Торфяная емкость
Торфяная емкость по первому изобретению содержит стенку и дно. Стенка и дно выполнены с использованием торфа, связующего. Связующее выполнено в виде смеси воды и торфа, причем смесь воды и торфа, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·105 Па до 25·105 Па. Торфяная емкость по второму изобретению содержит стенку и дно. Стенка и дно выполнены с использованием торфа, связующего. Связующее выполнено в виде смеси воды, торфа, гидрофобного вещества, в частности, октадециламина. Смесь воды, торфа, гидрофобного вещества, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·105 Па до 25·105 Пa. При таком выполнении обоих изобретений повышается твердость емкости, что позволяет сохранить ее целостность при транспортировке, хранении и применении по назначению; повышается стойкость емкости к воздействию влаги, что позволяет увеличить время растворения стенки и дна емкости в земле и время полезного действия на растения. 2 н.п. ф-лы, 17 ил., 3 табл., 3 пр.
Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к области создания высокоэффективных органических удобрений в виде емкостей на основе торфа, в частности, в виде горшочков, стаканчиков, кассет и др.
Уровень техники.
Известны горшочки торфяные (http://www.tdlikom.ru/catalog_gl.html?itemid=2862), которые представляют собой емкости, стенки которых выполнены из торфо-древесной массы, различной конфигурации (круглые, квадратные), различных размеров, штучные или скрепленные в блоки по 6 и 12 штук. Горшочки торфяные изготавливаются в соответствии с ТУ 0392-046-02997983-2002 из верхового сфагнового фрезерного торфа с добавками к нему древесной массы, мела (для снижения кислотности торфа).
Данные торфяные горшочки обладают недостаточной механической прочностью и водостойкостью. Они являются аналогами для обоих заявленных изобретений.
Известна торфяная емкость, а именно торфяной горшочек, состоящий из фрезерного торфа по ГОСТ Р 51661, картона коробочного марки В или Г по ГОСТ 7933-75, мела природного по ГОСТ 17498-72 (http://volgogor.narod.ru/). Торфяная емкость содержит стенку и дно, которые выполнены с использованием торфа и связующего. Связующее - картон коробчатый.
Данная торфяная емкость обладает недостаточной механической прочностью и водостойкостью. Эта торфяная емкость является прототипом для обоих заявленных изобретений.
Признаки, общие для изобретений и прототипа, следующие: торфяная емкость, содержащая стенку и дно, которые выполнены с использованием торфа, связующего.
Раскрытие изобретения.
Задачей обоих изобретений является увеличение времени действия удобрения, находящегося в стенке и дне емкости на растения в почве.
У первого изобретения задача решается за счет того, что торфяная емкость, содержащая стенку и дно, которые выполнены с использованием торфа, связующего, и от прототипа отличается тем, что связующее выполнено в виде смеси воды и торфа, причем смесь воды и торфа, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·105 Па до 25·105 Па.
У второго изобретения задача решается за счет того, что торфяная емкость, содержащая стенку и дно, которые выполнены с использованием торфа, связующего, и от прототипа, отличается тем, что связующее выполнено в виде смеси воды, торфа, гидрофобного вещества, в частности октадециламина, причем смесь воды, торфа, гидрофобного вещества, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·105 Па до 25·105 Па.
Техническими результатами обоих изобретений являются:
существенное повышение твердости емкости, что позволяет сохранять ее целостность при транспортировке, хранении и применении по назначению;
существенное повышение стойкости емкости к воздействию влаги, что позволяет увеличить время растворения емкости (стенки и дна емкости) в земле и время полезного действия на растения.
Все технические результаты подтверждены экспериментально.
Перепад давления «Р» определяется по формуле:
Р=|Р1-Р2|,
где Р1 - давление на входе диспергатора;
Р2 - давление на выходе диспергатора.
В зависимости от конструкции диспергатора Р1 может быть больше Р2, и наоборот.
В качестве жидкости используют воду, в частности техническую воду, речную воду, различные водные растворы, водные смеси.
Для первого изобретения смесь жидкости и торфа (а для второго изобретения смесь жидкости, торфа и гидрофобного вещества) один раз или несколько раз пропускают через диспергатор. Для второго изобретения смесь жидкости, торфа и гидрофобного вещества один раз или несколько раз пропускают через диспергатор. Экспериментально подтверждено, что при перепаде давления на диспергаторе от 0.1·105 Па до 25·105 Па в диспергаторе проходит процесс кавитации.
Проходящая через диспергатор смесь подвергается кавитационной обработке - воздействию высокого давления в тысячи атмосфер и высокой, в несколько тысяч градусов, температуры. Кавитационная обработка смеси осуществляется в зоне или зонах кавитации диспергатора.
Такой диспергатор часто называют кавитатором.
В торфе содержится лигнин и в смеси жидкости с торфом также содержится лигнин. В диспергаторе при указанных перепадах давления в процессе кавитации происходит повышение концентрации лигносульфоновых кислот, пиролиз лигнина с образованием смол и полукоксов. Чем дольше смесь подвергают диспергации, тем больше получают из лигнина лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов.
Торф является углеродосодержащим материалом.
После диспергации (обработки смеси в диспергаторе) получают чрезвычайно эффективное связующее на основе лигносульфоновых кислот, смол и полукоксов, полученных из лигнина.
Эксперименты, которые провели авторы, показали, что с увеличением времени диспергационной обработки смеси в конечном итоге твердость и влагостойкость полученных в дальнейшем емкостей растет. А добавка гидрофобного вещества способствует существенному повышению водостойкости.
Так, при однократной обработке смеси (50% воды и 50% торфа, содержащего 50% влаги, то есть 75% воды и 25% сухого торфа по весу) в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных емкостей составляет величину 125-130 НВ. При десятикратной обработке смеси в диспергаторе твердость по шкале Бринелля полученных емкостей составляет величину 230-250 НВ.
Процентное отношение воды и торфа может быть различное, в зависимости от конструкции диспергатора и мощности привода диспергатора или насосной установки.
Торфяные емкости могут изготавливать в форме горшочков, стаканчиков, кассет и предметов другой формы.
Перечень фигур чертежей.
На фиг.1 представлен продольный разрез диспергатора с одним каналом для движения жидкости.
На фиг.2 представлен продольный разрез диспергатора, у которого один канал для движения жидкости разделяется на два канала, а затем эти два канала соединяются в один канал.
На фиг.3 представлен продольный разрез диспергатора с каналом для движения жидкости. Участок с уменьшающимся проходным сечением канала на своей поверхности, соприкасающейся с потоком жидкости, содержит область, содержащую чередующиеся по длине области выступы и углубления, причем область содержит один выступ, высота которого больше высот остальных выступов.
На фиг.4, 5 и 6 представлены различные формы выступов и углублений.
На фиг.7 представлен диспергатор, который применялся при изготовлении связующего.
На фиг.8 представлено прямоугольное сечение А-А канала диспергатора.
На фиг.9 представлено сечение Б-Б тела, которое разделяет канал на два канала.
На фиг.10 представлен продольный разрез торфяной емкости.
На фиг.11 представлено поперечное сечение В-В торфяной емкости.
На фиг.12-15 представлены различные формы поперечных сечений торфяной емкости.
На фиг.16 представлена схема установки для получения связующего.
На фиг.17 представлена фотография двух гранул на основе торфа с отверстиями. Из этих гранул изготовлены торфяные емкости для экспериментов путем перекрытия отверстия дном.
Осуществление изобретения.
В общем случае, заявленные торфяные емкости могут быть выполнены с использованием торфа, древесных опилок, древесной стружки, древесного угля, помета, мела, картона и связующего.
Далее приведем примеры получения торфяной емкости из торфа. Примеры описывают эксперименты, которые авторы провели при разработке изобретений.
Производство торфяной емкости проходит несколько стадий.
1 стадия. Предварительная подготовка торфа.
На стадии предварительной подготовки торфа производится его просеивание для исключения попадания в оборудование (технологическую линейку) частиц, размеры которых могут привести к засорению технологической линии. Размер частиц обусловлены используемым оборудованием. Так, на опытной технологической линии на торфоперерабатывающем предприятии максимальный диаметр частиц торфа, поступающего в диспергатор, не превышает 10 мм.
После этой стадии часть торфа поступает на оборудование по подготовке смеси для получения связующего, а остальная часть используется непосредственно для последующего получения торфяной емкости.
Если оборудование по производству емкостей допускает использование торфа с частицами больших размеров, чем допускает диспергатор, например, при производстве кускового торфа с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000 максимальный размер частиц торфа, поступающих на формование, не превышает 0,5 от диаметра формуемого куска, что соответствует 10 мм или 25 мм в зависимости от диаметра мундштуков на формовалике, то в этом случае торф, поступающий для производства связующего, либо проходит дополнительное просеивание, либо просеивание этого торфа выделяется в отдельную линию.
2 стадия. Подготовка смеси торфа с водой. Изготовление связующего.
2.1. Предварительное перемешивание воды с торфом в определенной пропорции для подачи этой смеси на диспергатор. Это может облегчить автоматизацию процесса и повысить эффективность работы диспергатора (кавитатора).
Предварительно подготовленная смесь в нужной пропорции подается в приемный бак на входе диспергатора (кавитатора), после чего посредством насоса смесь забирается из приемного бака, подается в диспергатор, а затем после диспергатора поступает обратно в приемный бак. Обработка смеси диспергатором (кавитатором), в зависимости от его конструкции и требований к качеству выходной смеси, происходит в один или несколько циклов. При многоцикличном режиме обработанная смесь после диспергатора поступает обратно в приемный бак несколько раз, например два, три, десять раз.
2.2. Возможна работа без предварительного перемешивания воды с торфом. Без предварительной подготовки в приемный бак диспергатора заливается вода. Торф засыпается в воду при работающем диспергаторе (кавитаторе).
2.3. Возможна предварительная подготовка смеси непосредственно в приемном баке (перемешивание с помощью лопатки), но это займет некоторое время, в течение которого диспергатор (кавитатор) работать не будет.
2.4. Для второго изобретения в смесь добавляют гидрофобное вещество.
3 стадия. Перемешивание торфа и подготовленной (обработанной в диспергаторе) смеси - связующего. Время перемешивания зависит от способа формовки торфяной емкости. Например, при формовке торфяной емкости низким давлением (например, с использованием валковых прессов), когда необходимо обеспечить, чтобы формуемая масса не прилепала к форме, время перемешивания может достигать 15 мин. При прессовании торфяной емкости с использованием шнековых или других прессов (например, с использованием агрегата стилочного кускового модели АСК-1М00.00.000), когда обеспечивается достаточно высокое (более 2·105 Па) давление на смесь, время перемешивания резко снижается.
4 стадия. Формирование торфяной емкости осуществляется с использованием формовочных машин различного конструктивного выполнения. С последующей сушкой готовой торфяной емкости.
Вышеописанный процесс изготовления торфяной емкости аналогичен процессу гранулирования или брикетирования торфа как топлива. Следует отметить, что при необходимости, торфяные емкости могут использоваться в качестве топлива.
Пример изготовления связующего.
Исходный материал:
10 кг измельченного торфа с влажностью 50% (5 кг - торфа и 5 кг воды);
8 кг воды.
Загрузка диспергатора исходным материалом:
Сначала в приемный бак 55 (см. фиг.16) заливается вода, включается насос 56 и посредством насоса вода прокачивается через диспергатор 57. Вода из приемного бака 55 проходит через диспергатор, а затем возвращается в приемный бак 55. Постепенно, примерно в течение 3 минут в приемный бак при работающем насосе и диспергаторе засыпается измельченный торф (это делается для того, что бы входной патрубок диспергатора не забился). Время обработки смеси после засыпки всего торфа составляет 2 минуты. После этого связующее для получения торфяных емкостей готово. При реализации второго изобретения в воду добавляют 1% (по весу) октадециламина.
Пример смешивания связующего с торфом.
Смеситель - бетономешалка.
На 32 кг торфа (с влажностью 50%) берется 5-8 кг связующего.
Перемешивание в течение 15 мин.
Количество возможных замесов - 3 замеса в час.
Пример прессования.
Далее полученная смесь торфа со связующим поступает в валковый пресс. Через пресс можно пропустить до 30 кг смеси в минуту. С учетом 70% выхода торфяных емкостей - 20 кг торфяных емкостей в минуту. Оставшиеся 30% смеси возвращаются в пресс. Малая производительность и малый выход обусловлены необходимостью регулировки подачи смеси на валки. Из-за липкости смеси происходит ее прилипание к стенкам приемного бака пресса (бак не приспособлен к смеси с такой вязкостью) и шнек подачи малоэффективен, так как рассчитан на менее липкую смесь. Приходится одному рабочему постоянно находится над приемным устройством пресса и регулировать подачу.
В процессе экспериментальных работ был проведен сравнительный анализ заявленных торфяных емкостей с аналогами на основе отходов древесного угля.
Гранулированное удобрение на основе отходов древесного угля, древесной муки, связующего - лигносульфоната, 80% водно- известково-глиняной смеси. Этот состав наиболее стоек к воздействию влаги по сравнению со всеми известными торфяными гранулами и емкостями. Его показатели твердости и стойкости к влаге являются максимально возможными для современных торфяных гранул и емкостей. Поэтому авторы решили сравнить характеристики заявленных емкостей именно с этим удобрением. Причем в экспериментах изготавливались экспериментальные образцы в форме гранул с отверстиями и толстостенной емкости (гранулы с отверстием и дном). Смотри фиг.10 и фото на фиг.17.
Результаты сравнения размещены в таблице 1 ниже. В таблице значения твердости и стойкости к воздействию влаги являются средними значениями по десяти измерениям. Всего было изготовлено 30 экспериментальных емкостей по первому изобретению, 20 экспериментальных емкостей по второму изобретению, а также 30 емкостей аналога.
| Таблица 1 | |||
| Сравнительный анализ торфяных емкостей с их аналогами | |||
| № | Состав торфяных емкостей | Твердость по Бринеллю, НВ | Стойкость к воздействию влаги, час* |
| 1 | Заявленная торфяная емкость. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (5 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенных емкостей 15%. | 150/ | 90 |
| 2 | Заявленная торфяная емкость. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (8 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенных емкостей 15%. | 180 | 140 |
| 3 | Заявленная торфяная емкость. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа и воды, полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенных емкостей 15%. | 210 | 165 |
| 4 | Заявленная торфяная емкость. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (1%), полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенных емкостей 15%. | 210 | 840 |
| 5 |
Заявленная торфяная емкость. Торф (32 кг при 50% влажности) и связующее (15 кг) на основе торфа, воды и октадециламина (10%), полученное после обработки** в диспергаторе. Влажность высушенных емкостей 15%. |
210 | Более 2000 |
| 6 | Емкость на основе отходов древесного угля и древесной муки (32 кг). Связующее -лигносульфонат, 20% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенных емкостей 15%. | 35 | 3 |
| 7 | Емкость на основе отходов древесного угля и древесной муки (32 кг). Связующее -лигносульфонат, 60% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенных емкостей 15%. | 55 | 5 |
| 8 | Емкость на основе отходов древесного угля и древесной муки (32 кг). Связующее - лигносульфонат, 80% водно- известково-глиняная смесь. Влажность высушенных емкостей 15%. | 75 | 7 |
| *) время полного разрушения емкостей, полностью помещенных в сосуд с водой. | |||
| **) пятикратная обработка смеси в диспергаторе. |
Сравнительный анализ авторами проводился во время проведения экспериментов с топливными элементами на основе торфа (см. патент РФ 2413755).
Удельный вес получаемых емкостей на основе торфа составляет величину от 0.4 до 1.5 т/м3.
Для существенного (как видно из таблицы 1) повышения стойкости емкостей к воздействию влаги в связующее может быть добавлен октадециламин или другое гидрофобное вещество. При использовании октадециламина (1%, 10% и более в связующем) время нахождения емкостей (без разрушения) в воде составляет - месяцы. Количество гидрофобного вещества, в частности октадециламина, в связующем может быть от 0.1 до 10%. Вышеприведенные данные подтверждены результатами экспериментов.
В книге Ганиев Р.Ф., Кормилицын В.И., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания. М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008 г., 116 стр. приведены конструктивные схемы диспергаторов. В книге на стр.35 приведены режимы работы диспергатора при смешивании воды с мазутом. Приведены данные по перепадам давления на диспергаторе от 2.21 до 12.85 атм, от 2.21·105 Па до 12.85·105 Па.
В последующем при создании смеси воды и торфа в экспериментах фиксировались режимы работы в более широком диапазоне перепадов давлений, а именно от 0.1·105 Па до 25·105 Па. Этот проверенный диапазон и вошел в данное изобретение.
При перепаде давления на диспергаторе 0.1·105 Па наблюдался (визуально) режим кавитации. Диспергатор для этих экспериментов был выполнен из органического стекла. Изменялось давление в заявленном диапазоне путем открытия или перекрытия заслонки на трубопроводе подачи смеси от насоса в диспергатор.
С целью повышения качества связующего целесообразно повышать перепад давления на диспергаторе от 0.1·105 Па и выше. Для малых установок целесообразно использовать малогабаритные диспергаторы (с расходом 1-7 т/час). При этом приемлем режим диспергации при перепаде давления от 0.1·105 Па до 2.5·105 Па. На крупных промышленных установках целесообразно использовать крупногабаритные диспергаторы (с расходом 25-50 т/час) и обеспечивать перепад давления от 2.0·105 Па до 25·105 Па.
В исследованиях при создании связующего использовались различные соотношения воды и торфа. В таблице 2 приведены некоторые примеры исходного состава компонентов связующего. Для подачи смеси в диспергатор использовался центробежный насос. Данные в таблице округлены до целых.
| Таблица 2 | |||
| Состав связующего | |||
| № | Вес торфа, кг | Влажность торфа, % | Вес воды, кг |
| 1 | 15 | 50 | 5 |
| 2 | 10 | 50 | 8 |
| 3 | 8 | 50 | 10 |
| 4 | 1 | 50 | 20 |
| 5 | 0.1 | 50 | 30 |
| 6 | 25 | 50 | 5 |
При использовании на крупных промышленных предприятиях крупногабаритных диспергаторов подачу в них смеси торфа и воды целесообразно осуществлять мощными плунжерными насосами. При этом общее содержание воды в исходной смеси может быть уменьшено до минимума, практически до значения влажности используемого торфа.
По нашим данным смесь №6 в таблице 2 - это предельная смесь, которая может прогоняться центробежным насосом через диспергатор. Смесь по вязкости напоминает негустую сметану.
Для изготовления емкостей может быть использован любой торф (низинный, верховой, переходный), соответствующий по общетехническим свойствам требованиям к торфу как сырью для производства органических удобрений, влажностью от 45 до 75%.
Торфяная емкость - емкость, изготовленная с использованием торфа. Для изготовления емкости могут применяться и другие вещества, в частности древесные опилки, древесная стружка, мел, картон. При этом торфа в емкости по весу должно быть больше 25% (от 25.001% до 100%) от веса емкости.
Размер емкости от 10 до 200 мм.
Размер торфяной емкости - расстояние между наиболее удаленными ее частями.
Торфяные емкости используют для выращивания рассады овощей и цветов.
Рассада высаживается в грунт вместе с торфяной емкостью, что предохраняет корневую систему рассады от повреждения, обеспечивая стопроцентную приживаемость и ускоренное развитие растений. Благодаря торфяным емкостям снижается себестоимость выращенной продукции.
Способ применения торфяных емкостей на примере горшочков:
Горшочки заполняют сильно увлажненным питательным грунтом, после чего высевают семена, сажают луковицы или проростки. Выращиваемое растение часто поливают, постоянно поддерживая грунт во влажном состоянии. Выращенную рассаду высаживают на постоянное место в грунт вместе с горшочком. Благодаря высокой влагостойкости заявленных емкостей они долгое время не разрушаются при непрерывном воздействии влаги.
Торфяные горшочки предназначены для выращивания рассады различных культур: овощных (огурца, томата, кабачка, патиссона, дыни и т.д.), цветочных (примулы, колеуса, герани, гладиолуса, тюльпана и др.), плодовых, лесных и декоративных (крыжовник, смородина, малина, голубика, роза и др.).
Торфяные горшки представляют собой торфяные емкости цилиндрической (см. фиг.10) или конической формы. Это сухая формованная и прессованная торфяная продукция транспортабельна, имеет длительный срок хранения.
На фиг.10 представлен продольный разрез емкости. Емкость может выполняться длиной от 10 до 200 мм. Граница поперечного сечение емкости может быть выполнено в виде круга (см. фиг.11). Диаметр границы поперечного сечения емкости может быть от 10 до 200 мм. На фиг.12-15 представлены различные формы поперечных сечений емкостей. Емкости могут выполнять толстостенными (см. фиг.17).
На производстве авторами отработано изготовление емкостей с диаметром поперечного сечения 30 и 50 мм и диаметром отверстия 10 и 20 мм (см. фото на фиг.17). Экспериментально отработаны емкости диаметром от 10 до 100 мм.
Таким образом, при реализации изобретений будет обеспечено существенное повышение твердости емкостей. Это позволит сохранить их целостность при транспортировке, хранении и использовании по назначению.
Также будет достигнуто существенное повышение стойкости емкостей к воздействию влаги. Это позволяет увеличить время их растворения в земле и время полезного действия на растения. Основным недостатком аналогов является то, что при длительном воздействии воды емкости разрушаются. У заявленных изобретений этот недостаток отсутствует.
У второго изобретения в емкостях присутствует гидрофобное вещество. Это вещество повышает стойкость емкостей к воздействию влаги (см. строки 4 и 5 таблицы 1) при сохранении их прочностных характеристик.
Главным элементом технологической линии по производству заявленной торфяной емкости является диспергатор.
Авторами конструктивно отработан диспергатор (см. фиг.1-9).
Дадим определения, касающиеся диспергатора и процесса диспергирования.
Диспергатор - устройство для смешивания двух и более веществ.
Диспергирование - перемешивание. В заявленном диспергаторе перемешивание смеси осуществляется за счет ее кавитации.
Область интенсивного диспергирования - область в потоке смеси, где происходит интенсивное перемешивание смеси. Эту область интенсивного диспергирования еще называют рабочей областью диспергирования, или областью кавитации, или зоной кавитации, или зоной интенсивного диспергирования.
Корпус диспергатора - основной элемент диспергатора, в котором расположен канал или каналы для движения жидкости, в частности смеси, содержащей торф и воду. Смесь может содержать и другие компоненты.
Смесь - продукт смешения, механического соединения каких-либо веществ.
Смесь воды и торфа будем называть просто смесью.
Жидкая смесь - продукт смешения, механического соединения каких-либо жидких веществ.
Под термином "канал" понимается полое пространства или полость, например, в виде трубы.
Канал в диспергаторе для движения смеси - пространство или полость, например, в виде трубы, по которой движется смесь во время работы диспергатора. Канал содержит участки, в частности участок с уменьшающимся проходным сечением канала, участок с увеличивающимся проходным сечением канала. Канал диспергатора содержит минимальное проходное сечение канала, за которым во время работы диспергатора образуется область кавитации или область интенсивного диспергирования внутри канала.
Участок с уменьшающимся проходным сечением канала - участок канала, у которого по длине канала (по направлению движения смеси или жидкости в диспергаторе) площадь проходного сечения канала уменьшается. Определение «участок с уменьшающимся проходным сечением канала» описывает устройство канала в статическом состоянии.
Участок с увеличивающимся проходным сечением канала - участок канала, у которого по длине канала (по направлению движения смеси или жидкости в диспергаторе) площадь проходного сечения канала увеличивается. Определение «участок с увеличивающимся проходным сечением канала» описывает устройство канала в статическом состоянии.
Участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала - участок по длине канала (по направлению движения смеси в диспергаторе), на котором проходное сечение от одного поперечного сечения до другого поперечного сечения уменьшается.
Участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала - участок по длине канала (по направлению движения смеси в диспергаторе), на котором проходное сечение от одного поперечного сечения до другого поперечного сечения увеличивается.
Проходное сечение канала - поперечное сечения канала, через которое проходит смесь. Поперечное сечение канала является частью сечения диспергатора, которое построено перпендикулярно к продольной оси канала на рассматриваемом участке. Проходное сечение характеризуется площадью проходного сечения.
Диспергатор, изображенный на фиг.1 содержит корпус 1 с каналом 2 для движения воды, жидкой смеси, смеси и канал по направлению движения смеси содержит участок с уменьшающимся проходным сечением канала 3 (протяженность участка обозначена позицией 4), минимальное проходное сечение канала 5, участок с увеличивающимся проходным сечением канала 7 (протяженность участка обозначена позицией 8).
Термин «по направлению движения смеси» обозначает то, что участки расположены один за другим (на фиг.1 - это слева- на право) по направлению движения смеси во время работы диспергатора.
На фиг.2 участки 20 и 26 расположены один за другим по направлению движения смеси. На фиг.2 участки 23 и 27 также расположены один за другим по направлению движения смеси.
Направление движения смеси на фиг.1 обозначено позицией 10, а на фиг.2 обозначено позицией 19.
Рифли - бороздки на поверхности канала.
Поперечные рифли - рифли, выполненные на поверхности канала в поперечном направлении (под углом 90°) относительно продольной оси канала.
Направление движения смеси в канале - направление от входа в диспергатор до выхода из диспергатора.
Канал диспергатора на своей поверхности, соприкасающейся с потоком смеси (см., например, патент РФ №2293599), может содержать область.
Область - часть поверхности канала ненулевой площади.
Протяженность области - длина области в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала (по прямой линии между крайними точками области).
Протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала - длина участка (по прямой линии между крайними точками) в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала.
Протяженность участка с увеличивающимся проходным сечением канала - длина участка (по прямой линии между крайними точками) в продольном направлении канала, в направлении продольной оси канала.
Дадим определение выступу.
Прежде всего, строят продольное сечение, проходящее через интересующую область на поверхности канала. Линия пересечения плоскости и поверхности канала называют границей продольного сечения. Выступ определяется на границе продольного сечения, в частности на границе продольного сечения канала, или участка канала, или области на поверхности канала.
Если в сечении между двумя точками, одновременно принадлежащими границе сечения и срединной линии границы сечения, между границей сечения и срединной линией расположена часть сечения, то говорят, что между указанными точками на границе сечения расположен выступ. Также говорят, что сечение содержит выступ на участке границы сечения или на границе сечения между двумя точками расположен выступ. Это определение (мы в нем заменили поперечное сечение на продольное сечение) опубликовано в Интернете по адресу: http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Дадим определение углублению.
Прежде всего, строят продольное сечение, проходящее через интересующую область на поверхности канала. Линия пересечения плоскости и поверхности канала называют границей продольного сечения. Углубление определяется на границе продольного сечения, в частности на границе продольного сечения канала, или участка канала, или области на поверхности канала.
Если в сечении между двумя точками, одновременно принадлежащими границе сечения и срединной линии границы сечения, между границей сечения и срединной линией расположена область (пространство), примыкающая к границе сечения и не являющаяся сечением, то говорят, что между указанными точками расположено углубление. Это определение опубликовано в Интернете по адресу: http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Чередующиеся по длине выступы и углубления - это когда за выступом следует углубление и т.д., при этом выступов не менее двух и углублений не менее двух.
Поверхность, соприкасающаяся с потоком смеси, - внутренняя поверхность канала, которая контактирует с потоком смеси.
Перепад давления на диспергаторе - разность показаний манометров на входе и на выходе диспергатора при его работе.
Диспергатор содержит корпус 1 (см. фиг.1) с каналом 2 для движения смеси и в качестве смеси используют смесь, содержащую воду и торф или воду, торф и гидрофобное вещество; и канал, по направлению движения смеси, содержит участок с уменьшающимся проходным сечением канала 3 (протяженность участка обозначена позицией 4), минимальное проходное сечение канала 5.
Поперечное сечение, которое построено перпендикулярно к продольной оси канала и проходящее через минимальное проходное сечение канала 5, обозначено позицией 6 (обозначено пунктиром на фиг.1).
Позицией 7 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине канала (протяженность участка обозначена позицией 8.
Участок с уменьшающимся проходным сечением по длине канала на своей поверхности 9, соприкасающейся с потоком 10 смеси, содержит область 11 (см. фиг.2), содержащую чередующиеся по длине области выступы 12 и углубления 11, причем область содержит один выступ 14, высота которого больше высот остальных выступов на этой области.
Область 11 расположена на расстоянии 15 (см. фиг.3) от минимального проходного сечения канала 5. В частном случае область расположена на расстоянии 0.1 мм - это расстояние из диапазона значений от 0.001 до 1 мм. Чем ближе область 11 к сечению 5, тем меньших размеров она может быть.
Протяженность области составляет величину L, которую определяют по формуле:
L=nS,
где n - величина, принимающая значение от 0.1 до 0.5;
S - протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением по длине канала.
При S=100 мм, L может принимать значения 10, 15, 20, 30, 40, 50 мм. Могут быть и другие протяженности.
Область интенсивного диспергирования обозначена позицией 16 на фиг.3.
На фиг.2 изображено продольное сечение диспергатора. Диспергатор содержит корпус 17 (см. фиг.2) с каналом 18 для движения смеси.
Канал по направлению движения 19 смеси разветвляется на два канала. При этом первый канал содержит участок 20 с уменьшающимся проходным сечением канала (протяженность участка обозначена позицией 21), минимальное проходное сечение канала 22. Позицией 26 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине первого канала.
Второй канал содержит участок 23 с уменьшающимся проходным сечением канала (протяженность участка обозначена позицией 24), минимальное проходное сечение канала 25.
Позицией 27 обозначен участок с увеличивающимся проходным сечением по длине второго канала.
Диспергатор может быть выполнен так, что содержит канал 28 (см. фиг.1) для подачи жидкости (или газа, пара) в область интенсивного диспергирования. Подавать могут гидрофобное вещество. Также подавать могут воздух, что способствует увеличению азота в связующем и в емкости в целом.
На фиг.2 изображен диспергатор, выполненный так, что содержит два канала 29 и 30 для подачи жидкости (или газа, пара) в области интенсивного диспергирования за сечениями 22 и 25. Тело, которое разделяет канал на два канала, выполнено в виде трубы 40 с двумя каналами (отверстиями) 29 и 30.
На фиг.4-6 представлены чередующиеся выступы и углубления различных видов. Выступы с наибольшей высотой обозначены позициями 31, 32 и 33.
Высота выступа 31 обозначена позицией 39. Высота малого выступа обозначена позицией 37. Высота замеряется от срединной (средней) линии 34 см. http://newtechnolog.narod.ru/articles/30article.html.
Кроме того, на фиг.5 и 6 срединные линии обозначены позициями 35 и 36.
Глубина углубления 38 также замеряется от срединной линии.
Выступы и углубления могут выполняться прямоугольной, трапециевидной, треугольной, круглой формы (практически любой формы) в продольном сечении канала. Глубина углубления может составлять величину 0.005 ÷ 5 мм, при толщине корпуса диспергатора, превышающего глубину углубления не менее чем на 10%. Высота выступа может составлять величину 0.005 мм ÷ 5 мм при диаметре проходного сечения канала, превышающем высоту выступа не менее чем на 100%.
Выступ с максимальной высотой выполнен таким образом, что его высота превышает высоту наименьшего по высоте выступа в 1.1÷10 раз.
На поверхности канала, соприкасающейся с потоком смеси, могут быть выполнены поперечные рифли. Рифли могут выполняться прямоугольной, треугольной, круглой (или округлой) формы в продольном сечении канала. Глубина рифлей может составлять величину 0.005 - 5 мм, если позволяет толщина корпуса диспергатора.
Геометрические характеристики выступов, углублений и рифлей выбираются из условий обтекания их потоком смеси, а именно с учетом скорости потока, давления торможения, плотности смеси, а также от того, где расположены выступы, углубления (рифли) относительно минимального проходного сечения.
Главная задача этих устройств - максимальное возмущение потока перед зоной интенсивного диспергирования (кавитации) как у стенок канала, так и в глубине потока смеси.
На практике (на момент подачи данной заявки на экспертизу в ФИПС) апробированы конструкции диспергаторов с диаметром канала от 5 до 100 мм, длиной сужающегося участка (участка с уменьшающимся проходным сечением по длине канала) от 50 до 1000 мм, глубиной рифлей и углублений от 0.001 до 5 мм, высотой выступов от 0.001 до 5 мм.
При этом глубины величиной 0.001÷0.004 мм дают малый эффект. Лучше выполнять глубины начиная с величины 0.005 мм и глубже. Высоты выступов величиной 0.001÷0.004 мм также дают малый эффект. Лучше выполнять высоты выступов начиная с величины 0.005 мм и выше.
Экспериментально подтверждено, что заметный (по приборам и визуально) эффект дает выступ с максимальной высотой, когда его высота превышает высоту наименьшего по высоте выступа в 1.05÷10 раз. Однако превышение на 5% дает малый эффект. Лучше, чтобы высота наибольшего по высоте выступа превышала высоту наименьшего выступа в 1.1÷10 раз.
Перемешивание потока 10 смеси в диспергаторе осуществляется при взаимодействии ее с выступами 12, 14 и углублениями (рифлями) 13 и в зоне интенсивного диспергирования смеси (в зоне кавитации) 16. См. фиг.3.
В процессе обтекания смесью выступов 12, 14 и углублений 13 поток смеси перемешивается (можно сказать - турбулизируется). Причем выступы малой высоты осуществляют перемешивание вблизи внутренней поверхности канала. А выступ большой высоты перемешивает слои потока, движущиеся ближе к центру потока.
Далее, двигаясь по участку канала с уменьшающимся проходным сечением по длине канала (по сужающейся части канала) 3 (см. фиг.3), смесь ускоряется до скорости 10 м/с и выше. Экспериментально апробирован разгон смеси до скорости более 50 м/с.
Скорость смеси увеличивается, а давление в потоке уменьшается. Уменьшение давления ниже давления насыщенного пара вызывает появление паровых пузырьков в зоне (области) потока 16. В дальнейшем смесь тормозится - попадает в область повышенного давления. Торможение происходит на участке с увеличивающимся проходным сечением по длине канала - за сечением 5.
При торможении смеси паровые пузырьки (кавитационные пузырьки) охлопываются, обеспечивая при этом эффективное дробление компонентов смеси и их перемешивание.
На фиг.1 показан канал 28. По этому каналу в зону кавитации (интенсивной кавитации) может подаваться жидкость, газ или пар. Например, при работе диспергатора по каналу в зону интенсивной кавитации подают водяной пар. Подача пара существенно интенсифицирует кавитационные процессы в диспергаторе.
Или при работе диспергатора по каналу в поток жидкости на участке с увеличивающимся проходным сечением по длине канала подают водяной пар.
На фиг.2 показаны два канала 29 и 30. По этим каналам в зону кавитации может подаваться жидкость, газ или пар.
Авторами проведены сравнительные испытания диспергаторов с различными конструкциями выступов и углублений.
При разработке заявки были проведены эксперименты на диспергаторе с прозрачным корпусом. Конструкция диспергатора аналогична конструкции, приведенной на фиг.1 и фиг.3. Смесь прокачивалась через диспергатор с помощью насоса.
Область, содержащая чередующиеся по длине области выступы и углубления, расположена на расстоянии 0.1 мм от сечения 5 (см. фиг.3). Протяженность области - 20 мм, ширина области - 10 мм. Количество выступов - 20. Количество углублений - 19.
Выступы выполнены высотой 0.5 мм. Один выступ, расположенный в центре области, - регулируемый по высоте и имеет возможность подниматься на высоту 5 мм над срединной линией границы продольного сечения. Диаметр этого выступа - 2 мм.
Протяженность участка с уменьшающимся проходным сечением канала - 40 мм.
Протяженность участка с увеличивающимся проходным сечением канала - 40 мм.
Диаметр проходного сечения канала на входе в диспергатор и на выходе из диспергатора - 60 мм.
Диаметр минимального проходного сечения - 5 мм.
Протяженность зоны 16 интенсивной кавитации обозначена позицией 41.
Протяженность зоны определялась визуально через прозрачный корпус диспергатора. При работе диспергатора на различных режимах протяженность зоны составляла величину от 3 до 7 мм.
В эксперименте изменялась высота регулируемого выступа и скорость движения жидкости (50% солярки и 50% воды).
На входе и выходе диспергатора установлены манометры. Скорость потока регулировалась задвижкой, расположенной в трубопроводе между насосом и диспергатором.
Скорость потока измерялась с помощью гидрометрической вертушки типа ИСП-1.
Результаты экспериментов приведены в таблице 3.
Анализ таблицы показал, что с увеличением высоты выступа скорость потока в минимальном проходном сечении, которая обеспечивает установление интенсивной кавитации, уменьшается. Это позволяет снизить мощность насоса для прокачки смеси через диспергатор до 20%.
Кроме того, с увеличением высоты выступа наблюдается увеличение объема (зоны) области интенсивного диспергирования в смеси при движении ее внутри канала. Это повышает качество диспергирования.
Эксперименты показали, что увеличение числа выступов увеличенной высоты до 2, 3 и т.д. в одном продольном сечении не приводит к усилению эффекта.
| Таблица 3 | |||
| Зависимость скорости установления интенсивного диспергирования от геометрических характеристик выступов и углублений (обеспечивается перепад давления на диспергаторе 2.1 атм) | |||
| № | Высота регулируемого выступа, мм | Скорость потока в минимальном проходном сечении, м/с | Протяженность зоны интенсивной кавитации, мм |
| 1 | Выступы отсутствуют | 19.0 | 3 |
| 2 | 0.5 | 18.0 | 3 |
| 3 | 0.6 | 17.5 | 3 |
| 4 | 0.65 | 17.5 | 3 |
| 5 | 1.0 | 16.7 | 4 |
| 6 | 1.5 | 16.3 | 4 |
| 7 | 2.0 | 16.0 | 5 |
| 8 | 2.5 | 15.7 | 5 |
| 9 | 3.0 | 15.3 | 5 |
| 10 | 3.5 | 14.3 | 6 |
| 11 | 4.0 | 14.0 | 6 |
| 12 | 4.5 | 13.8 | 7 |
| 13 | 5.0 | 13.3 | 7 |
На фиг.7 представлен диспергатор, который применялся при испытаниях и отработке процесса получения связующего. Этот же диспергатор применялся для отработки процессов получения жидких топлив на основе мазута и воды.
Канал 42 имеет прямоугольную форму (см. фиг.8). Позицией 43 обозначено тело, которое разделяет канал на два канала. В испытаниях скорость потока смеси на входе в диспергатор принимала значения от 6 до 20 м/с. Позицией 44 также обозначено тело, которое разделяет канал на два канала. Тело 43 повернуто на 90° относительно тела 44. За телом 43 отверстия 45 (диаметр 1÷2 мм) для подачи в канал (в зону кавитации) компонентов смеси. Компоненты подводятся по трубе 46. За телом 44 отверстия 49 (диаметр 1÷2 мм) для подачи в канал (в зону кавитации) компонентов смеси. Компоненты подводятся по трубе 47. По трубе 48 в поток также может подаваться компонент смеси.
Канал имеет высоту 50 и ширину 51. В экспериментах канал имел ширину 8÷20 мм, высоту 4÷10 мм. Диаметр тела 43 имел значение 4÷10 мм. Диаметр 52 тела 44 имел значение 4÷6 мм.
Скругления канала 53 и 54 рассчитывались по методике, приведенной на стр.38÷44 источника: Рихтер Л.А. Газовоздушные тракты тепловых электростанций. М.: Энергия, 1969. Скругления обеспечивают безотрывный поворот потока, что важно для поддержания стабильной кавитации.
Таким образом, заявленные емкости по сравнению с прототипом обеспечивают:
- существенное повышение твердости емкостей;
- существенное повышение стойкости емкостей к воздействию влаги.
1. Торфяная емкость, содержащая стенку и дно, которые выполнены с использованием торфа, связующего, при этом связующее выполнено в виде смеси воды и торфа, причем смесь воды и торфа, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·105 Па до 25·105 Пa.
2. Торфяная емкость, содержащая стенку и дно, которые выполнены с использованием торфа, связующего, при этом связующее выполнено в виде смеси воды, торфа, гидрофобного вещества, в частности октадециламина, причем смесь воды, торфа, гидрофобного вещества, по меньшей мере, один раз пропускают через диспергатор при перепаде давления на диспергаторе от 0,1·105 Па до 25·105 Па.
