известными достижениями в области нелинейной акустики, например, воспользовавшись сообщениями "Маленькой энциклопедии" - "Ультразвук" под редакцией И. П.Галяминой, издательство "Советская энциклопедия", Москва, 1979 г., стр. 16
Перечень чертежей и иных материалов
Изобретение поясняется прилагаемыми материалами, на которых:
фиг. 1 изображает формирование импульса давления среды при перемещении отверстия ротора относительно отверстия статора;
фиг.2 изображает расположение и последовательность совпадения двух групп отверстий минимального сочетания n/n + α = 3/4;
фиг. 3 графически изображает номограмму минимальных сочетаний количества отверстий подвижного ротора и неподвижного статора и величины их номинативных диаметров при ширине прямоугольных отверстий, равных единице;
фиг. 4 представляет запись осциллограммы шумового эффекта в среде, находящейся в рабочей камере излучателя - "Сирены гидродинамической СГД-З", в котором на поверхности ротора и статора выполнено 12 групп минимального сочетания отверстий n/n + α = 4/5, т.е. исполнения в ряду отверстий статора и ротора - 48/60;
фиг. 5 представлена фотография ротора "Пульсационного смесителя" после проведенных на воде испытаний.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Использование предлагаемого способа проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде позволяет с минимальными затратами опробировать множество технологических процессов и получить научные обоснования, возможно новые использования нелинейной акустики. Простота и доступность способа при пользовании номограммой фиг. 3 и определении номинативного диаметра ротора и статора механического излучателя линейных акустических колебаний, каким может быть любой из известных излучателей акустических колебаний, содержащий неподвижный статор и вращающийся ротор, на цилиндрической поверхности которых выполнены отверстия прямоугольного сечения, позволяет внедрить в промышленное производство новые технологии, а в науку внести новые данные о линейной акустике. На фиг.4 показана осциллограмма шумового эффекта в среде, где наблюдается масса дискретных составляющих основной частоты и их уровень в логарифмическом масштабе относительно опорного уровня 2·10^-5 Н/м².

В настоящее время ПО "Златоустовский машиностроительный завод" проводит подготовку эксперимента по смешению дизельного топлива с водой и по обеззараживанию питьевой воды. Для справки адрес ПО "ЗМЗ" Россия, 456208, г. Златоуст, Челябинской обл. Парковый проезд, 1, Генеральный директор Стариков Геннадий Павлович.тел. /351-36/3-91-01.

Доказательно заметить на фиг.5 следы струйного истечения среды из тангенциальных отверстий ротора, выполненного из титана. На фотографии ясно видны эрозионные следы струйного истечения среды и пульсаций нелинейного характера.

Необходимость экспериментального анализа научной мысли и практики очевидна. Способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде крайне необходим мировой общественности в развитии науки и техники.

Формула изобретения

Способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению процессов в проточной жидкой или газовой среде, включающий в себя технологический процесс в этой среде и формирование линейных акустических колебаний, отличающийся тем, что в среде присутствуют нелинейные акустические колебания, взаимодействующие с линейными акустическими колебаниями среды, при этом линейные акустические колебания формируют истечение среды через одно отверстие прямоугольного сечения, имеющего ширину меньше высоты, с частотой, определяемой произведением числа оборотов подвижного ротора и числа импульсов в среде за один оборот ротора излучателя акустических колебаний, а частотный диапазон импульсных возбуждений среды согласуют с технологическим процессом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.07.2005        БИ: 20/2005

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Григорьев Галим Михайлович

Вид лицензии*: ИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Технология"

Договор № РД0020145 зарегистрирован 28.03.2007

Извещение опубликовано: 10.05.2007        БИ: 13/2007

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.08.2009

Извещение опубликовано: 20.08.2009        БИ: 23/2009

---