Способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах



Способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах

 


Владельцы патента RU 2598454:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

Изобретение может быть применено в химической промышленности, в частности для управления тепломассопереносом в химических технологических процессах, протекающих во вращающихся контейнерах. Способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах характеризуется тем, что на вращающийся контейнер с неоднородной по плотности средой воздействуют поперечными оси вращения вибрациями с циклической частотой, равной угловой частоте вращения или отличающейся от угловой частоты вращения на небольшую величину, которые приводят к созданию статического или вращающегося в системе отсчета контейнера дополнительного наведенного силового поля, изменяющего поле центробежной силы инерции, причем величина и направление наведенного поля определяются амплитудой и фазой вибраций. Изобретение обеспечивает возможность эффективного оперативного управления распределением масс, скоростью теплопередачи и интенсивностью перемешивания неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах при помощи вибраций и может быть применено в химической промышленности, в частности для управления тепломассопереносом в химических технологических процессах. 3 ил.

 

Изобретение может быть применено в химической промышленности, в частности для управления тепломассопереносом в химических технологических процессах, протекающих во вращающихся контейнерах.

Известно, что вибрационное воздействие эффективно используется для управления процессами тепломассопереноса в неоднородных гидродинамических системах. Например, при помощи вибраций можно изменять свойства металла (патент RU 93044667). Вибрации облегчают выход газов из жидкого металла, способствуют образованию более однородной структуры металла и введению в металл различных порошковых добавок.

Другим примером является вибрационный экстрактор (патент RU 2082385), суть которого заключается в том, что колебательные воздействия на газожидкостную систему с частотой собственных колебаний дают положительный эффект при экстрагировании биологического сырья для получения лекарственных и других препаратов, выражающийся в увеличении выхода экстракта, его обогащения биологически активными компонентами сырья и получении в готовой потребительской форме.

В вышеназванных примерах неоднородные системы подвергаются вибрационному воздействию при отсутствии вращения. Существует ряд примеров, когда неоднородные среды испытывают одновременное влияние вибраций и вращения. К примеру, известен пульсационно-центробежный смеситель (патент RU 2379098), который относится к устройствам смешения гетерогенных сред при помощи мешалок, генерирующих совокупность двух полей - пульсационного и центробежного и позволяет за счет частичного преобразования вращательного движения мешалок в пульсации гетерогенной среды увеличить эффективность использования вводимой в аппарат энергии.

Известен роторный смеситель с механическим вибровозбудителем (патент RU 2297274), содержащий камеру смешивания, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, выполненный в виде тарельчатых пружин с резиновыми амортизаторами, и жестко закрепленный в середине камеры смешивания. Вибратор имеет кривошипно-шатунный механизм, с помощью которого тарельчатые пружины возбуждают колебания частиц в горизонтальном направлении. В смесителе имеется возможность регулировать интенсивность вибрации посредством изменения частоты вращения привода кривошипно-шатунного механизма.

Известно управляющее воздействие высокочастотных вибраций на неоднородные по плотности гидродинамические системы, когда осредненные массовые силы генерируются в результате нелинейных эффектов, связанных с колебаниями гидродинамической системы в осциллирующем силовом инерционном поле. Например, вибрационная тепловая конвекция (Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection (Гершуни Г.З., Любимов Д.В. Тепловая вибрационная конвекция). John Wiley & Sons. England. 1998. 358 р.), в том числе вибрационная тепловая конвекция во вращающихся системах (Козлов В.Г. Вибрационная тепловая конвекция во вращающихся полостях. Изв. РАН МЖГ. 2004. №1. С. 5-14), а также осредненные эффекты в колеблющихся многофазных системах (Любимов Д.В., Любимова Т.П., Черепанов А.А. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ. 2003. 216 с.).

Однако заявленное изобретение принципиально отличается от приведенных выше тем, что силовое поле, создаваемое во вращающейся системе в результате вибраций, не связано с колебаниями гидродинамической системы относительно контейнера, и оно определяет распределение неоднородной по плотности гидродинамической системы, в том числе конвекцию и теплоперенос. Важной особенностью является простота управления величиной и направлением поля за счет изменения амплитуды и фазы вибрационного воздействия.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в достижении эффективного вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами разной природы, неизотермическими однородными или многофазными, во вращающихся контейнерах.

Решение задачи достигается за счет того, что способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах заключается в вибрационном воздействии на вращающийся контейнер с неоднородной по плотности средой, причем циклическая частота вибраций равна угловой частоте вращения или отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину, а направление вибраций перпендикулярно оси вращения. Такие вибрации приводят к созданию статического или вращающегося в системе отсчета контейнера дополнительного наведенного силового поля, изменяющего поле центробежной силы инерции, причем величина и направление наведенного поля определяются амплитудой и фазой вибраций и могут оперативно изменяться. Посредством изменения циклической частоты вибраций относительно угловой частоты вращения покоя достигается вращение поля относительно полости.

Техническим результатом является эффективное управление распределением масс, скоростью теплопередачи и интенсивностью перемешивания неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах при помощи вибраций.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, 2 и 3), описание которых приводится ниже.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Контейнер произвольной формы (выберем для примера цилиндр кругового сечения радиусом R), заполненный неоднородными по плотности средами (твердые тела в жидкости, жидкость и газ, несмешивающиеся жидкости разной плотности, неоднородно нагретая жидкость), приводится во вращение вокруг заданной оси с угловой частотой Ωrot при помощи шагового двигателя. При вращении контейнера центробежное поле , где - радиус-вектор, перпендикулярный оси вращения контейнера, оказывает на систему стабилизирующее действие и приводит ее в состояние механического квазиравновесия, соответствующее центрифугированному состоянию, когда легкая среда находится у оси вращения, а тяжелая распределяется около стенки контейнера. На фиг. 1 показано поперечное сечение цилиндрического контейнера, заполненного жидкостью, в которую погружены «тяжелое» 1 и «легкое» 2 тела. «Легким» будем называть тело, плотность которого меньше плотности жидкости, а «тяжелым» - тело с плотностью, превышающей плотность жидкости. В центрифугированном состоянии легкое тело 1 радиусом R0 находится у оси вращения, а тяжелое тело 2 - у стенки контейнера. Для перехода гидродинамической системы в центрифугированное состояние во внешнем силовом поле (в поле силы тяжести) вращение должно быть достаточно быстрым. В условиях пониженной гравитации центрифугирование происходит при медленном вращении.

Система, находящаяся в состоянии квазиравновесия, подвергается поперечным оси вращения поступательным вибрациям с циклической частотой Ωvib при помощи механического либо электродинамического вибратора (фиг. 1, b - амплитуда вибраций, t - время, α - сдвиг по фазе, - единичный вектор, направленный вдоль оси вибраций). При условии, что циклическая частота вибраций Ωvib равна угловой частоте вращения Ωrot, вибрации приводят к формированию статического во вращающейся системе отсчета силового поля (далее будем называть его наведенным полем), где - единичный вектор, направленный вдоль наведенного поля. На фиг. 2 показаны центробежное и наведенное силовые поля в системе отсчета контейнера (во вращающейся системе отсчета). Направление в системе отсчета контейнера определяется разностью фаз между колебаниями контейнера в лабораторной системе отсчета и угловым положением контейнера и определяется выражением . Здесь - единичный вектор, направленный вдоль оси х, связанной с полостью декартовой системы координат, выбранной так, что ось z совпадает с осью вращения, а направление оси х отвечает условию . Наведенное поле нарушает симметрию центробежного силового поля. В результате происходит перераспределение масс в многофазной неоднородной по плотности системе: легкое тело смещается от оси вращения контейнера, а тяжелое тело занимает устойчивое положение у стенки контейнера в определенном месте, соответствующем минимуму потенциальной энергии. На фиг. 3 показано результирующее силовое поле при сложении наведенного и центробежного полей во вращающейся системе отсчета. Результирующее поле является осесимметричным, с осью О, смещенной от оси вращения на расстояние b/2. Величина смещения легкого тела равна b/2, т.е. возрастает с увеличением амплитуды вибраций. В случае b/2+R0>R легкое тело будет прилегать вплотную к стенке контейнера. Следовательно, изменяя амплитуду вибраций, можно перемещать легкое включение вдоль радиуса. В контейнере кругового сечения легкие и тяжелые включения смещаются в противоположные стороны от оси вращения. В контейнерах некругового сечения смещения включений помимо результирующего силового поля будут также зависеть от формы полости.

Изменение разности фаз α между колебаниями контейнера в лабораторной системе отсчета и угловым положением контейнера позволяет задавать направление наведенного силового поля в системе контейнера, а значит, азимутальное положение фазовых включений, т.е. позволяет переместить легкое фазовое включение (тело, жидкость, газ) по азимуту в нужную точку контейнера, а тяжелое фазовое включение переместить в одно из ее устойчивых положений вдоль периметра контейнера.

Если контейнер заполнен неоднородной неизотермической жидкостью, то наведенное силовое поле может быть использовано для интенсификации или подавления теплопереноса. Эффект будет зависеть от температурного распределения и фазы вибраций, то есть направления наведенного поля. С увеличением амплитуды вибраций воздействие будет усиливаться.

Если циклическая частота вибраций отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину ΔΩ=Ωvibrot (что соответствует изменению фазы колебаний со временем по закону α=ΔΩt), то наведенное силовое поле, возникающее под действием вибраций, медленно вращается относительно контейнера с угловой частотой |ΔΩ|. В зависимости от знака ΔΩ поле вращается либо в направлении вращения контейнера, при ΔΩ>0 (что соответствует опережающему вращению в лабораторной системе отсчета), либо в противоположном направлении, при ΔΩ<0 (соответствует отстающему вращению).

Описанные эффекты не связаны с полем силы тяжести и с успехом могут быть использованы в технологических процессах, проходящих в условиях невесомости.

Далее представлены конкретные примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Цилиндрический плексигласовый контейнер радиусом R=35 мм и длиной 280 мм заполняют водой и помещают в него легкое цилиндрическое тело радиусом R0=20 мм. Герметично закрытый контейнер закрепляют горизонтально на столике вибратора и приводят во вращение с угловой скоростью Ωrot при помощи шагового двигателя. После центрифугирования системы, когда легкое тело занимает устойчивое положение на оси вращения под действием центробежной силы, столику, на котором закреплен контейнер, сообщают поперечные оси вращения вибрации с циклической частотой Ωvib. Вибрации сообщают при помощи механического вибратора, задающего поступательные вибрации в горизонтальном направлении. Частоту и амплитуду вибраций изменяют в диапазоне: ƒvib≡Ωvib/2π=2-5, b=1-40 мм. Опыты проводят при различных значениях скорости вращения ƒrot≡Ωrot/2π=3 и 4 об/с. При равенстве частот Ωvib и Ωrot тело смещается от оси вращения контейнера и занимает статическое в системе отсчета полости положение. Величина смещения тела зависит от амплитуды вибраций и равна b/2, т.е. возрастает с увеличением b. При амплитудах, превышающих 30 мм, т.е. когда b/2+R0>R, легкое тело вплотную прилегает к стенке контейнера.

Если циклическая частота вибраций отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину (2-3%), то тело совершает круговое движение с частотой ΔΩ=Ωvibrot, в системе отсчета полости. При Ωvibrot>0 направление азимутального движения тела в системе отсчета полости совпадает с направлением вращения полости в лабораторной системе отсчета, то есть тело совершает опережающее азимутальное перемещение. Область отрицательных значений ΔΩ соответствует отстающему движению тела.

Пример 2. Рассмотрим герметичный цилиндрический плексигласовый контейнер радиусом R=18 мм и длиной 187 мм, заполненный водным раствором медного купороса (для обеспечения внутреннего разогрева жидкости при прохождении через жидкость электрического тока; напряжение подводится к электропроводным фланцам). Боковая граница контейнера поддерживается при постоянной температуре за счет обдува воздухом или орошения термостатированной жидкостью. Контейнер располагают горизонтально, жестко закрепляют на столике вибратора и приводят в относительно быстрое вращение. Скорость вращения Ωrot задается при помощи шагового двигателя. Затем через жидкость пропускают переменный электрический ток промышленной частоты, задающий мощность внутреннего тепловыделения. После установления в системе стационарного распределения температуры столику, на котором закреплен контейнер, сообщают поперечные оси вращения горизонтальные поступательные вибрации с циклической частотой Ωvib при помощи механического вибратора. Частоту и амплитуду вибраций изменяют в диапазоне: ƒvib≡Ωvib/2π=2-5 Гц, b=1-30 мм. Опыты проводят при скорости вращения ƒrot≡Ωrot/2π=2, 3 и 4 об/с.

При быстром вращении под действием центробежной силы в полости устанавливается осесимметричное температурное распределение с максимумом на оси вращения. При этом жидкость находится в состоянии устойчивого равновесия в осесимметричном поле центробежной силы. В области частот Ωvib, отличных от Ωrot более чем на 5%, конвекция в полости отсутствует, вибрации не оказывают влияния на теплоперенос, температура жидкости на оси Т соответствует теплопроводному режиму теплопереноса и практически не изменяется с частотой вибраций. Вибрации оказывают значительное влияние на состояние неизотермической жидкости в узкой области частот, близких к частоте вращения. Температура жидкости на оси Т значительно уменьшается в этой области, что свидетельствует о возникновении конвективных течений. Конвекция связана с генерацией в полости наведенного поля , которое приводит к нарушению симметрии центробежного поля. В рассмотренной постановке центробежное силовое поле в отсутствие вибраций отвечает условию равновесия осесимметричного температурного распределения. В зависимости от величины наведенного поля температура Т может понизиться в несколько раз, что соответствует повышению интенсивности теплопереноса также в несколько раз.

Таким образом, при помощи вибраций, за счет изменения частоты и амплитуды при заданной угловой частоте вращения контейнера, можно управлять распределением масс, скоростью теплопередачи, а также обеспечивать перемешивание неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах.

Способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах, характеризующийся тем, что на вращающийся контейнер с неоднородной по плотности средой воздействуют поперечными оси вращения вибрациями с циклической частотой, равной угловой частоте вращения или отличающейся от угловой частоты вращения на небольшую величину, которые приводят к созданию статического или вращающегося в системе отсчета контейнера дополнительного наведенного силового поля, изменяющего поле центробежной силы инерции, причем величина и направление наведенного поля определяются амплитудой и фазой вибраций.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для приготовления растворов и бетонных смесей. В спиральном бетоносмесителе, содержащем корпус, размещенный на станине посредством введенной в устройство платформы с пневмобаллонами, загрузочное и разгрузочное приспособления, корпус жестко закреплен на платформе с вибратором, смонтированным горизонтально под платформой, и выполнен спиральным из пустотелого тоннеля с многозаходной винтовой поверхностью по периметру, свернутого по спиральной оси 01-01 вокруг центральной прямолинейной оси 02-02 спирального корпуса, снабженного винтовыми канавками внутри под углом к его спиральной оси в виде карманов треугольной формы, расположенных попеременно внутри и снаружи поперечного сечения пустотелого тоннеля, и собран из секций в виде одинаковых по форме и размерам колец, свернутых из одинаковых полос ромбовидной формы, на которых размещены трапеции, боковые стороны которых расположены на боковых сторонах ромбовидной полосы, а верхние и нижние основания трапеций расположены под острым углом к оси симметрии ромбовидной полосы O3-O3 и являются линиями сгиба, находящимися на расстояниях друг от друга, равных длине карманов треугольной формы по внутренней поверхности пустотелого тоннеля спиральной формы, при этом секции в виде колец соединены друг с другом боковыми сторонами трапеций.

Изобретение относится к получению эмульсий с заданной концентрацией компонентов, для увеличения содержания светлых фракций в нефтепродуктах, и может быть использовано в топливной, энергетической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Изобретение предназначено для применения в химической промышленности, агропромышленном комплексе, производстве строительных материалов и других отраслях промышленности.

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для смешивания многофазного флюида, а также к устройству и способу для измерения физических свойств многофазного флюида и может использоваться в нефтедобыче, например при разработке тяжелой нефти (т.е.

Изобретение относится к устройствам для приготовления лакокрасочной продукции во встряхивающих, качающихся и вибрирующих устройствах и может быть применено в лакокрасочной промышленности.

Изобретение относится к устройствам для приготовления лакокрасочной продукции во встряхивающих, качающихся и вибрирующих устройствах и может быть применено в лакокрасочной промышленности.

Изобретение относится к устройствам для приготовления лакокрасочной продукции во встряхивающих, качающихся и вибрирующих устройствах и может быть применено в лакокрасочной промышленности.

Настоящее изобретение относится к устройству для предварительной подготовки нефти к переработке, включающее емкость для нефти, соединенную посредством насоса и двухпозиционного клапана с вихревой трубой, содержащей входное и выходное устройства, при этом устройство дополнительно содержит резервуар с водой, соединенный посредством насоса и двухпозиционного клапана с входным устройством вихревой трубы, выходное устройство которой соединено с резервуаром для нефти через параллельно установленные первый и второй гидродинамические акустические преобразователи с двухпозиционными клапанами, при этом входное и выходное устройства выполнены в виде тангенциальных сопел.

Изобретение относится к устройствам для приготовления лакокрасочной продукции во встряхивающих, качающихся и вибрирующих устройствах и может быть применено в лакокрасочной промышленности.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания бетонной смеси и может быть использовано в промышленности строительных материалов, в строительстве и других областях строительной индустрии для производства многокомпонентных смесей.

Изобретение относится к устройствам для приготовления лакокрасочной продукции и может быть применено в лакокрасочной промышленности. Установка для приготовления краски содержит смеситель, привод, загрузочное и разгрузочное приспособления, смеситель выполнен в виде установленного наклонно цилиндра под углом γ относительно горизонтальной оси вращения смесителя с плоскими торцевыми стенками эллиптической формы, размещенными перпендикулярно или под различными углами β и ψ к оси вращения и друг к другу под углом φ, при этом оси больших диаметров эллипсов, расположенных у загрузочной и разгрузочных цапф, по оси вращения смесителя совпадают, причем по всей длине смесителя по его оси вращения смонтирована пружина с плоским сечением витков выпуклой формы, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия и смонтирована таким образом, что малые диаметры пружины выпуклой формы размещены внутри загрузочной и разгрузочной цапф. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей, упрощение изготовления и повышение производительности. 4 ил.
Наверх