Ультразвуковой проточный реактор



Ультразвуковой проточный реактор
Ультразвуковой проточный реактор
Ультразвуковой проточный реактор
Ультразвуковой проточный реактор
Ультразвуковой проточный реактор
Ультразвуковой проточный реактор
Ультразвуковой проточный реактор

 


Владельцы патента RU 2556654:

Общество с ограниченной ответственностью "РЭЛТЕК" (RU)

Изобретение относится к смешиванию жидкостей и может быть использовано для обработки жидких сред, а именно: для диспергирования, эмульгирования, гомогенизации. Ультразвуковой проточный реактор содержит рабочую камеру в виде трубы, на наружной поверхности которой по периметру и вдоль продольной оси трубы закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи. Труба имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде. Ультразвуковые преобразователи идентичны, сгруппированы по четыре и закреплены на пересечениях n линий периметра рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями стенок, где n равно 1, 2, 3,…. Преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно, а на серединных линиях стенок камеры по отношению друг к другу преобразователи подключены в заданном порядке. Изобретение обеспечивает повышение производительности по обработке текучих технологических сред. 7 ил.

 

Изобретение относится к смешиванию жидкостей и может быть использовано для обработки жидких сред, а именно: для диспергирования, эмульгирования, гомогенизации.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой проточный реактор, рабочая камера которого выполнена в виде трубы, внутри которой находится обрабатываемая жидкая среда. Ввод колебаний осуществляется через стенки трубы, для чего на наружной поверхности трубы по периметру и вдоль оси трубы закреплены и акустически связаны с ней большое число ультразвуковых преобразователей (Horst С., Design of ultrasound reactors for technical scale organometallics and electrochemical synthesis / Horst C., Lindermeir A., Hoffmann U. // TU Hamburg-Harburg Reports of Sanitary Engineering 35, 2002, Neis U. (ed.). Ultrasound in Environmental Engineering // ISSN 0724-0783; ISBN 3-930400-47-2).

Изобретение решает только задачу увеличения времени воздействия ультразвуковых колебаний на жидкую среду, протекающую через рабочую камеру реактора, путем формирования каждым из ультразвуковых преобразователей в объеме жидкости на пути ее прохождения через камеру реактора своей зоны акустического давления. Причем пространственное расположение этих зон неизменно, поскольку в известном реакторе отсутствует возможность изменения их расположения в пространстве рабочего объема, а также отсутствует возможность формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью. Кроме того, в известном реакторе локальные зоны акустического давления сформированы в произвольном порядке, что снижает эффективность использования энергии ультразвуковых колебаний, а следовательно, снижает интенсивность ультразвукового воздействия в рабочем объеме, снижает производительность и степень обработки текучих технологических сред.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания ультразвукового проточного реактора, осуществление которого позволяет достичь технического результата при обработке текучих сред в режиме непрерывного потока, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью в любой части рабочего объема камеры реактора и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в ультразвуковом проточном реакторе, содержащем рабочую камеру в виде трубы, на наружной поверхности которой по периметру и вдоль продольной оси трубы закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи, новым является то, что труба имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде (в международной системе единиц СИ измеряется в метрах). Кроме того, ультразвуковые преобразователи идентичны, сгруппированы по четыре и закреплены на пересечениях n линий периметра рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями стенок, где n равно 1, 2, 3,…, при этом преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно, а на серединных линиях стенок камеры по отношению друг к другу преобразователи подключены в заданном порядке.

Заявленный технический результат достигается следующим образом.

Существенные признаки изобретения «Ультразвуковой проточный реактор, содержащий рабочую камеру в виде трубы, на наружной поверхности которой по периметру и вдоль продольной оси трубы закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи, …» являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.

В заявленном реакторе ультразвуковые преобразователи закреплены на наружной поверхности стенок рабочей камеры и акустически связаны с ними, что обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в рабочий объем камеры через ее стенку.

Выполнение рабочей камеры в виде трубы, в сечении которой квадрат, обеспечивает возможность закрепления звуковых преобразователей напротив друг друга, а именно: на противоположных стенках рабочей камеры, а также на равных расстояниях друг от друга, что в процессе работы преобразователей, при их идентичности, способствует формированию стоячей волны с максимальной амплитудой. При этом ультразвуковые преобразователи сгруппированы по четыре и закреплены на пересечениях n линий периметра рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями стенок, где n равно 1, 2, 3, … В результате, преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, имеют общую осевую линию, а формируемые ими звуковые волны распространяются навстречу друг другу по общей осевой, что приводит к возникновению внутри обрабатываемой жидкой среды стоячей звуковой волны. При этом, поскольку рабочая камера имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, то расстояние до преграды равно четному числу четвертей падающей и отраженной волн, что обеспечивает максимальную амплитуду результирующего колебания («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с.37). При этом, поскольку преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно, то формируемые ими звуковые волны складываются с отраженной волной от противоположной стенки, на которой закреплен противофазно подключенный преобразователь, что, благодаря идентичному выполнению преобразователей, фактически удваивает амплитуду результирующей стоячей волны.

В стоячей волне точки, в которых результирующая амплитуда колебаний частиц среды обращается в нуль, называются узлами, а точки с максимальной амплитудой - пучностями. Известно (там же с.37-41), что в стоячей волне расстояние между двумя соседними узлами или пучностями равно половине длины волны. Поскольку расстояние между стенками камеры равно λ, то стоячая звуковая волна, формируемая внутри камеры каждой парой противофазно подключенных преобразователей, имеет три пучности: вблизи противоположных стенок камеры и центральную, отстоящую на λ/2 от стенок камеры, и два узла, отстоящие на λ/4 от противоположных стенок камеры.

В стоячей звуковой волне пучности звукового давления возникают в узлах волны, а узлы звукового давления возникают в пучностях стоячей звуковой волны. При этом максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей волны из области отрицательных значений амплитуды в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с.37-41). В заявленном реакторе звуковое давление создаваемой стоячими волнами от каждой пары преобразователей, соответственно имеет нулевые значения вблизи стенок камеры и на расстоянии λ/2 от стенок камеры; максимальное положительное и минимальное отрицательное значения - на расстоянии λ/4 от соответствующих стенок камеры, т.е. в первом и втором узлах стоячей волны.

При этом, поскольку в каждой группе из четырех преобразователей, расположенных в плоскости n-го периметра рабочей камеры, преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно, то преобразователи с одинаковой фазой подключения оказываются закрепленными на соседних стенках камеры. В результате в четверке преобразователей каждая пара противофазно подключенных преобразователей формирует значения максимального положительного и максимального отрицательного звукового давления в общей для них зоне рабочего объема камеры. При этом в рабочей камере в каждом сечении по n-ому периметру формируются четыре зоны суммарного звукового давления: зона максимального звукового давления и зона разрежения как результаты интерференции соответственно положительных и отрицательных значений звукового давления двух пар преобразователей и образованные между ними две зоны нулевого звукового давления. Поскольку звуковое давление суммируется, то в результате в рабочем объеме камеры формируются локальные зоны повышенного звукового давления, которое превышает примерно в четыре раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем. Причем, благодаря закреплению ультразвуковых преобразователей на пересечениях n линий периметра рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями стенок, локальные зоны звукового давления формируются вдоль оси рабочей камеры.

При этом, поскольку в каждой четверке преобразователей зоны суммарного звукового давления формируют соседние синфазно подключенные преобразователи, то пространственное расположение этих зон в рабочем объеме вдоль оси рабочей камеры находится в прямой зависимости от того, на каких стенках камеры закреплены преобразователи с одинаковой фазой подключения. В заявленном реакторе преобразователи по серединным линиям стенок камеры по отношению друг к другу подключены в заданном порядке. В результате, задавая фазы подключения преобразователей на серединных линиях стенок рабочей камеры реактора таким образом, что преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, всегда остаются подключенными противофазно, можно управлять формированием вдоль оси рабочей камеры зон повышенного и пониженного звукового давления.

В результате, возможность задания порядка чередования фазы подключения преобразователей на серединных линиях стенок камеры позволяет внутри рабочего объема камеры вдоль ее оси формировать и управлять формированием пространственно перемежающихся локальных областей максимального, минимального и нулевого звукового давления.

Из вышеизложенного следует, что заявленный ультразвуковой проточный реактор можно отнести к системам, концентрирующим (фокусирующим) звуковую энергию в определенной области рабочего пространства камеры. Известно, что в таких системах в обрабатываемой жидкой среде кавитация возникает, прежде всего, в фокальном пятне, где уровень звукового давления наибольший (там же, с.186). Кроме того, известно, что области кавитации в жидкой среде совпадают с максимумом звукового давления, создаваемого преобразователем стоячей звуковой волной (там же, с.199). Предлагаемое выполнение заявленного реактора позволяет внутри рабочего объема камеры вдоль ее осевой формировать и управлять формированием пространственно перемежающихся областей максимального, минимального и нулевого звукового давления, что обеспечивает не только выполнение выше изложенных условий возникновения кавитации, но и обуславливает возникновение области кавитации в конкретной зоне рабочей камеры. Кроме того, из вышеизложенного следует, что в заявленном реакторе звуковое давление в формируемых локальных областях повышенного звукового давления практически в четыре раза выше исходного, формируемого одним ультразвуковым преобразователем, что соответственно позволяет увеличить кавитационную активность в формируемых зонах кавитации при тех же энергетических параметрах преобразователей.

Таким образом, заявленный ультразвуковой проточный реактор путем возможности управляемого формирования упорядоченных зон повышенного и пониженного акустического давления позволяет внутри рабочего объема камеры реактора формировать пространственно перемежающиеся локальные области кавитации. При этом наличие в заявленном реакторе четко выделенных зон звукового давления обуславливает четкое пространственное расположение областей кавитации. Кроме того, подключение противофазно преобразователей, закрепленных на противоположных стенках камеры, обеспечивает возможность задания в требуемом порядке фаз подключения ультразвуковых преобразователей на серединных линиях стенок камеры, что позволяет управлять картиной расположения зон звукового давления в пространстве рабочего объема камеры реактора, а следовательно, управлять расположением зон кавитации. Это позволяет задавать режим обработки жидкой среды при ее прохождении через камеру реактора, а именно: обрабатываемая жидкая среда проходит через область кавитации с повышенным звуковым давлением, через область разрежения, через области отсутствия внешних воздействий.

Из вышеизложенного следует, что заявленный ультразвуковой проточный реактор позволяет формировать области кавитации с регулируемой кавитационной активностью в любой части рабочего объема рабочей камеры, а также задавать расположение кавитационных областей в пространстве вдоль оси рабочей камеры, что обеспечивает равномерную и активную кавитационную обработку всего объема жидкости с повышенным звуковым давлением по всей площади поперечного сечения рабочей камеры и позволяет увеличить производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой реактор при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, при обработке текучих сред в режиме непрерывного потока, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью в любой части рабочего объема камеры реактора и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия.

На фиг.1 изображен заявленный ультразвуковой проточный реактор (утрированно); на фиг.2 приведена развертка рабочей камеры реактора со схемой произвольного подключения преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры; на фиг.3 схематично изображено распределение амплитуд звукового давления, формируемого каждой парой противофазно подключенных ультразвуковых преобразователей в сечениях по линиям периметров с первого фиг.3а по четвертый фиг.3г при произвольном подключении преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры; на фиг.4 приведена развертка рабочей камеры реактора со схемой противофазного подключения преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры; на фиг.5 схематично изображено распределение амплитуд звукового давления, формируемого каждой парой противофазно подключенных ультразвуковых преобразователей в сечениях по линиям периметров с первого фиг.5а по четвертый фиг.5г при противофазном подключении преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры; на фиг.6 приведена развертка рабочей камеры реактора со схемой подключения преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры, при которой пространственное положение зон максимальных положительного и отрицательного звукового давления последовательно, по часовой стрелке перемещается внутри рабочего объема камеры реактора на 90°; на фиг.7 схематично изображено распределение амплитуд звукового давления, формируемого каждой парой противофазно подключенных ультразвуковых преобразователей, в сечениях по линиям периметров с первого фиг.7а по четвертый фиг.7г при последовательном изменении в рабочем объеме камеры реактора пространственного положения зон звукового давления на 90°.

Устройство содержит рабочую камеру 1 в виде трубы (на фиг.1 изображен фрагмент рабочей камеры). Труба имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде. На наружной поверхности рабочей камеры 1 по периметру и вдоль продольной оси закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи 2mk, где m - позиционный номер линии периметра рабочей камеры, k - позиционный номер серединной линии стенки рабочей камеры. В примере выполнения показаны четыре линии периметра.

Ультразвуковые преобразователи 2mk идентичны, сгруппированы по четыре и закреплены на пересечениях линий периметра 3, 4, 5, 6 рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями 7, 8, 9, 10 стенок. Преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры 1, имеют общую осевую и всегда подключены противофазно, а на серединных линиях 7, 8, 9, 10 стенок камеры 1 по отношению друг к другу преобразователи 2mk подключены в заданном порядке.

На фиг.1, фиг.3, фиг.5 в кружках указана полярность фазы подключения преобразователей. Серединные линии 7, 9 и 8, 10 относятся к противоположным стенкам рабочей камеры.

Устройство работает следующим образом. Заранее задают порядок подключения фаз питания ультразвуковых преобразователей на серединных линиях стенок камеры по отношению друг к другу, учитывая, что преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, всегда должны быть подключены противофазно.

В рабочую камеру 1 под давлением подают обрабатываемую текучую технологическую среду (на фиг.1 не показано).

После подключения питания ультразвуковые преобразователи 2mk излучают в обрабатываемую среду звуковые волны. В каждой группе из четырех преобразователей 2mk, расположенных в плоскости n-го периметра рабочей камеры, пара противофазно подключенных преобразователей формирует звуковые волны, которые распространяются навстречу друг другу по общей осевой. Это приводит к образованию стоячих звуковых волн внутри обрабатываемой жидкой среды. Поскольку преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно (например, фиг.2, преобразователи 237 и 239; 238 и 2310), то формируемые ими звуковые волны складываются с отраженной волной от противоположной стенки, на которой закреплен противофазно подключенный преобразователь, что, благодаря идентичному выполнению преобразователей, фактически удваивает амплитуду результирующей стоячей волны.

Кроме того, максимальная амплитуда стоячей волны обеспечивается конструктивно, так как рабочая камера 1 имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с.37).

В заявленном реакторе звуковое давление, создаваемое стоячими волнами от каждой пары преобразователей, соответственно имеет нулевые значения вблизи стенок камеры и на расстоянии λ/2 от стенок камеры; максимальное положительное и минимальное отрицательное значения - на расстоянии λ/4 от соответствующих стенок камеры, т.е. в первом и втором узлах стоячей волны.

В каждой группе из четырех преобразователей, расположенных в плоскости n-го периметра рабочей камеры, преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно (например, фиг.2, преобразователи 237 и 239; 238 и 2310; 257 и 259; 258 и 2510). В результате преобразователи с одинаковой фазой подключения оказываются закрепленными на соседних стенках камеры. Это приводит к тому, что каждая пара противофазно подключенных преобразователей формирует значения максимального положительного и максимального отрицательного звукового давления в общей для них зоне рабочего объема камеры. В результате в плоскости n-го периметра рабочей камеры формируется четыре зоны суммарного звукового давления: зона максимального звукового давления и зона разрежения как результаты интерференции соответственно положительных и отрицательных значений звукового давления двух пар преобразователей и образованные между ними две зоны нулевого звукового давления (фиг.2, фиг.4, фиг.6 - показано условно). Поскольку звуковое давление суммируется, то в результате в рабочем объеме камеры формируются локальные зоны повышенного звукового давления, которое превышает примерно в четыре раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем. Причем локальные зоны звукового давления формируются вдоль оси рабочей камеры, так как ультразвуковые преобразователи закреплены на пересечениях n линий периметра рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями стенок камеры.

Задавая заранее порядок чередования фазы подключения преобразователей на серединных линиях, формируют внутри рабочего объема камеры вдоль ее оси пространственно перемежающиеся области максимального, минимального и нулевого звукового давления и таким образом управляют их формированием.

Для пояснения работы устройства рассмотрим три варианта подключения питания ультразвуковых преобразователей на серединных линиях стенок рабочей камеры: произвольное подключение (фиг.2); противофазное подключение (фиг.4); подключение, при котором пространственное положение зон максимальных положительного и отрицательного звукового давления последовательно, по часовой стрелке перемещается внутри рабочего объема камеры реактора на 90° (фиг.6).

Работу устройства при произвольном подключении преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры, поясняют фиг.2 и фиг.3 (фиг.3а, фиг.3б, фиг.3в, фиг.3г). Процесс образования локальных зон звукового давления показан условно. Из фигур 3а-3г видно, что при заданном порядке подключения фаз преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры локальные области максимального, минимального и нулевого звукового давления формируются в плоскости n-го сечения по периметру камеры в следующей последовательности:

по периметру 3 - максимальное звуковое давление в правом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем левом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 4 - максимальное звуковое давление в левом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем правом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем правом и нижнем левом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 5 - максимальное звуковое давление в правом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем левом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 6 - максимальное звуковое давление в правом нижнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в верхнем правом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем правом и нижнем левом квадрантах рабочего объема камеры.

Работу устройства при противофазном подключении преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры поясняют фиг.4 и фиг.5 (фиг.5а, фиг.5б, фиг.5в, фиг.5г).

Из фигур 5а-5г видно, что при заданном порядке подключения фаз преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры локальные области максимального, минимального и нулевого звукового давления формируются в плоскости n-го сечения по периметру камеры в следующей последовательности:

по периметру 3 - максимальное звуковое давление в правом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем левом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 4 - максимальное звуковое давление в левом нижнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в верхнем правом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 5 - максимальное звуковое давление в правом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем левом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 6 - максимальное звуковое давление в левом нижнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в верхнем правом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры.

Таким образом, при заданном порядке подключения преобразователей на серединных линиях формируемые внутри рабочего объема камеры вдоль ее оси локальные зоны звукового давления изменяют свое пространственное положение на 180°. При этом зоны нулевого давления сохраняют свое пространственное положение.

Работу устройства при подключении преобразователей на серединных линиях, при котором пространственное положение зон максимальных положительного и отрицательного звукового давления последовательно, по часовой стрелке перемещается внутри рабочего объема камеры реактора на 90°, поясняют фиг.6 и фиг.7 (фиг.7а, фиг.7б, фиг.7в, фиг.7г).

Из фигур 7а-7г видно, что при заданном порядке подключения фаз преобразователей на срединных линиях стенок рабочей камеры локальные области максимального, минимального и нулевого звукового давления формируются в плоскости n-го сечения по периметру камеры в следующей последовательности:

по периметру 3 - максимальное звуковое давление в правом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем левом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 4 - максимальное звуковое давление в правом нижнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в верхнем левом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в нижнем левом и верхнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 5 - максимальное звуковое давление в левом нижнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в верхнем правом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем левом и нижнем правом квадрантах рабочего объема камеры;

по периметру 6 - максимальное звуковое давление в левом верхнем квадранте рабочего объема камеры; область разрежения в нижнем правом квадранте рабочего объема камеры; области нулевого звукового давления в верхнем правом и нижнем левом квадрантах рабочего объема камеры.

Таким образом, при заданном порядке подключения преобразователей на серединных линиях формируемые внутри рабочего объема камеры вдоль ее оси локальные зоны звукового давления последовательно по часовой стрелке изменяют свое пространственное положение на 90°.

Выше приведенные примеры выполнения заявленного ультразвукового проточного реактора показывают, что предлагаемое выполнение заявленного реактора позволяет внутри рабочего объема камеры вдоль ее осевой формировать и управлять формированием пространственно перемежающихся областей максимального, минимального и нулевого звукового давления, что обеспечивает не только выполнение условий возникновения кавитации, но и обуславливает возникновение области кавитации в конкретной зоне рабочей камеры. При этом, поскольку камера имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, кавитационный процесс формируется с учетом свойств конкретной обрабатываемой жидкой среды, что повышает эффективность использования энергии ультразвуковых колебаний.

Кроме того, из вышеизложенного следует, что в заявленном реакторе звуковое давление в формируемых локальных областях повышенного звукового давления практически в четыре раза выше исходного, формируемого одним ультразвуковым преобразователем. Известно, что при увеличении звукового давления в 2 раза увеличивается интенсивность звуковых колебаний в 4 раза: I = p a 2 /2 ρ c , где p a 2 - амплитуда акустического давления («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с.23), что соответственно позволяет увеличить кавитационную активность в формируемых зонах кавитации при тех же энергетических параметрах преобразователей.

При этом наличие в заявленном реакторе четко выделенных зон повышенного и пониженного звукового давления обуславливает четкое пространственное расположение областей кавитации. Кроме того, возможность задания фаз подключения ультразвуковых преобразователей, закрепленных по серединным линиям стенок камеры, позволяет управлять картиной расположения зон звукового давления в пространстве рабочего объема камеры реактора, а следовательно, управлять расположением зон кавитации. Это позволяет задавать режим обработки жидкой среды при ее прохождении через камеру реактора, в частности задавать продолжительность нахождения в зонах кавитации, в зонах разрежения и в зонах нулевого давления.

Жидкая среда, проходя через рабочий объем камеры реактора, последовательно подвергается воздействию резко отличающихся друг от друга режимов механического воздействия. В зоне максимального акустического давления, где кавитация наиболее активна, происходит интенсивное разбивание обрабатываемой жидкости на микрочастицы. В зоне разрежения механические связи между частицами жидкой среды ослабевают и происходит их перераспределение. Поскольку обрабатываемая жидкость подается в камеру реактора под давлением, то попадая в зону нулевого давления, ее частицы совершают хаотические движения, что способствует активному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды. Так как локальные зоны акустического давления в рабочей камере вдоль ее оси заранее сформированы в заданном порядке, то выше изложенный режим обработки жидкой среды повторяется до получения требуемого результата.

В результате обеспечивается равномерная и активная кавитационная обработка всего объема жидкости по всей площади поперечного сечения рабочей камеры, что увеличивает производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия. При этом не требуется повторного возврата в камеру обрабатываемой текучей среды.

Ультразвуковой проточный реактор, содержащий рабочую камеру в виде трубы, на наружной поверхности которой по периметру и вдоль продольной оси трубы закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи, отличающийся тем, что труба имеет в сечении квадрат, длина стороны которого равна λ, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, кроме того, ультразвуковые преобразователи идентичны, сгруппированы по четыре и закреплены на пересечениях n линий периметра рабочей камеры с параллельными ее продольной оси серединными линиями стенок, где n равно 1, 2, 3,…, при этом преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, подключены противофазно, а на серединных линиях стенок камеры по отношению друг к другу преобразователи подключены в заданном порядке.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области кавитационной обработки жидких сред, а также предметов, находящихся в обрабатываемой жидкой среде. Способ заключается в размещении жидких сред и расположенных в среде предметов внутри механической колебательной системы-канала, имеющего нелинейную зависимость частоты резонансных колебаний от амплитуды, в которой осуществляют максимальное совмещение резонансных кривых возбудителя ультразвуковых колебаний и нелинейной резонансной кривой самой системы-канала путем определения нелинейной резонансной кривой системы-канала как зависимости амплитуды механических колебаний от частоты, определения разницы между частотой возбудителя и резонансной частотой системы-канала при необходимой амплитуде колебаний и изменения исходя из этой разницы резонансной частоты системы-канала путем изменения геометрических размеров сторон, при этом, если разница в частотах превышает ~1,5-2,0 ширины резонансной характеристики возбудителя, применяют возбуждение колебаний на двух или более разных частотах.

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к молекулярной диагностике. Устройство для подвергания жидкой пробы воздействию акустической энергии путем создания кавитации в жидкой пробе содержит источник высокоинтенсивных ультразвуковых волн и картридж, содержащий жидкую пробу и границу раздела жидкость-воздух.

Изобретение относится к области ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред и расположенных в среде объектов. Способ заключается в размещении жидких сред и расположенных в среде объектов внутри механической колебательной системы-канала, имеющего собственную частоту колебаний, в которой осуществляют возбуждение параметрических резонансов или параметрическое возбуждение автоколебаний, задают в качестве критерия эффективности кавитационной обработки максимальную амплитуду колебаний системы-канала, определяют оптимальную частоту или частоты колебаний силовых возбудителей предварительным экспериментальным определением собственных и параметрических частот колебаний.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предложен ультразвуковой смеситель растительного масла и минерального топлива, содержащий ультразвуковой излучатель (1), электронный блок управления (3).

Группа изобретений относится к химическим, физическим, химико-физическим процессам, а именно к процессам, в которых для их осуществления используются звуковые или ультразвуковые колебания.

Изобретение относится к составам для защиты различных поверхностей от микроорганизмов и биокоррозии, в частности к составам, включающим янтарь в качестве одного из компонентов.

Изобретение относится к технике измельчения материалов. Способ, реализуемый в соответствующем устройстве, содержит этапы, на которых: загружают упомянутый материал в смеси с водой в диспергационную камеру; герметизируют упомянутую диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру статическое давление 5-30 атм.; обрабатывают содержимое упомянутой диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см2, обеспечивающими звуковое давление на упомянутый материал в смеси с водой, превышающее упомянутое статическое давление в 2-3 раза.

Изобретение относится к получению тонкодисперсных органических суспензий, включающих металл/углеродный нанокомпозит, и может использоваться для создания функциональных полимерных материалов.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания бетонной смеси и может быть использовано в промышленности строительных материалов для производства многокомпонентных смесей.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания бетонной смеси и может быть использовано в промышленности строительных материалов для производства многокомпонентных смесей.

Группа изобретений относится к области биотехнологии и может быть использована для получения адьювантов для вирусных вакцин. Способ получения стабильных ультрадисперсных водных лиозолей терпентинного масла с заданными дисперсионными параметрами заключается в том, что терпентинное масло диспергируется в два этапа: на первом этапе готовится маточная дисперсия с помощью ультразвукового диспергирования 1 мл терпентинного масла в 500 мл дистиллированной воды; на втором этапе маточная дисперсия фильтруется путем продавливания под давлением 0,2-0,3 МПа через пористую мембрану из полиэфирсульфона в основную дисперсионную среду, которая предварительно барботирована ионизированным газом. Группа изобретений относится также к устройству для осуществления указанного способа, представляющему собой стенд, состоящий из трех блоков: ионизационной камеры, блока ультразвукового диспергирования и блока фильтрации, содержащего пористую мембрану из полиэфирсульфона. Группа изобретений позволяет получить устойчивый к коалесценции и седиментации лиозоль терпентинного масла в водных средах с заданными параметрами дисперсности без применения стабилизаторов и эмульгаторов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ультразвуковым устройствам для обработки суспензий, гелей и жидкостей и может быть использовано для получения путем организации процессов перемешивания, эмульгирования и диспергирования, высокогомогенных нанодисперсий, а также прямых и обратных эмульсий, состоящих из взаимно нерастворимых жидкостей. Устройство содержит рабочую камеру в виде цилиндрической трубы с входным и выходным патрубками. Камера помещена в бачок для охлаждения. Два идентичных ультразвуковых стержневых преобразователя закреплены на противоположных концах камеры. Преобразователи соединены шпилькой с акустическими волноводами. На боковых поверхностях волноводов выполнены отражающие канавки. Ультразвуковые преобразователи соединены с трубой рабочей камеры посредством фланцев через регулирующие прокладки. На волноводах закреплены эластичные уплотнительные кольца, герметизирующие рабочее пространство камеры при перемещении волновода. Изобретение позволяет: снизить потери энергии акустической волны, возбуждающей кавитацию, обеспечить равномерность обработки всего объема жидкости, снизить вероятность кавитационной эрозии излучающей торцевой поверхности волновода. 1 ил.
Наверх