Способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления

Изобретение относится к акустическим способам тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий. Способ осуществляется методом акустического резонансного возбуждения 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, обеспечивающую возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения вихревых труб. С помощью вихревых труб формируют радиально-вихревые потоки, обращенные своим выходом к центру, создают кольцевое поле акустического возбуждения в кольцевом пространстве частичных пересечений вихревых труб по образующим, концентрируют энергию акустического возбуждения в центре акустической камеры и выводят обработанный звуком поток на использование. Устройство содержит также напорную продуктовую камеру. Вихревые трубы выполнены цилиндроконическими, расположены радиально и своими выходными коническими полостями обращены к акустической камере. Частичное пересечение между собой по образующим выполнено в конической части вихревых труб. Техническим результатом является повышение мощности акустического воздействия на продукт, усиление устойчивости резонансного возбуждения в более широком диапазоне частот, увеличение объема и плотности кавитационного пространства. 2 н. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к акустическим (например, ультразвуковым) способам тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий в механофизико-химических процессах превращения, кроме этого, таким способом воздействуют на воду с целью нагрева ее как теплоносителя.

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 струйно-вихревых аппаратах (инжекторах, вихревых трубах), в которых происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую с последующим тепломассоэнергообменом взаимодействующих сред. В результате такого взаимодействия возникает резонанс и кавитационный эффект в результате чего рвутся связи между молекулами и атомами, при восстановлении которых выделяется энергия в виде тепла. На этой основе работают теплогенераторы.

Известен способ резонансного возбуждения жидкости и устройство для нагревания жидкости [патент РФ 2232630, 7 B01J 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.

Наиболее близким по технической сущности является способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления [патент РФ 2268772, 7 B01J 19/10, 7 B01F 11/02, опубликован 27.01.2006], при котором возбуждение осуществляется 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 деформационного взаимодействия, происходящего в зоне пересечения вихревых труб. Устройство для осуществления этого способа выполнено в виде двух и более вихревых труб, сообщенных между собой с помощью частичного пересечения их по образующим.

Однако этот способ и устройство имеют ряд недостатков. Во-первых, при движении вихрей по трубам уменьшается центробежная сила из-за взаимодействия вихрей, в результате чего уменьшается плотность и объем кавитационного пространства. Во-вторых, уменьшается кинетическая энергия и, как результат, уменьшается диапазон частот акустического резонанса. Кроме этого, разрушение вихревых потоков в акустической камере идет длительное время, то есть энергия акустического возбуждения при разрушении потоков расходуется неэффективно, с точки зрения деструктивного преобразования агрегатного состояния продукта. Таким образом, происходит уменьшение мощности акустического воздействия на продукт.

Технический результат, на который направлено предлагаемое изобретение, является усовершенствование способа и устройства тепломассоэнергообмена по патенту РФ 2268772, а именно:

- повышение мощности акустического воздействия на продукт;

- усиление устойчивости резонансного возбуждения в более широком диапазоне частот;

- увеличение объема и плотности кавитационного пространства.

Технический результат достигается тем, что с помощью сообщенных между собой вихревых труб путем частичного соприкосновения встречно направленных поверхностно наружных слоев двух и более вихревых потоков на глубину, обеспечивающую возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения вихревых труб, формируют радиально вихревые потоки, обращенные своим выходом к центру, создают кольцевое поле акустического возбуждения в кольцевом пространстве частичных пересечений вихревых труб по образующим, концентрируют энергию акустического возбуждения в центре акустической камеры и выводят обработанный звуком поток на использование.

Для осуществления настоящего способа предлагается устройство, содержащее напорную продуктовую камеру, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения их по образующим и объединенные на выходе акустической камерой, при этом вихревые трубы выполнены цилиндроконическими, расположены радиально и своими выходными коническими полостями обращены к акустической камере, при этом частичное пересечение между собой по образующим выполнено в конической части вихревых труб.

Внутренняя поверхность акустической камеры может быть выполнена сферической, цилиндрической, параболоидной или эллипсоидной.

Вариантом этого устройства является решение, в котором цилиндроконические вихревые трубы, расположены радиально-раздельно и дополнительно введены цилиндрические вихревые трубы, расположенные между цилиндроконическими вихревыми трубами, а сообщение между ними осуществлено путем частичного пересечения цилиндрических вихревых труб по образующим с коническими полостями цилиндроконических вихревых труб.

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

фиг.1 - условное изображение устройства в сборе;

фиг.2 - условное изображение устройства по сечению А-А (расположение цилиндроконических вихревых труб);

фиг.3 - условное изображение частичных пересечений конусов цилиндроконических вихревых труб;

фиг.4 - условное изображение устройства, вариант комбинированного расположения цилиндроконических и цилиндрических вихревых труб;

фиг.5 - условное изображение развертки выходных отверстий вихревых труб, вид из центра акустической камеры.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 условно изображена конструкция устройства, состоящая из входного патрубка 1 и корпуса 2, которые образуют напорную продуктовую камеру. В корпусе помещен вихревой блок 3, в котором радиально размещены цилиндроконические вихревые трубы 4, содержащие тангенциальные вводы 5. В вихревом блоке 3 по осевой помещена акустическая камере 6. Цилиндроконические вихревые трубы 4 обращены своими коническими выходами к центру акустической камеры 6 и сообщены своими коническими поверхностями между собой путем частичного пересечения по образующим 7, так как показано на фиг.3. Конструкция устройства, представленная на фиг.1, фиг.2, фиг.3, может иметь другие варианты. Как показано на фиг.4, цилиндроконические вихревые трубы выполнены раздельно, то есть не сообщены частичными пересечениями между собой, а между ними расположены цилиндрические вихревые трубы 8, которые сообщены с конусными частями цилиндро-конических труб 4 путем частичного пересечения по образующим.

Для описания работы устройства рассмотрим в качестве примера конструктивное исполнение, приведенное на фиг.1, фиг.2. Продукт подается под давлением через патрубок 1 в полость корпуса 2, в котором установлен вихревой блок 3, сообщенный с выходным каналом. С помощью тангенциальных пазов 5 в цилиндрических частях цилиндроконических вихревых труб 4 формируются однонаправленные вихри и, двигаясь по спиралеобразной траектории, переходят в конические части цилиндроконических вихревых труб, которые сообщены между собой путем частичных пересечений по образующим 7, как показано на фиг.3. В результате в кольцевом пространстве, образованном частичным пересечением конических частей цилиндроконических вихревых труб, образуется направленное к центру акустическое возбуждение, которое концентрируется в центре акустической камеры 6, являющейся по существу концентратором возбуждения. В цилиндрической части цилиндроконической вихревой трубы происходит формирование устойчивого вихревого потока, который переходит на коническую часть цилиндроконической вихревой трубы. Тангенциальная скорость, согласно закону сохранения углового момента, увеличивается с уменьшением радиуса вращения, при этом произведение тангенциальной скорости на радиус вращения имеет тенденцию сохранять постоянное значение. Поэтому в конической части цилиндроконической вихревой трубы величина центробежной скорости значительно возрастает, что приводит к более интенсивному взаимодействию частично соприкасаемых противонаправленных наружных слоев вихрей в зоне частичного пересечения конических частей цилиндроконических вихревых труб. Зона частичного пересечения вихревых труб является зоной акустического возбуждения, как показано на фиг.5. Поскольку образующие 7 конусных поверхностей находятся под углом к вершине конуса, то ширина пересечений имеет переменную величину (фиг.3), которая дает возможность возникновения более широкого диапазона частотно-амплитудных характеристик озвучивания. Кроме этого, входящие в акустическую камеру из вихревых труб потоки направлены в одну сторону относительно друг друга и соприкасаются противонаправленными наружными слоями, но вместе с тем их вращения на выходе диаметрально противоположны выходам других труб. В центре акустической камеры 6 происходит мгновенный переход кинетической энергии в потенциальную, который сопровождается выделением тепла, деструктивным преобразованием дисперсно-агрегатного состояния продукта и акустической активизацией молекулярных связей. С целью дополнительной концентрации энергии в акустической камере ее внутренняя поверхность может быть цилиндрической, сферической, эллипсоидной или параболоидной.

Аналогичным образом работает устройство, представленное на фиг.4. В отличие от работы устройства по фиг.2, в этом случае происходит частичное пересечение вихревых потоков, формируемых цилиндрическими 8 и цилиндроконическими 4 вихревыми трубами. Узлы и детали описанного устройства могут быть изготовлены на обычном универсальном оборудовании, что соответствует промышленной применимости изобретения.

Таким образом, применение заявляемых способа тепломассоэнергообмена и устройства для его осуществления позволяет сконцентрировать мощность акустического воздействия на продукт в ограниченном объеме, усилить устойчивость резонансного возбуждения в более широком диапазоне частот, увеличить объем и плотность кавитационного пространства.

1. Способ тепломассоэнергообмена методом акустического резонансного возбуждения 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, обеспечивающую возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения вихревых труб, отличающийся тем, что с помощью вихревых труб формируют радиально вихревые потоки, обращенные своим выходом к центру, создают кольцевое поле акустического возбуждения в кольцевом пространстве частичных пересечений вихревых труб по образующим, концентрируют энергию акустического возбуждения в центре акустической камеры и выводят обработанный звуком поток на использование.

2. Устройство тепломассоэнергообмена, содержащее напорную продуктовую камеру, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения их по образующим и объединенные на выходе акустической камерой, отличающееся тем, что вихревые трубы выполнены цилиндро-коническими, расположены радиально и своими выходными коническими полостями обращены к акустической камере, при этом частичное пересечение между собой по образующим выполнено в конической части вихревых труб.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренняя поверхность акустической камеры выполнена сферической, цилиндрической, параболоидной или эллипсоидной.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что цилиндро-конические вихревые трубы расположены радиально-раздельно и дополнительно введены цилиндрические вихревые трубы, расположенные между цилиндро-коническими вихревыми трубами, а сообщение между ними осуществлено путем частичного пересечения цилиндрических вихревых труб по образующим с коническими полостями цилиндро-конических вихревых труб.