Способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления

Изобретение относится к акустическим (например, ультразвуковым) способам тепломассоэнергообмена жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий. Предлагается способ и устройство тепломассоэнергообмена, при которых производят акустическое резонансное возбуждение вихревых продуктовых потоков с помощью сообщенных между собой вихревых труб. При этом основная вихревая труба сообщена с одной из двух напорных продуктовых камер, снабжена установочно-подвижным относительно своей оси резонатором, расположенным внутри основной вихревой трубы и содержащим одну и более вихревых труб, расположенных по окружности. Возбужденные потоки, объединенные в общей акустической камере, концентрируют энергию акустического возбуждения в центре и выводят обработанные звуком продукты на использование. Изобретение позволяет регулировать мощность акустического воздействия на продукт в нужном диапазоне частотно-амплитудных характеристик, увеличить объем и плотность кавитационного пространства. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

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

Известны способы тепломассоэнергообмена при акустическом возбуждении 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 тепломассоэнергообмена при акустическом возбуждении 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.

Известны способ резонансного возбуждения жидкости и устройство для нагревания жидкости [патент РФ 2232630, 7B01J 19/10, опубликован 20.07.04], которые основаны на обработке жидкости источником механических колебаний на частоте из ряда основных частот, подчиняющихся 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, радиусом периферийной стенки и резонансной частотой. К недостаткам этого способа следует отнести сложность технической реализации этого способа, избирательность возбуждения, многофакторную зависимость резонансного возбуждения от геометрических, частотных параметров и ограниченную возможность использования этого способа для проведения других тепломассоэнергообменных процессов.

Наиболее близкими по технической сущности являются способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления [патент РФ 2268772, 7B01J 19/10, 7B01F 11/02, опубликован 27.01.2006], при которых 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, встречно-направленные поверхностно-наружные слои двух и более вихревых потоков на глубину деформационно-сдвигового взаимодействия создают противоположно направленные центробежные силы, которые деформируют вихреобразование, в результате чего уменьшают время взаимодействия вихрей и эффективную полосу спектра амплитудно-частотных характеристик акустического возбуждения. Это приводит к тому, что в конце вихревых труб на выходе потоков резко падает интенсивность возбуждения. Во-вторых, регулирование акустического возбуждения при неизменных диаметрах вихревых труб и сечений тангенциальных сопел возможно только изменением напорно-расходных значений потока на входе в напорную камеру, а это приводит к резким изменениям гидродинамических режимов возбуждения, т.е. уменьшению диапазона регулирования интенсивности эффективного возбуждения и падению производительности.

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

- создание условий для обеспечения управляемого акустического возбуждения одно- или двухкомпонентных продуктов типа жидкость-жидкость, жидкость-газ, газ-газ;

- регулирование мощности, длительности и частотно-амплитудных характеристик акустического возбуждения.

Технический результат достигается тем, что в способе тепломассоэнергообмена, который осуществляется путем частичного соприкосновения встречно-направленных поверхностно-наружных слоев двух и более вихревых продуктовых потоков на глубину, обеспечивающую возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения сообщенных между собой вихревых труб, в основной вихревой трубе, содержащей резонатор, формируют основной вихрекольцевой поток продукта с нормированным напорно-расходным гидродинамическим режимом вихреформирования, а в вихревых трубах, размещенных в резонаторе, формируют одинаково или встречно-направленные относительно основного вихрекольцевого потока резонансные вихревые потоки с отличающимися от основного вихрекольцевого потока напорно-расходными гидродинамическими режимами вихреформирования, возбуждают акустические колебания путем частичного соприкосновения внутренней кольцевой поверхности основного вихрекольцевого потока с наружными поверхностно-активными слоями резонансно-вихревых потоков резонатора в зонах пересечения полостей вихревых труб с кольцевым пространством основного вихревого потока и выводят продукт на использование.

Для осуществления настоящего способа предлагается устройство тепломассоэнергообмена, содержащее первую и вторую напорные продуктовые камеры, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения их по образующим и объединенные на выходе акустической камерой, при этом основная вихревая труба сообщена с одной из двух напорных продуктовых камер, снабжена установочно-подвижным относительно своей оси резонатором, расположенным внутри основной вихревой трубы и содержащим одну и более вихревых труб, расположенных по окружности параллельно осевой основной вихревой трубы и сообщенных с ее кольцевой полостью отверстиями, образованными пересечением по образующим внутренних поверхностей вихревых труб с наружной поверхностью резонатора, при этом вихревые трубы своими тангенциальными соплами на входе раздельно сообщены со второй напорной продуктовой камерой.

Резонатор в предлагаемом устройстве может содержать в комбинациях, сочетающих различные диаметры, вихревые трубы с одинаково и (или) встречно-направленным взаимодействием резонансных вихревых потоков.

На выходном торце резонатора выходные части вихревых труб могут быть ограничены пластиной, образующей зазор между торцом резонатора и пластиной.

Первая и вторая напорные продуктовые камеры на своих входных патрубках могут быть снабжены регулирующими вентилями.

Резонатор, как вариант, может быть выполнен в виде осевого цилиндра, расположенного внутри основной вихревой трубы. В отличие от решения по патенту РФ №2268772, где вихревые трубы расположены по окружности вне центральной трубы, по предлагаемому решению размещены внутри ее, образуя их частичное пересечение по образующим с кольцевым пространством центральной вихревой трубы.

В результате такого расположения центробежные силы основного вихревого потока и резонансных вихревых потоков направлены в одну сторону, а взаимодействие вихревых потоков может быть организовано как встречно-направленным, так и односторонне направленным. Опытным путем установлено, что акустическое возбуждение зависит от плотности, вязкости, температуры и лиофильности жидкостей, т.е. способности растворяться друг в друге или не растворяться. Эти свойства и определяют качество эмульсий или смесей - дисперсность, гомогенность, стойкость при хранении. Поэтому будет иметь место как встречно-направленное возбуждение, так и односторонне направленное. Сложение центробежных сил в этом случае будет способствовать более интенсивному возбуждению жидкостей и увеличению возбуждения по времени и по спектру эффективных амплитудно-частотных характеристик. Вместе с этим существенным является факт, что вращение вихревых потоков в основной трубе и резонансных трубах отличается еще и тем, что их окружные и линейные скорости, следовательно, и энергетические характеристики могут быть различны из-за разного давления на входе в продуктовые камеры, которые устанавливаются регулирующими вентилями. Это позволяет управлять энергетикой возбуждения в ручном или автоматическом режимах.

Особенности настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего описания примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей, на которых представлено:

Фиг.1 - условно изображено устройство тепломассоэнергообмена;

Фиг.2 - условно изображена схема встречно-направленного взаимодействия вихрей;

Фиг.3 - условно изображена схема односторонне направленного взаимодействия вихрей;

Фиг.4 - условно изображено устройство с сообщающимися отверстиями, образованными кольцевыми проточками;

Фиг.5 - условно изображено устройство с сообщающимися отверстиями, образованными спиралеобразной проточкой;

Фиг.6 - условно изображена схема комбинированного ввода вихрей в вихревые трубы резонатора в виде встречно-направленных вихрей и односторонне направленных;

Фиг.7 - схематично показано комбинированное сочетание вихревых труб разных диаметров.

На фиг.1 условно изображен вариант устройства для обработки акустическим возбуждением жидкого продукта, которое состоит из первой крышки 1 с первым входным патрубком 2, который соединен трубопроводом с подающей магистралью 3 через первый регулирующий вентиль 4, второй крышки 5 со вторым входным патрубком 6, который через второй регулирующий вентиль 7 трубопроводом соединен с подающей магистралью 3, основной вихревой трубы 8 и резонатора 9. Основная вихревая труба 8 со второй крышкой 5 образуют первую напорную продуктовую камеру 10, а второй входной патрубок 6 и резонатор 9 образуют вторую напорную продуктовую камеру 11. Основная вихревая труба 8 снабжена первыми тангенциальными соплами 12, сообщенными с первой напорной продуктовой камерой 10 и кольцевым пространством 13, образованным основной вихревой трубой 8 и резонатором 9. Резонатор 9 содержит вихревые трубы 14, сообщенные с кольцевым пространством 13, с одной стороны, и вторыми тангенциальными соплами 15 со второй напорной продуктовой камерой 11, с другой стороны. Вихревые трубы 14 резонатора 9 снабжены осевихревыми вытеснителями 16.

Как вариант резонатор 9 может иметь исполнение, как показано на фиг.4, где сообщающиеся отверстия 17 образованы путем пересечения кольцевых проточек с полостями вихревых труб.

Как вариант резонатор 9 может быть снабжен, как показано на фиг.5, сообщающимися отверстиями 17, образованными пересечением спиральной проточки с полостями вихревых труб резонатора.

На фиг.6 условно изображена схема, в которой выполнена комбинация встречно-направленных вихревых труб 14 и односторонне направленных вихревых труб 14 в резонаторе 9.

Как вариант резонатор 9 может иметь, как показано на фиг.7, комбинацию вихревых труб 14 разного диаметра. На выходном конце к резонатору 9 крепится отражающая пластина 18, которая образует щель 19 с выходным торцом резонатора 9 для гашения основного кольцевого вихря исходящими вихрями вихревых труб 14 резонатора 9. На выходе устройство снабжено акустической камерой 20.

Реализация предлагаемого способа осуществляется устройством, условно изображенным на фиг.1 и фиг.2. Продукт по подающей магистрали 3 делится на два потока и под давлением направляется в первую 10 и вторую 11 напорные продуктовые камеры. С помощью первого 4 и второго 7 регулирующих вентилей в первой 10 и второй 11 напорных продуктовых камерах устанавливаются эффективные расходно-напорные параметры по давлению и расходу. Продукт через первые тангенциальные пазы 12 подается в кольцевое пространство 13, а через вторые тангенциальные пазы 15 - в вихревые трубы 14 резонатора 9.

Таким образом, формируется вихрекольцевой поток в кольцевом пространстве 13, который взаимодействует со встречно-направленными резонансными вихревыми потоками, образованными в вихревых трубах 14. Так как открытые части вихревых труб 14 обращены наружу и сообщены с кольцевым пространством 13, то в этих местах происходит акустическое возбуждение потоков, которое распространяется по всему кольцевому потоку по спиралеобразной траектории. Возбуждение вихрей происходит не только за счет встречно-направленного взаимодействия, как показано на фиг.2, но и за счет разницы скоростей внутреннего поверхностного вихрекольцевого слоя в случае односторонне направленного взаимодействия вихрей, как показано на фиг.3.

Акустическое возбуждение может быть осуществлено не только полностью открытыми по образующим сообщающимися отверстиями 17, но и частично открытыми, образованными кольцевыми проточками на наружной поверхности резонатора 9 (фиг.4), или частично открытыми сообщающимися отверстиями 17, образованными аналогичным пересечением по спиральной траектории (фиг.5). В зависимости от реологических свойств продуктов может быть использован вариант возбуждения (фиг.6) с комбинацией встречно-направленных и односторонне направленных вихрей совместно с вариантом возбуждения (фиг.7) вихревыми потоками в вихревых трубах разных диаметров. Резонансные вихревые потоки резонатора на выходе в своем спиралеобразном движении стопорятся отражающей пластиной 18 и через кольцевой зазор 19 воздействуют на основной кольцевой поток, создавая на выходе в акустической камере 20 дополнительное возбуждение.

Во всех описанных случаях акустического возбуждения неизменным является одностороннее направление центробежных сил основного кольцевого потока и резонансных вихрей. Это обстоятельство делает более длительным озвучивание продукта. А регулируя давление регулирующими вентилями 4 и 7 в напорных продуктовых камерах 10 и 11, можно расширить диапазон регулирования кавитационного процесса и акустического возбуждения взаимодействующих вихревых потоков за счет разницы энергий основного кольцевого потока и резонансных вихрей.

Источником возбуждения являются сдвиговые деформации соприкасающихся поверхностно-активных слоев вихревых потоков, поэтому использование вариантов исполнения, изображенных на фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7, зависит от реологических свойств продуктов.

Узлы и детали описанного устройства могут быть изготовлены на обычном оборудовании, что соответствует промышленной применимости изобретения.

Таким образом, применение способа тепломассоэнергообмена и устройства для его осуществления позволяет регулировать мощность акустического воздействия на продукт в нужном диапазоне частотно-амплитудных характеристик, увеличить объем и плотность кавитационного пространства.

1. Способ тепломассоэнергообмена путем частичного соприкосновения встречно направленных поверхностно наружных слоев двух и более вихревых продуктовых потоков на глубину, обеспечивающую возбуждение за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, происходящего в зоне пересечения сообщенных между собой вихревых труб, отличающийся тем, что в основной вихревой трубе, содержащей резонатор, формируют основной вихрекольцевой поток продукта с нормированным напорно-расходным гидродинамическим режимом вихреформирования, а в вихревых трубах, размещенных в резонаторе, формируют одинаково или встречно направленные относительно основного вихрекольцевого потока резонансные вихревые потоки с отличающимися от основного вихрекольцевого потока напорно-расходными гидродинамическими режимами вихреформирования, возбуждают акустические колебания путем частичного соприкосновения внутренней кольцевой поверхности основного вихрекольцевого потока с наружными поверхностно активными слоями резонансно-вихревых потоков резонатора в зонах пересечения полостей вихревых труб с кольцевым пространством основного вихревого потока и выводят продукт на использование.

2. Устройство тепломассоэнергообмена, содержащее первую и вторую напорные продуктовые камеры, вихревые трубы, сообщенные между собой с помощью частичного пересечения их по образующим и объединенные на выходе акустической камерой, отличающееся тем, что основная вихревая труба сообщена с одной из двух напорных продуктовых камер, снабжена установочно-подвижным относительно своей оси резонатором, расположенным внутри основной вихревой трубы и содержащим одну и более вихревых труб, расположенных по окружности, параллельно осевой основной вихревой трубы и сообщенных с ее кольцевой полостью отверстиями, образованными пересечением по образующим внутренних поверхностей вихревых труб с наружной поверхностью резонатора, при этом вихревые трубы своими тангенциальными соплами на входе раздельно сообщены со второй напорной продуктовой камерой.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что резонатор содержит в комбинациях, сочетающих различные диаметры, вихревые трубы с одинаково и (или) встречно направленным взаимодействием резонансных вихревых потоков.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что на выходном торце резонатора выходные части вихревых труб ограничены пластиной, образующей зазор между торцом резонатора и пластиной.

5. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что первая и вторая напорные продуктовые камеры на своих входных патрубках снабжены регулирующими вентилями.