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 области 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 и кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели рассматривается реактор вихревого электромагнитного слоя, известный из RU 2669274 [1].
Известный реактор содержит соединенную с насосом рабочую зону с рабочим телом в виде ферромагнитных иголок внутри и наружным электромагнитным индуктором и выполнен в виде съемного картриджа из немагнитного металла или полимерного материала. В центральной части картриджа установлен патрубок подачи жидкости, соединенный с установленными по концам рабочей зоны перфорированными решетками. Корпус картриджа выполнен в виде трубы, на одном из торцов которой установлена крышка, а второй торец соединен с патрубком с клиновым устройством, расположенным коаксиально относительно центрального патрубка. Реактор снабжен стыковочным узлом, соединенным с картриджем клиновым затвором и с центральным патрубком картриджа, соединенным с насосом, и снабжен патрубком сброса обработанной жидкости.
Однако, многочисленные ударные воздействия ферромагнитных частиц друг о друга и о стенки картриджа при работе реактора приводят к их быстрому истиранию и разрушению стенок картриджа, что требует частой периодической замены картриджа вместе с ферромагнитными частицами. При этом распространение ударно-вибрационных воздействий на корпус реактора и далее на полюса и обмотки индуктора ведет к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая срок службы индуктора и устройства в целом.
Кроме того, различные текучие среды при их физико-химической обработке в ФХР обычно подаются в рабочую зону в широком диапазоне температур от экстремально низких до экстремально высоких. При этом, поскольку цилиндрическая немагнитная труба картриджа, в которой находится рабочая зона, практически примыкает в [1] к стенкам внутренней полости индуктора, то индуктор также испытывает прямые температурные воздействия со стороны обрабатываемой среды, которые приводят к повреждению, прежде всего, его обмоток, и выходу их из строя.
Кроме того, поступающая по патрубку подачи обрабатываемая среда ударяется в крышку картриджа и меняет при этом направление течения на противоположное, обтекая патрубок подачи снаружи и проходя через рабочую зону картриджа в обратном направлении. Поэтому при запуске насоса подачи жидкости возникает риск гидроудара с разрушением установки, а поворот потока жидкости в обратном направлении за счет удара жидкости в крышку картриджа существенно повышает гидродинамическое сопротивление потоку и увеличивает нагрузку на насос и, соответственно, энергопотребление, что приводит к быстрому износу насоса или к необходимости использования насоса повышенной мощности с большим потреблением электроэнергии.
Кроме того, конструкция картриджа в [1] является сравнительно сложной и дорогостоящей, поскольку включает в себя наружную трубу, внутренний патрубок подачи, крышку с узлом крепления и воздушным клапаном, ферромагнитные частицы, торцевые решетки с креплениями к наружной трубе и к подающему патрубку и стыковочный узел с креплением. Частая замена такого картриджа приводит к значительным материальным затратам.
Таким образом, актуальной является проблема повышения долговечности и надежности работы ФХР в целом и снижения его эксплуатационных затрат.
Указанные недостатки прототипа [1] предлагается устранить с помощью ФХР согласно предлагаемой полезной модели.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение долговечности и надежности работы ФХР, а также снижение эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в ФХР с вихревым слоем, содержащем индуктор вращающегося электромагнитного поля, в кольцевой полости которого установлена трубчатая реакционная камера с дискретным рабочим телом в виде ферромагнитных частиц, выполненная в виде съемного картриджа из немагнитного материала, причем картридж размещен в полости индуктора с кольцевым воздушным зазором.
Для обеспечения максимальной эффективности работы ФХР желательно обеспечение минимальной величины зазора между реакционной камерой и индуктором, т.е. между наружной поверхностью реакционной камеры и внутренней поверхностью (стенками) полости индуктора, но достаточной для того, чтобы компенсировать возможное температурное расширение камеры и амплитуду ее механических вибраций для предотвращения передачи ударно-вибрационных и термических воздействий с корпуса реакционной камеры на корпус индуктора при работе ФХР. В одном из вариантов реализации зазор имеет по существу кольцевую форму, а величина указанного кольцевого зазора составляет не менее 2 мм.
Предпочтительно наружный диаметр картриджа выполнен меньше диаметра кольцевой полости индуктора на величину, по существу равную удвоенной величине требуемого зазора.
В одном из вариантов реализации концы картриджа выполнены с возможностью их соединения быстроразъемными трубными соединениями с проточной трубой обрабатываемой текучей среды. Быстроразъемные соединения также позволяют производить, в случае необходимости, оперативную замену картриджа целиком. При этом наличие воздушного кольцевого зазора облегчает механический процесс замены картриджа.
Сменный картридж, предпочтительно выполнен из износостойкого материала, и в случае износа его внутренней поверхности и/или истирания ферромагнитных частиц может быть целиком оперативно заменен на новый, что повышает надежность работы ФХР и упрощает его эксплуатацию. Кроме того, использование сменного картриджа позволяет применять ферромагнитные частицы различных размеров при обработке различных сред.
Кроме того, проходя через ФХР согласно настоящей полезной модели, поток обрабатываемой жидкости при предложенной конструкции картриджа не меняет направление движения и не требует обеспечения дополнительной мощности насоса для перекачки обрабатываемой текучей среды. Кроме того, простота конструкции картриджа, состоящего только из трубы, торцевых решеток, ферромагнитных частиц и быстроразъемных соединений, существенно снижает его стоимость и, соответственно, эксплуатационные затраты при периодической замене картриджа.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить долговечность и надежность работы ФХР и снизить эксплуатационные затраты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР, где 1 - индуктор, 2 - корпус индуктора, 3 - реакционная камера индуктора (сменный картридж), 4 воздушный зазор, 5 ферромагнитные частицы, 6 торцевые решетки, 7 быстроразъемные трубные соединения, 8 - проточная труба.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит кольцевой индуктор 1 вращающегося ЭМП с обмотками и корпусом 2 и трубчатую реакционную камеру, выполненную в виде сменного картриджа 3 из немагнитного материала, заполненного ферромагнитными частицами, предпочтительно выполненными в виде удлиненных цилиндрических стержней.
Сменный картридж 3 установлен в по существу цилиндрической полости осевого канала кольцевого индуктора 1 с обеспечением по существу равномерного в продольном направлении картриджа воздушного кольцевого зазора 4 между наружной поверхностью трубчатой стенки картриджа 3 и внутренней поверхностью осевого канала индуктора 1 для обеспечения его свободного извлечения и вставки нового картриджа при замене, а также для исключения передачи ударных воздействий со стенок картриджа на корпус индуктора. Картридж 3 содержит дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5, удерживаемых внутри картриджа 3 торцевыми решетками 6. 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.
При этом, при установленном в полость индуктора 1 картридже 3, зона картриджа, ограниченная его внутренними стенками и решетками 6, образует прямоточную рабочую зону реакционной камеры, которая размещена в рабочей зоне индуктора 1, т.е. в полости его осевого канала, охватываемой его обмотками.
Предпочтительно, величина воздушного кольцевого зазора 4 составляет не менее 2 мм. Указанная минимальная величина зазора между реакционной камерой и индуктором, с одной стороны, обеспечивает максимальную эффективность работы ФХР ввиду того, что величина магнитной индукции достигает своих максимальных значений вблизи стенок полости индуктора, а с другой стороны, она является достаточной для того, чтобы компенсировать возможное температурное расширение реакционной камеры и амплитуду ее механических вибраций для предотвращения передачи ударно-вибрационных и термических воздействий с корпуса реакционной камеры на корпус индуктора при работе ФХР.
Для обеспечения необходимой величины зазора между реакционной камерой и стенками полости индуктора 1, наружный диаметр картриджа выполнен меньшее диаметра полости индуктора на величину, по существу равную удвоенной величине требуемого зазора. При этом, наружная поверхность картриджа 3 и внутренняя поверхность полости индуктора 1 имеют по существу подобную форму.
Зазор между реакционной камерой картриджа 3 и индуктором 1 может быть обеспечен, например, посредством установки между наружной поверхностью реакционной камеры и внутренней поверхностью (стенками) полости индуктора 1 дистанцеров, выполненных, например, в виде уплотнительных или демпфирующих колец, или посредством винтовых регуляторов пространственного взаимного положения реакционной камеры и индуктора. Для этого, в частности, диаметр наружной поверхности реакционной камеры выполнен меньше внутреннего диаметра полости индуктора 1 на удвоенную величину зазора.
Сменный картридж 3 предпочтительно изготовлен из немагнитного износостойкого материала.
Работает ФХР следующим образом. Индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в рабочей зоне между своими полюсами вращающееся ЭМП.
Обрабатываемая текучая среда, поступающая по проточной трубе 8 в рабочую зону картриджа 3, проходит через торцевые решетки 6, расположенные с торцевых сторон сменного картриджа 3 в пределах рабочей зоны индуктора 1. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 5, размещенные в реакционной камере картриджа 3, приводит их к интенсивному вращению и поступательному круговому движению, образуя тем самым вихревой слой ферромагнитных частиц, создающий турбулентность обрабатываемой среды. Кроме того, в ферромагнитных частицах удлиненной формы возникает магнитострикция и электрическая поляризация, совместное действие которых вызывает в обрабатываемой среде кавитацию, распространение акустических волн и электролиз. Все это, в свою очередь, приводит к размолу твердых 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. Благодаря выполнению реакционной камеры в виде сменного картриджа 3, содержащего ферромагнитные частицы 5, удерживаемые внутри картриджа посредством торцевых решеток 6, по мере износа внутренней поверхности картриджа и/или ферромагнитных частиц картридж 3 целиком может быть оперативно заменен на новый.
Кроме того, использование сменного картриджа позволяет применять в ФХР картриджи с ферромагнитными частицами различных размеров для обработки различных сред.
Для обеспечения оперативной замены картриджа 3 в случае износа его стенок или содержащихся в нем ферромагнитных частиц, а также при необходимости замены вида применяемых ферромагнитных частиц, концы картриджа 3 снабжены быстроразъемными трубными соединениями 7 для их быстрого соединения с проточной трубой 8 обрабатываемой текучей среды, а также быстрого отсоединения картриджа 3 от проточной трубы 8.
Во время работы ФХР по впускной проточной трубе 8, изображенной на фиг. 1 слева, обрабатываемая текучая среда, например загрязненная сточная текучая среда, под напором от подающего насоса (не показан) поступает в направлении потока, показанного на фиг. 1 стрелкой, на обработку в реакционную камеру ФХР, выполненную в виде сменного картриджа 3, а после ее обработки в реакционной камере отводится в выпускную проточную трубу 8, изображенную на фиг. 1 справа, для дальнейшего фильтрования, обработки и т.п.Для замены изношенного картриджа 3 (после отключения насоса, ФХР и спуска текучей среды) быстроразъемные соединения 7 проточной трубы 8 и картриджа открывают для отсоединения обоих концов картриджа 3 от проточной трубы 8, проточную трубу 8 отводят в сторону относительно оси картриджа 3 посредством поворота ее колена (на чертеже не показано) для обеспечения извлечения картриджа 3 из полости канала индуктора 1. После этого старый картридж 3 за счет наличия воздушного кольцевого зазора беспрепятственно вынимают из полости индуктора, а на его место устанавливают новый картридж 3 в сборе с загруженными в него ферромагнитными частицами, удерживаемыми в картридже торцевыми решетками 6. Проточную трубу 8 возвращают на место и присоединяют к концам нового картриджа 3 посредством быстроразъемных соединений 7.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить долговечность и надежность работы ФХР и снизить эксплуатационные затраты.