Кавитационный реактор
Изобретение относится к аппаратам для воздействия на жидкости энергией акустического поля кавитации, порождаемой упругими гармоническими колебаниями жидкости ультразвуковой частоты, с целью создания в них термодинамически неравновесных состояний. Изобретение может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине и энергетике. Реактор содержит источники гармонических колебаний в виде резонаторов одинаковой частоты, внутри которых колебания жидкости образуют упругие стоячие волны. Фазы резонаторов сдвинуты на опережение по мере их удаления от центра реактора. Использование изобретения позволяет увеличить максимальное значение плотности потенциальной энергии кавитации, не изменяя ни объем реактора, ни гидростатическое давление внутри него и без изменения объемной плотности акустической мощности гармонических волн. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к аппаратам для трансформации в жидкости энергии акустического поля кавитации, возникающей в пространстве распространяемых в жидкости упругих волн, с целью диспергирования, гомогенизации и дезинтеграции находящихся в ней твердых и жидких фаз. Такой механизм рассеяния энергии в жидкости является надтепловым и реализует в ней процессы, свойственные физике и химии высоких энергий, которые сопровождаются возникновением термодинамически неравновесных состояний. Это позволяет, например, аккумулировать в воде определенное количество энергии за счет изотермического разрушения ее внутренней структуры, образованной водородными связями отдельных молекул между собой и в последствии при релаксации этого неравновесного состояния либо при соединении воды с другими веществами высвобождать эту энергию в виде тепла гидратации.
Изобретение может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине и энергетике.
Известен кавитационный реактор для обработки жидких сред, представляющий собой заполненную обрабатываемой жидкостью камеру, внутреннее пространство которой ограничено поверхностями корпуса, излучателей упругих акустических волн и отражающих эти волны стенок. Колебания всех излучателей, сколько бы их ни было в реакторе, образуют единую акустическую волну, в зависимости от профиля и размеров фронта которой выбраны внутренние размеры корпуса реактора [Патент RU 2209112, 04.06.2002]. Распределение плотности потенциальной энергии кавитации в жидкости внутри реактора имеет глобальный максимум и локальные минимумы. Внутренние размеры корпуса выбираются из условия размещения поверхности его стенок в области минимума плотности потенциальной энергии, с целью предотвратить их эрозионное разрушение и загрязнение обрабатываемой жидкости продуктами эрозии. Зависящее от размеров реактора среднее значение плотности энергии в объеме камеры здесь нельзя увеличить изменением площади излучающей поверхности, так как это повлечет за собой смещение экстремумов плотности энергии и потребует изменения размеров корпуса. Увеличение же с этой целью статического давления внутри реактора приведет к потребности увеличения мощности излучателей. Поэтому достижение указанного ниже технического результата в таком реакторе невозможно.
Существуют устройства с несколькими излучателями и отражателями образуемых ими волн, в совокупности представляющими собой акустические резонаторы [Заявка РСТ/АТ88/00034, 19.05.1987, Заявка PCT/GB99/03857, 12.12.1998, Патент US 4618263, 21.10.86]. Требования к соотношениям фаз колебаний, образующих эти волны, в них отсутствуют. Поэтому управление ими в этих реакторах не осуществляется, что не позволяет добиться требуемого технического результата. Кроме того, в реакторе по патенту US 4618263, 21.10.86 плотность энергии кавитации нельзя увеличить и за счет увеличения статического давления в нем, так как он представляет собой открытую негерметичную емкость.
Известны кавитационные реакторы для воздействия энергией кавитации на поток жидкости, которые также содержат резонансные ячейки - резонаторы [Патент RU 2226428, 17.04.2003, Заявка PCT/RU 2004/000275, 25.02.2005]. Эти реакторы имеют устройства для диафрагмирования потока жидкости в сечении, где плотность потенциальной энергии кавитации, зависящая от акустической мощности резонаторов, имеет некий заданный уровень. Вид распределения плотности энергии в первом из этих реакторов определяется посредством распределения эрозионного коэффициента, во втором - непосредственно. В этих реакторах есть возможность увеличить абсолютное значение плотности потенциальной энергии в объеме реактора путем увеличения площади излучателей и/или гидростатического давления в рабочих камерах. Однако реализация этих возможностей не позволяет обеспечить технический результат изобретения, так как при этом потребуется увеличить мощность излучателей.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному является кавитационный реактор [Патент RU 2228217, 21.05.2003] для обработки жидких сред, представляющий собой заполненную обрабатываемой жидкостью герметичную камеру. Реактор может быть снабжен несколькими излучателями. Вместе со специально оборудованными стенками, отражающими порождаемые их колебаниями упругие волны в жидкости, и самой жидкостью они представляют собой акустические резонаторы, в которых устанавливается стоячая волна. Заданное распределение плотности потенциальной энергии в реакторе при заданном среднем ее значении устанавливается путем подбора величины дисперсии этого распределения относительно ее среднего значения за счет изменения мощности и площади излучателей и размеров камеры. То есть здесь увеличить значение плотности потенциальной энергии во внутреннем объеме реактора можно как изменением размеров резонаторов, изменяя площадь излучателей и отражающих стенок в пределах заданного диапазона дисперсии ее распределения по объему, так и повышением гидростатического давления в реакторе.
Этот реактор принят за прототип.
Прототип обладает недостатками, препятствующими достижению указанного ниже технического результата. Эти недостатки заключаются в следующем. Во-первых, оба возможных способа увеличения абсолютного значения плотности потенциальной энергии во внутреннем объеме реактора требуют соответствующего изменения мощности излучателей. Во-вторых, изменение фаз колебаний в отдельных резонаторах здесь нельзя осуществить, так как требуемое значение дисперсии устанавливается из условия действия внутри реактора одной волны или нескольких волн с одинаковыми фазами колебаний, что следует из математических выражений, посредством которых охарактеризован главный отличительный признак этого устройства.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что в пространстве упругих волн кавитация возникает в виде так называемых стационарных кавитационных областей, состоящих из отдельных кавитационных пузырьков и располагающихся в узлах колебаний. Каким бы ни было искажение профиля возмущения давления, распространяющегося от каждого из кавитационных пузырьков, связанное с изменением величины модуля и направления вектора скорости его пульсации, средняя за период гармонической волны скорость распространения этого возмущения в среднем по кавитационной области должна быть равна скорости звука в жидкости. В противном случае будет нарушен закон сохранения импульса давления. Поэтому можно считать, что возмущения давления от кавитационных пузырьков за период гармонической волны в среднем будут проходить в жидкости расстояние, равное длине этой волны в этой жидкости. Фазы этих возмущений давления от распределенных в пространстве кавитационных областей пузырьков в любой точке пространства не будут совпадать по той же причине - существовании константы скорости распространения упругих возмущений в жидкости. Этот факт приводит к известному явлению взаимного гашения возмущений давления вследствие их интерференции и не позволяет усиливать эти возмущения давления, распространяющиеся от отдельных пузырьков путем наложения друг на друга отдельных разрежений или сжатий в произвольной точке внутри кавитирующей жидкости без управления фазами пульсаций каждого отдельного пузырька. Ясно, что такое управление технически неосуществимо. Однако можно управлять фазами отдельных волн, содержащих в узлах колебаний кавитационные области, состоящие из конечного числа пузырьков. То есть можно осуществить фазовое управление интерференцией акустического поля кавитации, порождаемой совокупностью плоских упругих волн, распространяющихся параллельно и независимо друг от друга в одном общем объеме жидкости с целью сложения с одинаковыми знаками, то есть усиления возмущений давления кавитации.
Технический результат - увеличение максимального значения плотности потенциальной энергии кавитации путем ее перераспределения в объеме кавитационного реактора при неизменном объеме этого реактора, независимо от гидростатического давления внутри реактора и без соответствующего ему изменения объемной плотности акустической мощности порождающих кавитацию гармонических волн.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кавитационном реакторе для обработки жидких сред, содержащем источники гармонических колебаний в виде резонаторов одинаковой частоты, образующих упругие стоячие волны в жидкости, отличие состоит в том, что фазы резонаторов сдвинуты на опережение по мере удаления резонаторов от центра реактора.
Еще одно отличие состоит в том, что величина сдвига фазы каждого резонатора равна отношению расстояния от узлов колебаний резонатора до центра реактора к длине волны в жидкости.
При реализации этого отличия импульсы давления, генерируемые кавитационными областями, образованными каждой из упругих волн по мере приближения к центру реактора, в любой момент времени будут иметь одинаковый знак и максимально возможное абсолютное значение, что приведет к увеличению там плотности потенциальной энергии. Как известно, это значение будет пропорциональным квадрату, в данном случае, суммарного возмущения давления от всех кавитационных областей всех резонаторов. Следовательно, и интенсивность воздействия кавитации на поток жидкости будет также максимальной. Размеры реактора и площади стенок резонаторов при этом останутся неизменными, а увеличивать мощность излучателей не потребуется.
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 техническому результату отличительными признаками.
При анализе этих признаков не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к фазам колебаний отдельных резонаторов, входящих в состав кавитационного реактора в качестве устройств для образования в жидкости акустических волн, с целью увеличения плотности потенциальной энергии кавитации внутри него.
На фиг.1 показан разрез вдоль в диаметральной плоскости корпуса круглого в плане кавитационного реактора с тремя акустическими резонаторами, каждый из которых состоит из двух твердотельных волноводов. Узлы колебаний в жидкости, видимые на разрезе сбоку, показаны пунктирными линиями. Нулем обозначена точка, являющаяся центром реактора.
На фиг.2 показан разрез реактора изображенного на фиг.1 в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний. Вид на волноводы резонаторов на чертеже совпадает с проекциями на них узлов колебаний.
На фиг.3 показан разрез в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний, реактора аналогичного изображенному на фиг.1, но содержащего семь акустических резонаторов.
На фиг.4 показан разрез в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний, реактора аналогичного изображенному на фиг.1, но содержащему два резонатора. Один из них, расположенный на оси симметрии, аналогичен по форме и размерам резонатору 2 на фиг.1-2, а волноводы второго выполнены в виде труб, охватывающих с зазором волноводы первого и имеющих толщину стенок, равную их диаметрам.
На фиг.5 показан разрез вдоль в диаметральной плоскости корпуса прямоугольного в плане кавитационного реактора с четырьмя акустическими резонаторами, каждый из которых состоит из двух твердотельных волноводов.
На фиг.6 показан разрез реактора, изображенного на фиг.5, в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний.
Заявленный кавитационный реактор, например, изображенный на фиг.1 и 2, в котором реализованы отличительные признаки изобретения, содержит три акустических резонатора, каждый из которых состоит из пары твердотельных волноводов 1, 1'; 2, 2'; и 3, 3', расположенных напротив друг друга. Они приводятся в действие электроакустическими преобразователями (на чертеже не показаны) путем трансформации электрической энергии в механическую энергию колебаний и передачи этих колебаний посредством волноводов в жидкость. Расстояние между поверхностями волноводов в резонаторах равно, например, как показано на фиг.1, половине длины упругой волны в обрабатываемой жидкости. С преобразователем может быть соединен как один из волноводов, составляющих резонатор и называемый в этом случае активной стенкой, так и оба. В первом случае условие установления резонанса в жидкости между волноводами обеспечивается само собой, так как второй волновод - пассивная стенка, в который колебания передаются через резонансное же расстояние в жидкости, будет колебаться с частотой первого. Во втором случае резонанс должен быть обеспечен установлением равенства частот колебаний преобразователей. Это известно и может быть сделано путем получения питания ими от общего для них силового источника, управляемого общим задающим генератором частоты. Поскольку резонаторы 1-1' и 3-3' удалены от центра реактора на одинаковые расстояния, фазы колебаний в них, удовлетворяющие признаку изобретения, должны быть одинаковыми. Поэтому преобразователи, приводящие в действие волноводы 1, 1', 3 и 3', могут управляться одним задающим генератором частоты. Таким образом, резонаторами реактора управляют два генератора частоты: один - преобразователями, приводящими в действие волноводы 2 и 2', другой - 1, 1', 3 и 3'. Для осуществления признаков изобретения требуется также устройство, задающее фазу колебаний. Конструкция, схемотехника и функционирование таких устройств не требуют изобретательских решений и являются с точки зрения современного уровня техники тривиальными. Для этого могут быть использованы соответствующие устройства, описанные, например, в [US 4556467, 03.12.1985].
Волноводы в реакторе и узлы колебаний находящейся между ними жидкости имеют в плане форму кругов радиуса r, который составляет четверть длины волны в резонаторе. Волноводы соединены с корпусом реактора 4 посредством обеспечивающих герметичность корпуса эластичных уплотняющих прокладок 5. Это крепление выполнено известным образом в узлах собственных колебаний волноводов, то есть так, чтобы обеспечить возможность устанавливать посредством образуемых ими резонаторов акустические волны с разными, не зависящими друг от друга, фазами без рассеяния мощности колебаний корпусом. Обрабатываемая жидкость пропускается через реактор посредством патрубков 5 и 6. Точка 0 - центр реактора.
Параметры реактора, обеспечивающие реализацию признаков изобретения, рассчитываются следующим образом.
Пусть обрабатываемой жидкостью является вода, в которой звук распространяется со скоростью 1450 м/с, а частота колебаний преобразователей равна 20 кГц. Тогда длина волны этих колебаний в воде λ=1450 : 20=72,5 мм. Диаметр волноводов и узлов колебаний в жидкости составляет 0,5λ=36,3 мм, а зазор между волноводами в плане пусть будет равным 3,6 мм.
Среднее расстояние от произвольной точки пространства до всех точек круга, лежащего с ней в одной плоскости, как известно, равно
где: х - расстояние между этой точкой и центром круга радиуса г.
Используя этот двойной интеграл и тот факт, что расстояния между геометрическими центрами резонаторов 1-1', 3-3' и центром реактора равны и составляют 36,3+3,6=39,9 мм, можно вычислить расстояние от этого центра до узла колебаний, принадлежащего резонатору 2-2' и узлов, принадлежащих резонаторам 1-1' и 3-3'. Они составляют 12,1 мм и 41,0 мм соответственно. Таким образом, чтобы удовлетворять первому отличительному признаку изобретения, фазы колебаний резонаторов 1-1', 3-3' и 2-2' относительно начала отсчета фаз должны быть сдвинуты на опережение. А чтобы удовлетворять второму признаку, сдвиг должен составлять 41,0 : 72,5=0,566 и 12,1 : 72,5=0,167 периода волны. То есть фазы волны в резонаторах 1-1' и 3-3' в любой момент времени должны опережать фазу волны в резонаторе 2-2' на величину, составляющую 0,566-0,167=0,399 периода волны. Поскольку период волны равен 106:20000=50 мкс, то сдвиг фаз на опережение в периферийных резонаторах по отношению к центральному в абсолютных единицах составит 50·0,399=20 мкс.
Реактор, изображенный на фиг.1 и 2, работает следующим образом.
При приведении в действие электроакустических преобразователей внутри каждого резонатора в жидкости устанавливаются упругие стоячие полуволны, причем их фазы в периферийных резонаторах 1-1' и 3-3' опережают фазу в резонаторе 2-2', расположенном в центре. А это опережение составляет на 20 микросекунд. Поэтому возмущения давления, генерируемые кавитационными областями в реакторе, приходят в центр его внутреннего объема в одинаковой фазе, а по мере удаления от центра на периферию они складываются с минимальной разностью фаз. То есть явление интерференции здесь проявляется не во взаимном гашении акустических волн, порождаемых отдельными кавитационными областями, а в их взаимном усилении. Поэтому суммарное мгновенное значение давления в центре реактора в любой момент времени по абсолютной величине будет максимальным. Следовательно, и плотность потенциальной энергии, пропорциональная квадрату давления, также будет максимальной. Для этого не понадобится увеличивать площадь излучения волн, статическое давление в жидкости и соответственно мощность излучателей. Жидкость, находящаяся в реакторе, при этом будет подвергаться наиболее интенсивному воздействию кавитации. То есть технический результат будет достигнут.
Используя известную «закономерность распределения плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны» [научное открытие №288, 28.01.2005], можно сравнить между собой описанный выше пример конкретной реализации изобретения с прототипом, имеющим такую же конструкцию и размеры реактора, но не имеющим сдвига фаз колебаний резонаторов. В соответствии с этой закономерностью средняя по внутреннему объему реактора плотность потенциальной энергии кавитации, вычисленная для заявленного реактора, в 3,2 раза превышает ее в прототипе.
Реактор, соответствующий признакам изобретения, может иметь любое количество резонаторов и произвольное их размещение. В качестве примера на фиг.5, 6 показан прямоугольный в плане реактор с четырьмя резонаторами 1-1', 2-2', 3-3' и 4-4'.
Для практического подтверждения возможности осуществления заявленного изобретения и достижения с его помощью технического результата был поставлен натурный эксперимент. В качестве излучателей в резонаторах использовались излучатели аппаратов для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред типа «СИРИНКС» СИТБ.443146.002ТУ с электроакустическими магнитострикционными преобразователями частотой 22 кГц. Эксперимент был поставлен по методике исследования влияния интенсивности кавитационного воздействия на степень диссоциации электролитов с ионным типом связи, описанной в работе д.т.н. Рогова и д.т.н. Шестакова «Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов» и опубликованной в теоретическом журнале РАСХН «Хранение и переработка сельхозсырья» №10 за 2004 г.
Три полуволновых резонатора, состоящие из твердотельных волноводов лабораторных аппаратов «СИРИНКС» диаметром 38 мм и эластичных отражателей из вакуумной резины были размещены на одной прямой с расстоянием между осями волноводов 74 мм в открытой цилиндрической емкости (реактора), заполненной 1400 мл протекающей через нее жидкости. Сдвиг фаз магнитострикционных преобразователей периферийных резонаторов относительно центрального осуществлялся посредством линии задержки, выполненной на схемах регулируемых одновибраторов. При воспроизведении режима работы, соответствующего заявленному изобретению, сдвиг фаз на опережение между колебаниями в резонаторах составлял 43 мкс, при воспроизведении работы прототипа - 0 мкс. Подводимая к источникам питания преобразователей аппаратов «СИРИНКС» электрическая мощность в ходе эксперимента оставалась неизменной, статическое давление в реакторе, поскольку он представлял собой открытую емкость, также не менялось и было равно атмосферному. Температура окружающей среды была равна +20°С и поддерживалась с точностью ±1°С.
Через реактор в направлении, перпендикулярном оси, на которой были установлены резонаторы, со скоростью 500±10 мл/мин при помощи лабораторного насоса и регулируемого дросселя пропускался сантинормальный раствор натрия хлорида. Позади резонатора, расположенного в центре реактора, по направлению потока раствора электролита был установлен кондуктометрический датчик прибора «Анион 7051» (ИНФРАСПАК, Новосибирск). В установившемся режиме работы экспериментальной установки в каждом из вариантов фазового сдвига при пяти повторениях опыта были получены следующие среднестатистические показания прибора.
| ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР, ед. изм. | СДВИГ ФАЗ ВЫКЛЮЧЕН (ПРОТОТИП) | СДВИГ ФАЗ ВКЛЮЧЕН (ИЗОБРЕТЕНИЕ) |
| Электропроводность, мСм/см | 1,26±0,04 | 1,35±0,03 |
Из таблицы видно, что степень диссоциации натрия хлорида на ионы, определяющая проводимость раствора, во втором случае выше. Этот говорит о более интенсивном воздействии кавитации на раствор, что приводит к практически стопроцентной диссоциации NaCl.
Таким образом, вышеизложенные сведения, включая результаты натурного эксперимента, свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке и известных ранее средств и методов, а также о безусловном факте достижения при его осуществлении указанного выше технического результата.
1. Кавитационный реактор для обработки жидких сред, содержащий источники гармонических колебаний в виде резонаторов одинаковой частоты, образующих упругие стоячие волны в жидкости, отличающийся тем, что фазы резонаторов сдвинуты на опережение по мере удаления резонаторов от центра реактора.
2. Кавитационный реактор по п.1, отличающийся тем, что величина сдвига фазы каждого резонатора равна отношению расстояния от узлов колебаний резонатора до центра реактора к длине волны в жидкости.
