Способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления

Изобретение относится к акустическим (например, ультразвуковым) способам интенсификации тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий. Способ включает акустическое резонансное возбуждение вихревых потоков продуктов с помощью сообщенных между собой вихревых труб путем частичного соприкосновения встречно-направленных поверхностно-наружных слоев двух и более вихревых потоков на глубину их энергоактивного деформационно-сдвигового взаимодействия, не разрушающего при этом дальнейшего взаимодействия в акустических режимах. Возбужденные потоки, объединенные в общей акустической камере, выводят обработанные звуком продукты на использование. Технический результат состоит в повышении эффективности и универсальности тепломассоэнергообмена. 2 и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к акустическим (например, ультразвуковым) способам интенсификации тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий в механо-физико-химических процессах превращения, перемешивания, эмульгирования, диспергирования, гомогенизации, термообработки, сатурации, экстрагирования и подобным им.

Описание уровня техники

Известны способы интенсификации тепломассоэнергообмена акустическим возбуждением проходных потоков продуктов путем передачи жидкости колебательной энергии с помощью источника механических колебаний, взаимодействующего с жидкостью. Используется этот способ в гидродинамических ультразвуковых излучателях с пластинчатыми и стержневыми резонансными колебательными устройствами, в вихревых и роторно-пульсационных аппаратах. Другим способом интенсификации тепломассоэнергообмена акустическим возбуждением может быть взаимодействие струйных потоков между собой путем передачи кинетической энергии одного потока другому. Этот способ используется в струйных аппаратах (эжекторах, инжекторах, струйных насосах), в которых происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую с последующим тепломассоэнергообменом взаимодействующих сред. Известен звуковой способ интенсификации химических реакций [патент РФ 2232629, 7 B 01 J 19/10, опубликован 20.07.04], характеризующийся тем, что звуковую энергию вводят в жидкую среду в точке контакта реагентов в реакционной камере, а звуковые преобразователи расположены попарно и противоположно направлены относительно входных потоков реагентов, при этом устанавливают специальные диапазоны частот звуковой энергии и соответствующие мощности озвучивания. К недостаткам этого способа относится необходимость использования специальных звуковых преобразователей с определенными частотно-амплитудными и мощностными характеристиками, потери мощности и искажение частотно-амплитудных и мощностных характеристик при прохождении звука через стенку, а также сложность технической реализации всей технологии озвучивания, если учесть, что под термином «звуковой энергии» авторы трактуют звуковые волны в инфра-аудио-ультразвуковом спектре.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату является способ резонансного возбуждения жидкости и способ и устройство для нагревания жидкости [патент РФ 2232630, 7 B 01 J 19/10, опубликован 20.07.04], в котором способ резонансного возбуждения основан на обработке жидкости источником механических колебаний на частоте из ряда основных частот, подчиняющегося определенной эмпирической зависимости. Способ нагревания жидкости основан на акустической обработке жидкости и включает ее подачу в полость вращающегося рабочего колеса и выпуск из полости через ряд выходных отверстий в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса в кольцевую камеру, а затем в сборную камеру при соблюдении определенных соотношений между частотой вращения рабочего колеса, радиуса периферийной стенки и резонансной частоты. К недостаткам этого способа следует отнести сложность технической реализации этого способа, избирательность возбуждения, многофакторная зависимость резонансного возбуждения от геометрических, частотных параметров и ограниченная возможность использования этого способа для проведения других тепломассоэнергообменных процессов.

Краткое описание изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа акустической интенсификации тепломассоэнергообмена, который позволил бы за счет специальной организации взаимодействия вихревых потоков.

- увеличить длительность и мощность резонансного возбуждения продукта в более широком и управляемом диапазоне частотно-амплитудных характеристик озвучивания;

- увеличить эффективность деструктивного преобразования химических связей и дисперсно-агрегатного состояния продукта, а также акустическую активизацию химических связей на молекулярном уровне;

- универсально использовать этот способ в проведении тепломассоэнергообменных процессов разнообразного назначения.

Поставленная задача решается тем, что интенсификацию тепломассоэнергообмена методом акустического резонансного возбуждения вихревых потоков продуктов осуществляют с помощью сообщенных между собой вихревых труб путем частичного соприкосновения встречно-направленных поверхностно-наружных слоев двух и более вихревых потоков на глубину, обеспечивающую их акустическое возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения вихревых труб. Затем объединяют возбужденные потоки в общей акустической камере и выводят обработанный звуком поток на использование. Предлагаемый способ может быть использован с дополнительным акустическим резонансным возбуждением путем ориентации дополнительных резонансных вихревых каналов, размещенных в вихревых трубах относительно зон их частичного соприкосновения и тангенциальных вводов, при этом вихревые каналы сообщены с полостью вихревой трубы и обращены своей отрытой частью (зевом) к поверхностно-внутреннему слою вихревого потока. В вихревых трубах возможно дополнительное акустическое возбуждение с помощью частичных дополнительных тангенциальных вводов продукта или реагента по длине трубы.

Для осуществления настоящего способа предлагается устройство интенсификации тепломассоэнергообмена, состоящее из двух и более вихревых труб, которые сообщены между собой с помощью частичного их пересечения по образующим, а затем объединены на выходе общей акустической камерой. При этом выходной торец вихревых труб может быть выполнен пространственно-плоским или в виде любой пространственной конфигурации, отличной от пространственной плоскости. В акустической камере между выходным торцом вихревых труб и выходным каналом может быть установлена перегородка с одним и более отверстиями. По осевым вихревых труб могут быть установлены осевихревые вытеснительные цилиндры для усиления резонансного возбуждения от взаимодействия поверхностно-наружных слоев вихревых потоков. По осевым вихревых труб могут быть установлены осевихревые резонаторы, выполненные в виде установочно-подвижных цилиндров с вихревыми каналами по образующим цилиндра, обращенными своей ответной частью (зевом) к поверхностно-внутреннему слою вихревого потока. В этом случае возникает дополнительное резонансное возбуждение от взаимодействия поверхностно-внутренних слоев вихревого потока с вихревыми каналами осевихревого резонатора. Поворачивая вихревой резонатор вокруг своей оси и ориентируя его относительно тангенциальных вводов, можно добиться общего резонансного возбуждения. Вихревые трубы с тангенциальными вводами могут быть выполнены секционными, соединенными в своем продолжении между собой по их осевым через разделяющие их перегородки или без них, при этом каждая секция может содержать раздельные тангенциальные вводы для продукта или энергоносителя. Кроме этого, с помощью дополнительных тангенциальных вводов, расположенных в нескольких местах по длине вихревых труб, можно осуществить дополнительный ввод продукта или дополнительного энергоносителя (жидкость, газ, пар и т.д.) с одновременной генерацией дополнительного акустического возбуждения соединяемых или обрабатываемых продуктов. Под термином «поверхностно-энергоактивный слой» понимается некоторая глубина слоя вихревого потока, обладающая максимальной кинетической энергией, незначительно отличающейся по глубине этого слоя. Под термином «деформационно-сдвиговое взаимодействие вихревых потоков» понимается оптимальная глубина проникновения поверхностно-активных слоев друг в друга, при которой сдвиговые деформации продуктовых потоков создают наиболее эффективные условия для развитой кавитации, акустического возбуждения, не нарушая при этом дальнейшего взаимодействия вихревых потоков в акустических режимах возбуждения при иных частотно-амплитудных параметрах. Из общего числа тангенциальных вводов два могут быть противонаправленно расположены в зоне пересечения вихревых труб и смещены по разные стороны относительно хордовой плоскости пересечения вихревых труб.

Эти и другие особенности настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего описания примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет понятно более полно из последующего подробного описания в сочетании с чертежами, на которых:

фиг.1 - условное изображение схемы взаимодействия вихревых потоков в двух вихревых трубах;

фиг.2 - условное изображение схемы взаимодействия вихревых потоков в двух вихревых трубах с дополнительной установкой цилиндрических вытеснителей;

фиг.3 - условное изображение схемы взаимодействия вихревых потоков в двух вихревых трубах с дополнительной установкой осевихревых резонаторов;

фиг.4 - устройство для интенсификации тепломассоэнергообмена с двумя вихревыми трубами (в разрезе);

фиг.5 - устройство с цилиндрическими вытеснителями, сечение на уровне тангенциальных вводов;

фиг.6 - устройство с осевихревыми резонаторами, сечение на уровне тангенциальных вводов;

фиг.7 - устройство с осевихревыми резонаторами и различными вариантами пространственной конфигурации выходного торца вихревых труб (в разрезе);

фиг.8 - устройство с несколькими вихревыми трубами, сечение на уровне тангенциальных вводов;

фиг.9 - устройство с несколькими вихревыми трубами, сечение на уровне тангенциальных вводов;

фиг.10 - устройство с вихревыми трубами ступенчатой конфигурации с дополнительными тангенциальными вводами (в разрезе);

фиг.11 - устройство с вихревыми трубами, выполненными секционными и с разделяющими их кольцевыми перегородками (в разрезе);

фиг.12 - фотография вихревой секции устройства для интенсификации тепломассоэнергообмена.

Подробное описание изобретения

Способ интенсификации тепломассоэнергообмена в процессах физико-химических превращений методом акустического резонансного возбуждения вихревых потоков, взаимодействующих друг с другом, осуществляется с помощью вихревых труб, сообщенных между собой. На фиг.1 условно показано взаимодействие вихревых потоков 1 и 2 в вихревых трубах 3 и 4 (далее, трубах). Вихревые потоки 1 и 2 формируются в трубах с помощью тангенциальных входных сопел 5 (далее, тангенциальных вводов), в которые продукт поступает под давлением от внешнего источника, например насоса, компрессора. В трубах 3 и 4 формируются вихри 1 и 2 таким образом, что своими энергоактивными слоями 6 в зоне пересечения 7 труб 3 и 4, они встречно направлены друг к другу. Энергоактивные слои вихревого потока имеют определенную толщину, в которой кинетическая энергия незначительно отличается по толщине этого слоя. Для описания взаимодействия потоков вводятся понятия поверхностно-наружного слоя 8 и поверхностно-внутреннего слоя 9, которые являются границами энергоактивного слоя 6. Во время соприкосновения вихревых потоков 1 и 2 в зоне 7 происходят сдвиговые деформации потоков, резкий перепад давления между областью зоны 7 и остальной частью потока, возникновение акустических вибраций, пульсаций и развитой кавитации, распространяющейся в радиальном и тангенциальном направлениях. Однако часть вихревого потока, находящаяся в околоосевом пространстве, обладает значительно меньшим запасом кинетической энергии и практически не участвует в энергообменном процессе, а значит, в меньшей степени подвержена интенсификации тепломассоэнергообмена. Чтобы повысить степень интенсификации, введены (см. фиг.2) цилиндрические вытеснители 10 по осям вихревых потоков 1 и 2. Таким образом, исключают из вихревого объема малоэффективное пространство и тем самым формируют энергоэффективный вихрекольцевой поток, полностью подверженный акустическому возбуждению. При этом следует заметить, что по мере прохождения вихревых потоков по длине трубы кинетическая энергия уменьшается и тем самым меняются частотно-амплитудные характеристики звукового возбуждения. Если вместо цилиндрического вытеснителя 10 установить осевихревые резонаторы 11 (см. фиг.3), то возникает дополнительное акустическое возбуждение от взаимодействия поверхностно-внутреннего слоя 9 вихрекольцевых потоков с вихревыми каналами 12 осевихревого резонатора 11. Разворачивая осевихревые резонаторы 11 относительно зоны 7 и тангенциальных вводов 5, можно добиться резонанса от двух источников возбуждения: от взаимодействия поверхностно-наружных слоев 8 в зоне 7 и от взаимодействия поверхностно-внутренних слоев 9 с вихревыми формированиями в вихревых каналах 12 осевихревого резонатора 11. Затем эти вихревые потоки объединяют в акустической камере, дополнительно возбуждая их в ней при других частотно-амплитудных характеристиках, и выводят обработанный продукт на использование.

Для реализации описанного способа интенсификации тепломассоэнергообмена в качестве частного случая исполнения предлагается конструкция устройства, изображенная на фиг.4. Устройство состоит из входного патрубка 13, корпуса 14, в котором расположены две вихревые трубы 3 и 4 с верхней сопловой крышкой 15, входные продуктовые коллекторы 16, тангенциальные вводы 5, акустическая камера 17. На фиг.5 показано устройство с цилиндрическими вытеснителями 10, сечение на уровне тангенциальных вводов. На фиг.6 показано устройство с осевихревыми резонаторами 11, сечение на уровне тангенциальных вводов. На фиг.7 (в разрезе) показано устройство с осевихревыми резонаторами 11, с плоским выходным торцом 18 вихревых труб 3 и 4, варианты с фигурными торцами 19, 20 и с перегородкой 21. На фиг.8 показан наиболее предпочтительный вариант реализации устройства, воплощенного в экспериментальном макете, в котором вокруг центральной вихревой трубы 3 расположены четыре трубы 4, сообщенные между собой и с установленными цилиндрическими вытеснителями 10 и осевихревым резонатором 11. На фиг.9 показан вариант расположения труб в линию. На фиг.10 показан вариант исполнения устройства с вихревыми трубами ступенчатой конфигурации и с дополнительными тангенциальными вводами, расположенными по длине труб. При этом одна труба 22 выполнена ступенчато-сужающейся, а вторая 23 - ступенчато-расширяющейся. На фиг.11 показан вариант исполнения устройства, в котором вихревые трубы 3 и 4 выполнены секционными, соединенными по осевым через разделяющие их кольцевые перегородки 24. В части конструктивной реализации устройство может быть выполнено в любой комбинации указанных вариантов исполнения и других дополнительных сочетаний.

Для описания работы устройства рассмотрим в качестве примера его конструктивное исполнение, приведенное на фиг.6 и фиг.7. Продукт подается под давлением через входной патрубок 13 в приемную камеру корпуса 14 и через проемы или отверстия (они не показаны на чертеже) сопловой крышки 15 далее поступает в коллекторы 16, откуда через тангенциальные вводы 5, в виде плоских (или круглых) струй, с большой скоростью входит по касательной в вихревые трубы 3 и 4. В этих трубах с помощью осевихревого резонатора 11 формируется энергоактивный вихрекольцевой поток, который по спиральной траектории устремляется вдоль по трубе на выход в акустическую камеру 17. Во время прохождения элементной части вихревого потока, сформированной сопловым истечением по спиральной траектории, он многократно взаимодействует в зоне 7 с аналогичным встречно-направленным потоком, производя акустическое возбуждение по всей длине зоны 7. Одновременно с этим, своей поверхностно-внутренней частью вихрекольцевой поток взаимодействует с вихревыми каналами 12 осевихревого резонатора 11, создавая дополнительные пульсации и развитую кавитацию. В результате этих взаимодействий возникает резонансное возбуждение обоих вихрекольцевых потоков. На выходе из вихревых труб оба потока, вращаясь в одинаковом направлении, но соприкасаясь друг с другом встречно-направленными слоями, входят в акустическую камеру 17, разрушаются под действием остаточной кинематической энергии, создавая при этом низкочастотный режим турбулизации объединенного выходного потока. Установленная перегородка 21, разделяющая акустическую камеру на две части, играя роль порогового устройства, формирующего эффективные режимы разрушения вихревых потоков и истечения. Поэтому определяющим фактором в этом процессе являются: количество отверстий в этой перегородке 21, их расположение и расстояние между ней и торцевой плоскостью 18. Перегородка 21 может вплотную соприкасаться с торцевой плоскостью 18, и тогда, в зависимости от расположения отверстий в ней (в центре, или по окружности, или по другой схеме), формируется другой режим эффективного разрушения вихревых потоков. Кроме того, форма и динамика эффективного разрушения вихревых потоков, в зависимости от реологических свойств продукта (вязкости, плотности и т.д.), может быть сформирована изменением поверхности торцевой плоскости 18 в виде любой поверхности 19 или 20, отличной от торцевой плоскости 15. Эффективность интенсификации тепломассоэнергообмена зависит также от взаимного расположения вихревых труб. На фиг.8 показано наиболее предпочтительное расположение вихревых труб, реализованное в экспериментальном макете, в котором имеется четыре зоны пересечения 7 вихревых труб, наиболее оптимальное расположение тангенциальных вводов 5 и входных продуктовых коллекторов 16. На фиг.8 видно, что, подавая раздельно в четыре продуктовых коллектора 16 разные продукты, можно наиболее эффективным способом осуществлять их нормированное смешение, т.е. образование нового продукта с одновременным широкодиапазонным озвучиванием самого процесса превращения. Как вариант может быть востребовано расположение вихревых камер в линию, как показано на фиг.9. Как вариант, в зависимости от реологических свойств продукта, устройство может быть осуществлено в виде вихревых труб со ступенчатыми контурами вихревых каналов (см. фиг.10), с раздельными тангенциальными вводами продукта или энергоносителя. В виде пара, воздуха или любого газа с раздельными энергетическими характеристиками. В этом случае взаимодействие вихревых потоков с отличающейся энергетикой дополнительно интенсифицирует их возбуждение для получения требуемого эффекта. На фиг.11 показан вариант исполнения устройства, в котором вихревые трубы выполнены секционными, соединенными в своем продолжении по их осевым через разделяющие их кольцевые перегородки или без них, при этом каждая секция может содержать тангенциальные вводы для продукта или энергоносителя.

В литературе до настоящего времени автором не обнаружено описания способа возбуждения вихревых потоков путем частичного соприкосновения встречно-направленных поверхностно-наружных слоев. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решению соответствует первому признаку изобретения - новизна. Предварительные исследования, проведенные автором в поисках аналогов и прототипа, позволяют сделать заключение, что известные способы интенсификации и устройства их осуществляющие не в полной мере соответствуют понятию эффективности тепломассоэнергообмена, т.к. по своей сути осуществляются путем усовершенствования традиционных приемов. Поэтому заявляемое техническое решение не вытекает явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует второму признаку изобретения - изобретательский уровень. Наконец, узлы и детали описанного устройства могут быть изготовлены на обычном универсальном оборудовании. Изготовленные автором макеты показали хорошие результаты при приготовлении с их помощью водо-топливных эмульсий: мазут 70% - вода 30%; дизельное топливо 60% - вода 40%. При этом наблюдалось эффективное сгорание, минимальная задымленность продуктов и высокая стойкость эмульсий. Поэтому заявляемое техническое решение соответствует третьему признаку изобретения - промышленная применимость.

Таким образом, применение заявляемых способа интенсификации и устройства для его осуществления позволяет интенсифицировать тепломассоэнергообмен при меньших энергетических и трудовых затратах.

1. Способ тепломассоэнергообмена путем акустического резонансного возбуждения вихревых потоков продуктов, отличающийся тем, что возбуждение осуществляют с помощью сообщенных между собой вихревых труб путем частичного соприкосновения встречнонаправленных поверхностно-наружных слоев двух и более вихревых потоков на глубину, обеспечивающую их акустическое возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения вихревых труб, затем объединяют возбужденные потоки в общей акустической камере и выводят обработанный звуком поток на использование.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в вихревых трубах создают дополнительное акустическое возбуждение с помощью дополнительных резонансных вихревых каналов, размещенных в вихревых трубах.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в вихревых трубах создают дополнительное акустическое возбуждение с помощью дополнительных тангенциальных вводов продукта или реагента по длине трубы.

4. Устройство тепломассоэнергообмена, состоящее из вихревых труб, отличающееся тем, что две и более вихревые трубы сообщены между собой с помощью частичного пересечения их по образующим, а затем объединены общей акустической камерой.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выходной торец вихревых труб выполнен пространственно-плоским.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в акустической камере между выходным торцом вихревых труб и выходным каналом установлена перегородка с одним и более отверстиями.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что по осям вихревых труб установлены цилиндрические вытеснители.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что по осям вихревых труб установлены осевихревые резонаторы, выполненные в виде цилиндра, содержащего вихревые каналы, сообщенные с вихревыми трубами по образующим цилиндрам и обращенные своей открытой частью к внутренней части поверхностно-наружного слоя.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что из общего числа тангенциальных вводов два противонаправленно расположены в зоне пересечения вихревых труб и смещены по разные стороны относительно хордовой плоскости пересечения вихревых труб.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вихревые трубы с тангенциальными вводами выполнены секционными, соединенными в своем продолжении между собой по их осям через разделяющие их перегородки, при этом каждая секция содержит раздельные тангенциальные вводы для продукта, или реагента, или энергоносителя.