ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к устройствам для обработки материалов, в частности к физико-химическому реактору (далее ФХР) с вихревым слоем, который может использоваться в областях энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и в других областях промышленности для активации процессов обработки материалов, а также для обработки различных жидких сред, в частности для очистки промышленных и бытовых стоков.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Практически все известные аппараты с вихревым слоем и их модификации состоят из внешнего кольцевого индуктора, генерирующего вращающееся электромагнитное поле (далее ЭМП), в полость которого вставлена труба из немагнитного материала, во внутренней полости которой, представляющей собой рабочую зону с повышенными значениями индукции ЭМП, находится дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц, являющееся аналогом  сплошного рабочего тела, такого как, например, ротор асинхронного двигателя или сплошной сердечник. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы вызывает интенсивное вращательное и поступательное движение указанных частиц, образующих так называемый «вихревой слой», взаимодействие с которым существенно влияет на обрабатываемую среду, пропускаемую через трубу. Под воздействием ЭМП и вихревого слоя в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде проявляются явления магнитострикции ферромагнитных частиц, кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.
Известно устройство для обработки материалов (Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Изд. "Техника", 1976 – [1]), представляющее собой корпус в виде полого цилиндра из немагнитного материала, помещённый внутрь индуктора. Индуктор создает вращающееся ЭМП. Внутрь корпуса полого цилиндра плотно вставлена цилиндрическая втулка из немагнитного материала, являющаяся реакционной камерой устройства, внутри которой находятся ферромагнитные частицы. Под действием вращающегося ЭМП ферромагнитные частицы, выполненные в виде тонких цилиндрических стержней, в качестве которых часто используется рубленая проволока, гвозди и т.п., вращаются в реакционной камере устройства вокруг своей поперечной оси, следуя за вращением силовых линий создаваемого индуктором ЭМП, в плоскости, нормальной к оси реакционной камеры, и поступательно перемещаются по круговым траекториям вокруг продольной оси реакционной камеры, образуя, тем самым, облако или рой интенсивно движущихся в пространстве реакционной камеры ферромагнитных частиц, называемые вихревым слоем.
Как было установлено самими авторами документа [1], многочисленные ударные воздействия ферромагнитных частиц о стенки вставной втулки приводят к её быстрому разрушению вплоть до возникновения в ней сквозных отверстий уже всего через 200-1000 часов работы устройства, что требует частой периодической замены вставной втулки, которая выполняет роль защиты корпуса индуктора. Однако, распространение при этом ударно-вибрационных воздействий ферромагнитных частиц на корпус устройства и далее на полюса и обмотки индуктора ведёт к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая срок службы индуктора и устройства в целом.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели может быть выбран аппарат активации процессов для обработки материалов, известный из RU 2170707 [2].
Известное из [2] устройство для обработки материалов содержит трубчатую рабочую камеру с охватывающим ее индуктором вращающегося ЭМП. Рабочая камера снабжена сменной вставкой, в которой находятся ферромагнитные частицы, и подвижной решёткой с толкателем, которая изменяет величину объема реакционной зоны аппарата.
В указанном аппарате, как и в устройстве, известном из [1], многочисленные удары ферромагнитных частиц о стенки сменной вставки, плотно вставленной в трубчатую рабочую камеру устройства, передаются в виде ударно-вибрационных воздействий на корпус камеры и далее на полюса и обмотки охватывающего её индуктора, приводя к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая тем самым срок службы индуктора и устройства в целом.
Таким образом, актуальной является проблема повышения ресурса известных устройств для обработки материалов, выполненных в виде ФХР с вихревым слоем.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение долговечности ФХР.
Указанный технический результат достигается тем, что в физико-химическом реакторе с вихревым слоем, содержащим трубчатую рабочую камеру из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи индуктором вращающегося ЭМП, в которую помещена трубчатая вставка из немагнитного материала для размещения дискретного рабочего тела в виде множества ферромагнитных частиц, между трубчатой рабочей камерой и трубчатой вставкой предусмотрено средство демпфирования, предназначенное для гашения ударно-вибрационных воздействий частиц, возникающих от соударений ферромагнитных частиц с внутренней поверхностью корпуса вставки и, соответственно, предотвращения их передачи на корпус рабочей камеры и, тем самым, на полюса и обмотки индуктора ЭМП.
В одном из вариантов реализации полезной модели средство демпфирования выполнено в виде кольцевой демпферной прокладки.
В одном из вариантов реализации полезной модели средство демпфирования содержит несколько кольцевых демпферных прокладок, распределенных по длине сменной вставки.
В одном из вариантов реализации полезной модели кольцевая демпферная прокладка выполнена в виде упруговязкого кольцевого элемента.
В одном из вариантов реализации полезной модели средство демпфирования выполнено в виде упруговязких подвесов, расположенных между трубчатой вставкой и рабочей камерой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР с вихревым слоем для активации процессов обработки материалов,
где 1 – индуктор, 2 – корпус индуктора, 3 - трубчатая рабочая камера, 4 – трубчатая вставка, 5 – ферромагнитные частицы, 6 – демпферная прокладка, 7 – упоры вставки, 8 – решётки для удержания ферромагнитных частиц.
На фиг. 2 изображена удерживающая решётка.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую рабочую камеру 3, называемую также рабочей трубой, из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 индуктора и обмотками, в которую помещена трубчатая вставка 4 из немагнитного материала с установленными внутри нее торцевыми удерживающими решётками 8. Во внутренней полости вставки 4, образующей реакционную камеру ФХР, расположено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5, выполненных в виде удлинённых цилиндрических стержней и удерживаемых в полости указанной вставки 4 и в активной рабочей зоне индуктора удерживающими решётками 8. Дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа, в частности перемешивающего или измельчающего/размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Внутренняя поверхность трубчатой рабочей камеры 3 снабжена упорами 7 для упирания в них вставки 4, предотвращающими вынос вставки 4 из корпуса индуктора потоком обрабатываемой среды.
Между внутренней поверхностью трубчатой рабочей камеры 3 и наружной поверхностью трубчатой вставки 4 установлено средство демпфирования, выполненное в виде трубы или одного, или нескольких замкнутых кольцевых фрагментов трубы с образованием кольцевых демпферных прокладок 6, плотно охватывающих трубчатую вставку и изготовленных, например, из упруговязкого вспученного полимера, обладающего амортизационными свойствами.
Трубчатая, в частности цилиндрическая, вставка 4 вставлена в рабочую камеру 3 в направлении потока рабочей среды до кольцевого упора 7 с плотным охватыванием вставки без зазора внутренней поверхностью кольцевых демпферных прокладок 6, которые своей наружной поверхностью, в свою очередь, плотно прилегают к внутренней поверхности рабочей камеры.
При  работе ФХР внутренняя поверхность цилиндрической оболочки (стенки) вставки 4 подвергается многочисленным ударам и  воздействию сил трения со стороны, интенсивно движущихся и сталкивающихся с ней ферромагнитных частиц 5, приводящим  к вибрациям оболочки вставки 4. Демпферная прокладка 6 гасит такие ударно-вибрационные колебания оболочки вставки 4 и блокирует их передачу на стенки рабочей камеры 3 и тем самым на полюса индуктора 1 и его обмотку, продлевая этим эксплуатационную долговечность работы индуктора 1 и реактора в целом.
Плотное без зазора расположение вставки 4 в рабочей камере 3 с помощью кольцевых демпферных прокладок 6 также не позволяет обрабатываемой текучей среде, поступающей в рабочую камеру 3, обтекать вставку 4 снаружи и способствует обработке ферромагнитными частицами 5 всего объёма обрабатываемой среды, поток которой проходит, таким образом, только через реакционную камеру внутри вставки 4. Тем самым, кольцевая демпферная прокладка 6 выполняет также функцию уплотнения.
В предлагаемом устройстве может быть предусмотрена только одна демпферная прокладка 6, расположенная выше по потоку относительно направления потока рабочей среды, обозначенного стрелкой на фиг. 1 и изображенная на фиг. 1 слева. В одном из вариантов реализации полезной модели может быть предусмотрено несколько кольцевых демпферных прокладок 6, распределенных вдоль продольной оси по наружной поверхности трубчатой вставки 4 и, соответственно, внутренней поверхности рабочей камеры 3. На фиг. 1 показано размещение двух кольцевых демпферных прокладок 6, расположенных вблизи каждого из концов вставки 4.
В одном из вариантов реализации средство демпфирования может быть также выполнено в виде упруговязких элементов, в частности пружинно-амортизационных подвесов, расположенных между вставкой 4 и рабочей камерой 3 и распределенных как в окружном направлении, так и по длине вставки 4, посредством которых вставка 4 подвешена относительно внутренней поверхности рабочей камеры 3. Упруговязкие элементы могут быть выполнены, например, в виде вязкого тела, в частности вязкой жидкости, и упругих пружинных элементов,  расположенных между трубчатой вставкой и рабочей камерой. При этом уплотнение полости (зазора), образованной между внутренней поверхностью рабочей камеры 3 и наружной поверхностью вставки 4 с целью предотвращения попадания в него обрабатываемой среды, а также вытекания из него вязкой жидкости, может быть реализовано посредством отдельного уплотнительного элемента (не показан), выполненного, например, в виде упругой кольцевой мембраны.
Работает ФХР по настоящей полезной модели следующим образом. Обмотка электромагнитного индуктора 1, подключенного к сети переменного тока, создает в рабочей зоне 3 индуктора 1 вращающееся магнитное поле.
Обрабатываемая среда, поступающая в реакционную камеру трубчатой вставки 4 с находящимися в ней ферромагнитными частицами 5, проходит через расположенные внутри вставки 4 торцевые решётки 8, удерживающие ферромагнитные частицы от уноса потоком обрабатываемой среды. Ограничительные упоры 7 препятствуют выносу вставки 4 потоком обрабатываемой текучей среды из зоны рабочей камеры 3. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 5, размещенные в реакционной камере вставки 4, приводит их к интенсивному вращению и поступательному круговому движению, что образует вихревой слой ферромагнитных частиц, создающий турбулентность жидкости. Кроме того, в ферромагнитных частицах удлинённой формы возникает магнитострикция и электрическая поляризация, совместное действие которых вызывает в обрабатываемой среде кавитацию, распространение акустических волн и электролиз. Всё это, в свою очередь, приводит к размолу твёрдых частиц и примесей в обрабатываемой среде, ее интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации химических реакций, коагуляции, флокуляции, что, в частности, способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости. Размещение кольцевой демпферной прокладки 6 по настоящей полезной модели между вставкой 4 и рабочей камерой 3 ФХР, с одной стороны, не позволяет обрабатываемой среде обтекать вставку 4 снаружи и обеспечивает, таким образом, уплотнение для обеспечения обработки ферромагнитными частицами 5 всего объёма обрабатываемой рабочей среды, а также демпфирует ударно-вибрационные воздействия ферромагнитных частиц 5 на внутреннюю поверхность оболочки вставки 4, и тем самым, на корпус 2 индуктора 1 и ФХР в целом, существенно повышая срок его службы, в частности, интервал между заменами вставки 4.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эксплуатационную долговечность ФХР за счет эффекта демпфирования ударно-вибрационных воздействий ферромагнитных частиц на корпус устройства и существенно повысить его эксплуатационный ресурс.