УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД
ULTRASONIC DEVICE FOR TREATMENT OF LIQUID MEDIUMS

Устройство может быть использовано для диспергирования различных веществ нерастворимых в воде, для эмульгирования и деэмульгирования эмульсий, для ускорения протекания химических реакций, проходящих в жидкой фазе и т.д.
Известно ультразвуковое устройство для обработки жидких сред, содержащее реактор с цилиндрическим корпусом, ультразвуковой блок, излучатель которого расположен в реакторе, а также входной и выходной патрубки для подвода и вывода обрабатываемой жидкости, один из которых расположен напротив торца излучателя, а другой - на цилиндрической стенке реактора (патент US №3865350, МПК B01F 11/02).
Для эффективной обработки жидкости используется сложное конструктивное решение, в основном связанное со сложностью конструкции излучателя и дополнительной системы, которая окружает излучатель, обеспечивая попадание обрабатываемой жидкости в область действия ультразвукового поля.
Конструктивно более простым является ультразвуковое устройство для обработки жидких сред (патент РФ №44540, МПК B01F 11/02), которое так же, как и рассмотренное выше, содержит реактор с цилиндрическим корпусом, ультразвуковой блок, излучатель которого расположен в реакторе и его излучающий торец ступенчато расширяется, а также входной и выходной патрубки для подвода и вывода обрабатываемой жидкости, один из которых расположен напротив излучающего торца излучателя, а другой - на цилиндрической стенке реактора. Оно является наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков.
Обрабатываемая жидкость попадает в реактор через патрубок, расположенный напротив торца излучателя, и подвергается воздействию ультразвуковых колебаний на участке камеры, ограниченном торцом излучателя, и под действием внешнего давления перемещается вдоль излучателя к выходному патрубку, подвергаясь дальнейшей обработке.
Проблема эффективности обработки жидкости в известном устройстве решена за счет выполнения ультразвукового излучателя составным, что обеспечивает обработку жидкости как в направлении ее перемещения, так и во встречном направлении.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность обработки жидкости.
Технической задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности обработки жидких сред.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство для обработки жидких сред, также как и известное, содержит реактор с цилиндрическим корпусом, ультразвуковой блок, излучатель которого расположен в реакторе, а также входной и выходной патрубки для подвода и вывода обрабатываемой жидкости, один из которых расположен напротив излучающего торца излучателя, а другой - на цилиндрической стенке реактора, причем диаметр излучателя больше диаметра патрубка. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве на цилиндрической поверхности корпуса расположен входной патрубок, а напротив излучающего торца на расстоянии, равном целому числу полуволн, установлен выходной патрубок, заканчивающийся фланцем, расположенным в реакторе с возможностью возвратно-поступательного перемещения.
Достигаемый технический результат - повышение эффективности работы устройства.
В предлагаемом устройстве обработка происходит в пространстве между фланцем выходного патрубка и торцом излучателя. Расстояние между ними равно целому числу полуволн. Известно, что при таких параметрах образуется стоячая волна, при которой амплитуда результирующих колебаний будет максимально возможной, в идеальном случае в два раза превышать амплитуду ультразвуковых колебаний излучателя. За счет этого достигается максимально возможное воздействие ультразвуковых колебаний на жидкость. Но такой подбор параметров реактора возможен только при работе устройства, при реальной обработке нужной жидкости, поэтому выходной патрубок выполнен с возможностью возвратно поступательного перемещения, позволяющей установить режим стоячей волны в процессе работы устройства.
Дополнительный вклад в увеличение эффективности работы устройства вносит расположение входного патрубка на цилиндрической поверхности реактора.
В известном устройстве входной патрубок и излучатель расположены на одной оси, поэтому возможности перемешивания слоев минимальны, хотя только при активном перемешивании вся жидкость может попасть в зону действия ультразвуковых колебаний.
В предлагаемом устройстве жидкость поступает со стороны цилиндрической поверхности и меняет направление перемещения при попадании в реактор. По общему правилу смена направления движения жидкости увеличивает турбулентность потока, и в зону действия ультразвуковых колебаний он поступает в состоянии перемешивания слоев, гарантирующих увеличение объема жидкости, на который воздействует ультразвук.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковое устройство для обработки жидких сред, в котором торец излучателя ступенчато расширен.
Такое решение дополнительно повышает эффективность обработки жидкости за счет того, что в реакторе создается две зоны ультразвуковой обработки: одна расположена между торцом излучателя и выходным патрубком, а другая - с противоположной стороны торца.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует устройство для обработки жидких сред, в котором входной патрубок установлен на цилиндрической поверхности реактора так, что вода поступает в реактор по касательной к поверхности корпуса.
Такое решение дополнительно увеличивает эффективность работы устройства, т.к. при введении жидкости по касательной к поверхности корпуса ей дополнительно придается спиралевидное перемещение вдоль излучателя, и в зону ультразвуковой обработки жидкость попадает, во-первых, в состоянии интенсивного перемешивания, а во-вторых, за счет спиралевидной траектории удлиняется ее путь в зоне ультразвуковой обработки, т.е. увеличивается возможность воздействия на нее ультразвуковых колебаний. Таким образом, в известном устройстве эффективность работы определялась только его ультразвуковыми параметрами, а в предлагаемом - на обрабатываемую жидкость дополнительно воздействует механическая составляющая, которая за счет перемешивания обеспечивает попадание жидкости в зону действия ультразвуковых колебаний.
Совокупность признаков, изложенных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует устройство для обработки жидких сред, в котором выходной патрубок снабжен резьбой, на которой установлена торцевая поверхность ректора с контргайкой, соединенная крепежными элементами с фланцем корпуса реактора.
Такое решение представляет собой частный случай обеспечения возвратно-поступательного перемещения входного патрубка с фланцем.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показано предлагаемое устройство для обработки жидких сред.
1
2
Устройство содержит реактор 1, в котором установлен излучатель 2 акустического блока (весь не показан), излучающий конец излучателя ступенчато расширен и образует за счет этого две излучающие поверхности - торцевую 3 и обратную ей 3. Ступенчатый конец излучателя обеспечивает двустороннее направление ультразвуковых колебаний: навстречу движению потока в реакторе и в сторону его истечения. За счет такого решения увеличивается эффективность работы устройства.
В цилиндрической поверхности реактора 1 установлен входной патрубок 4, через который поступает обрабатываемая жидкость, например масло с водой. Направление входного патрубка обеспечивает направление движение воды по касательной к поверхности корпуса, по спирали в сторону выходного патрубка 5, установленного в торцевой части реактора напротив торца излучателя 2. Выходной патрубок заканчивается фланцем 6, расположенным в реакторе, и снабжен резьбой 7, на которой установлена торцевая поверхность 8 реактора, закрепленная на резьбе контргайкой 9 и соединенная крепежными элементами с фланцем корпуса реактора 10.
Обрабатываемая жидкость поступает через входной патрубок 4, расположенный на цилиндрической поверхности реактора. Даже в том случае, если жидкость поступает в виде ламинированного потока, при изменении его направления он превращается в турбулентный, а поскольку поток направлен по касательной к поверхности корпуса 1, его движение приобретает спиралевидную форму. При этом жидкость при активном перемешивании сначала обрабатывается ультразвуковыми колебаниями поверхности
2
1
3излучателя, направленной навстречу движению жидкости. Затем жидкость при активном перемешивании обрабатывается в пространстве между торцевой поверхностью 3 излучателя и фланцем 6 выходного патрубка 5. Так как расстояние между ними равно целому числу полуволн, происходит обработка жидкости в оптимальном режиме. Для обеспечения оптимального режима в начале процесса обработки ослабляют контргайку 9 и перемещают патрубок по резьбе в торцевой поверхности 8. При этом перемещается фланец 6 с выходным отверстием выходного патрубка. Достижение максимальной амплитуды ультразвукового сигнала можно определить по изменению выходных параметров задающего генератора. Самый простой способ определения максимума ультразвукового сигнала возможен по максимальной величине кавитации.
Описание устройства и его работы доказывают соответствие предложенного решения условию промышленной применимости, а также показывают, что изменение положения входного и выходного патрубков позволяет использовать в процессе обработки жидкости дополнительную составляющую - механическую энергию и за счет этого повысить эффективность работы ультразвукового устройства для обработки жидких сред.