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 и, 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 электродвигателя 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 поля в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде проявляются явления магнитострикции и 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], стр.66,71), представляющее собой корпус в виде полого цилиндра из немагнитного материала, помещённый внутрь индуктора, создающего вращающееся ЭМП. Активная зона корпуса с повышенными значениями ЭМП является рабочей реакционной камерой устройства, в которой находятся ферромагнитные частицы. Под действием вращающегося ЭМП ферромагнитные частицы, выполненные в виде тонких цилиндрических частиц, 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 продольной оси реакционной камеры, и поступательно перемещаются по круговым траекториям вокруг её продольной оси, образуя тем самым облако или рой интенсивно движущихся в пространстве реакционной камеры ферромагнитных частиц, называемые вихревым слоем.
Как было установлено самими авторами известного из [1] устройства, распределение плотности ферромагнитных частиц по радиусу реакционной камеры неравномерно. Так, например, на расстоянии от продольной оси камеры от 0 до 0,2R, где R – радиус внутренней цилиндрической полости камеры, плотность распределения частиц вдоль оси камеры практически равна нулю. Это означает, что подаваемое в рабочую зону на обработку вещество, например, текучая среда, в цилиндрическом слое вдоль продольной оси рабочей камеры диаметром примерно 0,2D, где D-диаметр рабочей камеры, практически не обрабатывается ферромагнитными частицами, т.е. там образуется так называемая «мёртвая зона».  Этот эффект наглядно виден на демонстрационной установке АВС (аппарат вихревого слоя) на видео: https://www.youtube.com/watch?v=zGbdymDgJ6o.
Таким образом, в указанном устройстве теряется равномерность распределения и воздействия ферромагнитных частиц на обрабатываемое вещество и, как следствие, снижается эффективность его обработки.  Кроме того, при повышенной плотности распределения ферромагнитных частиц в рабочей зоне в известном устройстве возникает проблема их залипания и заклинивания, что дополнительно снижает эффективность обработки вплоть до её  прекращения.
Известное из RU 2524727 [2] устройство содержит рабочую камеру в виде трубы с находящимся в ней дискретным рабочим телом в виде множества ферромагнитных частиц, окруженную снаружи индуктором вращающегося ЭМП. В активной зоне рабочей трубы установлен сменный цилиндрический картридж из немагнитного материала, являющийся реакционной камерой, закрытый с торцов вихревыми диффузорами с лопастями, перекрывающими друг друга. Во внешнем цилиндре картриджа предусмотрены вставки из ферромагнитного материала, а внутри цилиндра сменного картриджа установлен стержень, а картридж выполнен с возможностью вращения относительно стенок рабочей камеры.
В известном из [2] устройстве диаметр стержня (втулки), установленного внутри сменного картриджа, предлагается подбирать таким образом, чтобы ферромагнитные частицы распределялись в рабочей зоне с наибольшим значением величины магнитной индукции.  Однако эта зона с максимальной величиной индукции во внутренней полости расточки индуктора является в известном устройстве слишком узкой и находится по существу у внутренней поверхности цилиндра картриджа, что не позволяет согласно такой рекомендации выбрать величину стержня разумной толщины, с учётом необходимой производительности аппарата. Кроме того, из-за того, что ферромагнитные частицы вращаются вокруг своей оси и одновременно совершают круговые перемещения вокруг продольной оси  камеры, плотность их распределения по радиусу камеры не совпадает с интенсивностью распределения магнитной индукции из-за воздействия инерционных сил, поэтому выбор толщины стержня в рассмотренном устройстве не позволяет определить размерные параметры стержня картриджа для обеспечения оптимальной степени обработки вещества, кроме его длины, которая обоснованно выбирается по длине активной зоны рабочей камеры.
Кроме того, в известном из [2] устройстве за счёт наличия в картридже внутреннего стержня, сужается пространство распределения ферромагнитных частиц в активной зоне, находящихся между стержнем и цилиндром картриджа. Совместное вращение картриджа со стержнем в потоке вещества не меняет стеснённых условий для движения ферромагнитных частиц, приводящих  к  их слипанию, комкованию и заклиниванию. Поэтому для обеспечения устойчивого процесса обработки вещества при известной конструкции картриджа количество ферромагнитных частиц приходится сокращать, а это, в свою очередь, снижает эффективность обработки предложенного устройства.
Кроме того, для вращения картриджа в рабочей трубе между ней и картриджем необходимо обеспечить достаточный зазор. Однако, при увеличенном зазоре значительный часть потока жидкости, предназначенной для обработки в вихревом слое реакционной камеры, обтекает картридж снаружи, оставаясь необработанной вихревым слоем, что существенно снижает эффективность и качество её обработки. При уменьшенном же зазоре, как правило, загрязнённая различными примесями текучая среда забивает узкое пространство зазора своими включениями, что приводит к заклиниванию вращения картриджа, и как следствие, к перегреву и выходу из строя обмоток индуктора.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран аппарат активации процессов для обработки материалов, известный из RU 2170707 [3].
Известный из [3] аппарат для обработки материалов содержит трубчатую реакционную камеру с охватывающим ее индуктором вращающегося ЭМП. Реакционная камера снабжена подвижной решёткой с толкателем, которая при своем перемещении изменяет величину объема рабочей зоны аппарата, и полой трубкой с заваренным торцом, расположенной вдоль продольной оси рабочего пространства и имеющей площадь поперечного сечения, равную от 10 до 40% от площади поперечного сечения рабочей зоны аппарата, причем внутри полой трубки расположен нагреватель или охлаждающее устройство, а трубка имеет возможность возвратно-поступательного движения вдоль оси рабочего пространства реакционной камеры.
1
1
1
Полая трубка с заваренным торцом устройства [3], расположенная вдоль оси рабочего пространства и имеющая площадь поперечного сечения, равную 10 - 40% от площади поперечного сечения рабочей камеры аппарата, что в пересчёте на ее диаметр составляет от 0,32 до 0,63 от диаметра Dрабочей камеры, с большим запасом перекрывает  «мертвую» зону, т.е. необрабатываемую ферромагнитными частицами центральную часть рабочей камеры, что способствует обработке всего пропускаемого через рабочую камеру  вещества. Однако указанная полая трубка введена авторами устройства [3] с другой целью, а именно с целью размещения в ней нагревательного или охлаждающего элемента для регулирования температуры протекающих в рабочей камере реакций. Именно поэтому требовалась наибольшая площадь соприкосновения поверхности полой трубки с обрабатываемой средой для эффективного изменения температуры указанной среды. Указанное предназначение трубки обусловило требование обеспечения поперечного сечения полой трубки не менее 10% от площади поперечного сечения рабочей камеры, что в пересчёте на диаметр D рабочей камеры составляет не менее 0,32D.
Однако помещение полой трубки в реакционную камеру устройства, известного из [3], существенно сужает поперечное сечение и, соответственно, площадь зоны активной обработки текучей среды ферромагнитными частицами в пространстве между полой трубкой и внутренней поверхностью реакционной камеры. Это приводит к преждевременному слипанию, комкованию и заклиниванию ферромагнитных частиц в условиях стеснённой рабочей зоны, и, соответственно, преждевременному выходу аппарата из строя, или к необходимости снижения их количества в рабочей зоне для предотвращения слипания ферромагнитных частиц, что вызовает снижение эффективности обработки.
Таким образом, является актуальной проблема повышения эффективности и надёжности работы ФХР.
Выявленные недостатки конструкций в известных устройствах [1], [2] и прототипе [3] предлагается устранить с помощью ФХР согласно предлагаемой полезной модели.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности и качества обработки текучих сред в ФХР.
Указанный технический результат достигается физико-химическим реактором (ФХР) с вихревым слоем, который содержит трубчатую реакционную камеру из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц с охватывающим ее индуктором вращающегося ЭМП.
Внутри реакционной камеры установлен немагнитный стержень, выполненный с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, при этом толщина внутреннего стержня составляет от 0,1 до 0,3 от внутреннего диаметра реакционной камеры.
В одном из вариантов реализации полезной модели стержень предпочтительно имеет толщину от 0,15 до 0,25, и наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,25 от внутреннего диаметра реакционной камеры.
В одном из вариантов реализации полезной модели стержень закреплён соосно оси реакционной камеры с возможностью вращения от внешнего привода.
В одном из вариантов реализации стержень установлен с возможностью вращения на подшипниках.
Сущность предлагаемой полезной модели  заключается в том, что независимое, в частности непрерывное, вращение внутреннего стержня относительно неподвижной реакционной камеры во время обработки текучей среды ферромагнитными частицами препятствует их слипанию, комкованию и заклиниванию в рабочей зоне между стержнем и стенками реакционной камеры, что позволяет увеличить количество используемых частиц в рабочей зоне и повысить плотность их распределения по реакционной камере, что, в свою очередь, повышает эффективность работы ФХР по обработке потока текучей среды.
Кроме того, как было установлено авторами полезной модели, оптимальная толщина, в частности диаметр, внутреннего стержня находится в диапазоне от 0,1 до 0,3, предпочтительно в диапазоне от 0,15 до 0,25, и наиболее предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 0,25 от внутреннего диаметра реакционной камеры. Указанные значения толщины обусловлены необходимостью эффективного перекрытия «мёртвой зоны» обрабатываемого потока, и, в то же время,  обеспечения наиболее широкой рабочей зоны для вращения и перемещения ферромагнитных частиц вихревого слоя.
Использование в реакционной камере обтекаемого потоком обрабатываемой текучей среды вращающегося внутреннего стержня по настоящей полезной модели, имеющего диаметр от 0,1 до 0,3 от внутреннего диаметра реакционной камеры, позволяет эффективно перекрывать «мёртвую зону» реакционной камеры, а также препятствует слипанию частиц и способствует полной обработке среды ферромагнитными частицами, что повышает качество и/или эффективность обработки текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР,
где 1 – индуктор, 2 – корпус индуктора, 3 – реакционная камера, 4 – стержень, 5 –ферромагнитные частицы, 6 – подшипники, 7 – крепление подшипника стержня, D – внутренний диаметр реакционной камеры, d – диаметр стержня.
На Фиг. 2 изображена удерживающая решетка,
где 6 – подшипник, 7 – крепление подшипника стержня, 8 –удерживающая решетка.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую, предпочтительно цилиндрическую, реакционную камеру 3, из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 и обмотками, и с установленными внутри нее торцевыми удерживающими решётками 8. В реакционной камере 3 заключено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5 в виде удлиненных стержней, удерживаемых в рабочей зоне реакционной камеры решётками 8. Дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа, в частности перемешивающего или измельчающего/размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Внутри реакционной камеры 3, предпочтительно соосно ее продольной оси, закреплён внутренний немагнитный стержень 4, выполненный с возможностью осевого вращения, предпочтительно, от внешнего привода вокруг своей продольной оси и, соответственно, продольной оси реакционной камеры, причем стержень имеет толщину, равную от 0,1 до 0,3, предпочтительно от 0,15 до 0,25, и наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,25 от внутреннего диаметра D реакционной камеры.
Под толщиной стержня 4 понимается его максимальная толщина в плоскости, перпендикулярной его продольной оси. В случае выполнения стержня 4 в виде цилиндра, толщиной стержня 4 будет являться диаметр d цилиндра стержня 4.
Немагнитный стержень 4 предпочтительно приводится во вращение внешним приводом. Такой внешний привод может быть реализован, например, посредством выполнения ферромагнитных вставок в поверхности стержня 4, которые под воздействием вращающегося ЭМП будут способствовать вращению стержня 4 относительно стенок реакционной камеры 3, или посредством лопастей пропеллерного типа, размещённых на стержне 4 вне рабочей зоны реакционной камеры 3, которые будут способствовать вращению стержня 4 под воздействием потока обрабатываемой текучей среды, или посредством электродвигателя или любого другого устройства внешнего привода. Управляемый внешний привод может, например, придавать вращению внутреннего стержня 4 различную скорость и направление.
Работает ФХР следующим образом. Магнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в реакционной камере 3 вращающееся ЭМП. Ферромагнитные частицы 5, помещенные в реакционную камеру 3 и удерживаемые от уноса из реакционной камеры потоком обрабатываемой среды решетками 8, под воздействием вращающегося ЭМП совершают интенсивное движение в обрабатываемой среде. Внутренний стержень 4 принудительно вращается в реакционной камере 3 вокруг своей оси на подшипниках 6, установленных в решетках 8 на креплениях 7. Благодаря выполнению диаметра стержня 4 величиной от 0,1 до 0,3 от внутреннего диаметра реакционной камеры позволяет эффективно перекрывается «мёртвая зона» реакционной камеры, а также предотвращается слипание ферромагнитных частиц, что способствует полной обработке среды ферромагнитными частицами и повышает качество и/или эффективность ее обработки.
Обрабатываемая текучая среда, поступающая в реакционную камеру 3, направление потока которой показано стрелкой на фиг. 1, проходит через решетки 8, расположенные с торцов рабочей зоны реакционной камеры 3. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 5, размещенные в реакционной камере картриджа 3, 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, интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации химических реакций, коагуляции, флокуляции, что, в частности, способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости. Принудительное вращение внутреннего стержня 4 предотвращает слипание, комкование и заклинивание ферромагнитных частиц 5 в реакционной камере 3.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность и качество обработки текучих сред в ФХР.