РЕАКТОР УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРОТОЧНЫЙ

Полезная модель относится к смешиванию жидкостей и может быть использована для обработки жидких сред, а именно: для диспергирования, эмульгирования, гомогенизации.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для диспергирования твердого материала в жидкости (патент US №4071225, B01F 13/00, публ. 31.01.78), включающее рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения, расположенную вертикально, соответственно с нижним и верхним отверстиями для прокачки через нее диспергирующей жидкости (жидкой среды); плоские ультразвуковые преобразователи, расположенные на двух противоположных стенках рабочей камеры; емкость для жидкой среды и средства для подачи ее из емкости в рабочую камеру снизу вверх под давлением и для обеспечения циркуляции ее через рабочую камеру и емкость по замкнутой цепи.
Прямоугольное сечение рабочей камеры таково, что расстояние (зазор) между ее стенками, на которых расположены ультразвуковые преобразователи, намного меньше, чем длина этих стенок. Величина зазора выбирается такой, что при возбуждении ультразвукового поля происходит многократное отражение волн от стенок камеры, за счет чего в ней создается требуемая интенсивность ультразвукового поля. При этом, поскольку отражение волн происходит от колеблющихся поверхностей, то отраженные волны движутся с периодически меняющимися частотами, что исключает возможность образования стоячих волн. Реальная величина зазора в этой конструкции не превышает 25 мм, а предпочтительно - еще меньше, 6-1,5 мм.
Недостаток известного реактора состоит в следующем. В известном реакторе требуемая интенсивность ультразвукового поля при возбуждении ультразвукового поля достигается за счет многократного отражения от стенок камеры бегущих волн, формируемых ультразвуковыми преобразователями, что ведет к потере энергии ультразвуковых колебаний, снижает их эффективность использования, производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока.
Кроме того, поперечный размер рабочей камеры задан без привязки к длине волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, т.е. без привязки к конкретной обрабатываемой жидкой среде. При этом эффективность обработки возрастает с уменьшением поперечного размера рабочей камеры. В результате снижается эффективность использования энергии ультразвуковых колебаний, а также производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока.
Использование в известном реакторе бегущей звуковой волны для создания звукового давления, а также размещение ультразвуковых преобразователей таким образом, что исключает возможность образования стоячих звуковых волн, которые формируют локальные зоны акустического давления, исключает возможность формирования внутри камеры в жидкой среде областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью, а также исключает возможность изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора.
Таким образом, выявленный в процессе патентного поиска, наиболее близкий к предлагаемому, реактор ультразвуковой проточный, при осуществлении не позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без изменения размеров участка ультразвукового воздействия.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания ультразвукового реактора проточного, осуществление которого позволяет достичь технического результата при обработке текучих сред в режиме непрерывного потока, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без изменения размеров участка ультразвукового воздействия.
Сущность полезной модели заключается в том, что в реакторе ультразвуковом проточном, содержащем рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками, закрепленными на торцах трубы, ультразвуковые преобразователи, закрепленные снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры, новым является то, что расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, при этом ультразвуковые преобразователи закреплены вдоль противоположных стенок камеры на их серединных линиях попарно соосно, при этом попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи идентичны и подключены синфазно, а по серединным линиям ультразвуковые преобразователи подключены в заданном порядке.
Технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки полезной модели: «Реактор ультразвуковой проточный, содержащий рабочую камеру в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками, закрепленными на торцах трубы, ультразвуковые преобразователи, закрепленные снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры, являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
В заявленном реакторе ультразвуковые преобразователи закреплены на наружной поверхности стенок рабочей камеры и акустически связаны с ними, что обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в рабочий объем камеры через ее стенку.
В заявленном реакторе преобразователи, закрепленные на противоположных стенках камеры, имеют общую осевую линию, в результе чего формируемые ими звуковые волны распространяются навстречу друг другу по общей осевой, что приводит к возникновению внутри обрабатываемой жидкой среды стоячей звуковой волны. При этом, поскольку расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, то расстояние до преграды равно четному числу четвертей падающей и отраженной волн, что обеспечивает максимальную амплитуду результирующей стоячей звуковой волны («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37). При этом, поскольку преобразователи закреплены на противоположных стенках камеры попарно соосно и подключены синфазно, то звуковые и отраженные волны, формируемые каждой парой преобразователей, складываются, что, в результате выполнения преобразователей в паре идентичными, фактически удваивает амплитуду результирующей стоячей звуковой волны.
В стоячей волне точки, в которых результирующая амплитуда колебаний частиц среды обращается в нуль, называются узлами, а точки с максимальной амплитудой - пучностями. Известно (там же с. 37-41), что в стоячей волне расстояние между двумя соседними узлами или пучностями равно половине длины волны. Поскольку расстояние между стенками камеры равно λ/2, то стоячая звуковая волна, формируемая внутри камеры парой преобразователей, имеет две пучности, каждая вблизи стенок камеры, на которых закреплены преобразователи, и узел, отстоящий на λ/4 от этих стенок камеры, т.е. расположенный на осевой линии рабочей камеры реактора.
В стоячей звуковой волне пучности звукового давления возникают в узлах волны, а узлы звукового давления возникают в пучностях стоячей звуковой волны. При этом максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей звуковой волны из области отрицательных значений амплитуд в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37-41). Соответственно в заявленном реакторе звуковое давление, создаваемое в соответствующем сечении рабочей камеры звуковыми стоячими волнами от каждой пары преобразователей, имеет нулевые значения вблизи стенок камеры, на которых закреплены преобразователи, и максимальное положительное значение - на расстоянии λ/4 от этих стенок камеры, т.е. в узле стоячей звуковой волны. В результате внутри объема камеры реактора вдоль ее осевой линии в соответствующем сечении каждая пара преобразователей формирует единичную зону локального повышенного звукового давления, симметричную относительно осевой линии рабочей камеры. При этом, так как расстояние между стенками рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде, это позволяет не только учесть свойства обрабатываемой жидкой среды, но, как показано выше, обеспечивает максимальную амплитуду результирующей стоячей звуковой волны, а, следовательно, и максимальное значение звукового давления для конкретной обрабатываемой жидкой среды, а, следовательно, повышает эффективность использования энергии ультразвуковых колебаний.
Поскольку ультразвуковые преобразователи попарно соосно закреплены снаружи на двух противоположных стенках рабочей камеры вдоль стенок камеры на их серединных линиях, то для случая, когда все ультразвуковые преобразователи включены синфазно с положительной фазой подключения, единичные локальные зоны звукового давления, формируемые в соответствующем поперечном сечении рабочей камеры, каждой парой преобразователей, располагаются вдоль оси рабочей камеры, образуя вдоль оси камеры рабочую локальную зону повышенного звукового давления. При этом, поскольку преобразователи в паре идентичны, а, как показано выше, при идентичном выполнении преобразователей в паре фактически удваивается амплитуда формируемой ими стоячей звуковой волны, то и звуковое давление в ее узле также удваивается. Таким образом, в заявленном реакторе, звуковое давление, формируемое каждой парой преобразователей, в единичных локальных областях повышенного звукового давления практически в два раза выше, формируемого одним ультразвуковым преобразователем.
Для случая, когда в заданном порядке часть ультразвуковых преобразователей по серединным линиям подключены противофазно, относительно соседних, т.е. парные преобразователи подключены в противофазе с соседней парой, единичные локальные зоны звукового давления, формируемые в соответствующем поперечном сечении рабочей камеры каждой парой преобразователей, имеют зеркальное отражение, по отношению к единичной локальной зоне, формируемой соседней подключенной в противофазе парой преобразователей. При этом, поскольку максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей звуковой волны из области отрицательных значений амплитуд в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37-41), то при подключении преобразователей синфазно с положительной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное положительное значение звукового давления. При подключении преобразователей синфазно с отрицательной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное отрицательное значение звукового давления.
В результате, вдоль оси камеры реактора из единичных локальных зон звукового давления формируется рабочая локальная зона звукового давления, которая, в зависимости от порядка фазового подключения преобразователей, имеет положительные и отрицательные значения звукового давления, а, следовательно, имеет зоны повышенного звукового давления и зоны разряжения.
При выполнении всех преобразователей идентичными по мощности излучения рабочая локальная зона звукового давления имеет одинаковые по модулю значения звукового давления вдоль всей оси рабочей камеры. Если пары преобразователей имеют отличающиеся показатели по мощности излучения, то рабочая зона локального звукового давления имеет изменяющиеся вдоль оси камеры положительные и отрицательные значения звукового давления.
Из вышеизложенного следует, что заявленный ультразвуковой проточный реактор можно отнести к системам, концентрирующим (фокусирующим) звуковую энергию в определенной области рабочего пространства камеры. Известно, что в таких системах в обрабатываемой жидкой среде кавитация возникает, прежде всего, в фокальном пятне, где уровень звукового давления наибольший (там же, с. 186). Кроме того, известно, что области кавитации в жидкой среде совпадают с максимумом звукового давления, создаваемого преобразователем стоячей звуковой волной (там же, с. 199). Предлагаемое выполнение заявленного реактора позволяет формировать внутри рабочего объема камеры в поперечном сечении вдоль ее осевой единичные локальные области максимального звукового давления и управлять их формированием, что обеспечивает не только выполнение выше изложенных условий возникновения кавитации, но и обуславливает возникновение области кавитации в конкретной зоне рабочей камеры, причем с заранее заданной кавитационной активностью. Кроме того, из вышеизложенного следует, что в заявленном реакторе звуковое давление в формируемых единичных локальных областях повышенного звукового давления практически в два раза выше формируемого одним ультразвуковым преобразователем, что соответственно позволяет увеличить кавитационную активность в формируемых зонах кавитации при тех же энергетических параметрах преобразователей. Из литературы известно, что увеличение звукового давления в 2 раза в указанной локальной зоне увеличивает интенсивность звуковых колебаний в 4 раза: , где  - амплитуда акустического давления («Ультразвуковая технология» под ред. докт.техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 23).
Таким образом, заявленный ультразвуковой проточный реактор путем возможности управляемого формирования упорядоченных зон с изменяющимися значениями акустического давления позволяет внутри рабочего объема камеры реактора вдоль ее оси формировать локальную область кавитации с кавитационной активностью, соответствующей этим значениям. При этом возможность увеличения в 2 раза звукового давления в рабочей локальной зоне увеличивает интенсивность звуковых колебаний в 4 раза, а, следовательно, увеличивает в 4 раза интенсивность кавитационных процессов. Причем наличие в заявленном реакторе четко выделенной зоны звукового давления обуславливает четкое пространственное расположение области кавитации. Кроме того, подключение по серединным линиям ультразвуковых преобразователей в заданном порядке и выполнение пар ультразвуковых преобразователей, отличающимися друг от друга по мощности излучения, обеспечивает возможность задания, причем в требуемом порядке, значения звукового давлении в рабочей локальной зоне, причем с требуемым знаком, а, следовательно формировать или область с повышенным звуковым давлением или область разряжения. Это позволяет управлять картиной распределения зон звукового давления в пространстве рабочего объема камеры реактора, а, следовательно, управлять интенсивностью процесса кавитации в рабочей локальной зоне звукового давления, и как следствие, позволяет задавать режим обработки жидкой среды при ее прохождении через камеру реактора.
Из вышеизложенного следует, что заявленный ультразвуковой проточный реактор позволяет формировать область кавитации с регулируемой кавитационной активностью в рабочем объеме рабочей камеры воль ее осевой. Это обеспечивает активную кавитационную обработку всего объема жидкости с повышенным звуковым давлением по всей длине рабочей камеры вдоль ее осевой и позволяет увеличить производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия.
Таким образом, предлагаемый ультразвуковой реактор проточный при осуществлении обеспечивает достижение технического результата при обработке текучих сред в режиме непрерывного потока, заключающегося в возможности формирования областей кавитации с регулируемой кавитационной активностью и в возможности изменения их расположения в пространстве рабочего объема камеры реактора, в повышении эффективности использования энергии ультразвуковых колебаний, в повышении интенсивности ультразвукового воздействия в рабочем объеме камеры реактора и в увеличении производительности обработки и степени воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без изменения размеров участка ультразвукового воздействия.
На фиг. 1 изображен фрагмент заявленного ультразвукового реактора проточного; на фиг. 2 - процесс формирования локальной области звукового давления в поперечном сечении камеры реактора одной парой ультразвуковых преобразователей.
Заявленный реактор ультразвуковой проточный содержит рабочую камеру 1 в виде трубы прямоугольного сечения с входным и выходным патрубками (не показано), закрепленными на торцах трубы. Ультразвуковые преобразователи 2n закреплены попарно соосно снаружи на двух противоположных стенках 3, 4 рабочей камеры 1, вдоль стенок 3, 4 камеры 1, на их серединных линиях 5, 6, где n - порядковый номер пары преобразователей, который равен 1, 2, 3… Расстояние между стенками 3, 4 рабочей камеры, на которых закреплены ультразвуковые преобразователи 2n, равно λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде. Попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи 2n идентичны. Кроме того, попарно закрепленные ультразвуковые преобразователи идентичны и подключены синфазно, а по серединным линиям ультразвуковые преобразователи подключены в заданном порядке.
Высота противоположных стенок камеры, на которых закреплены преобразователи, близка к диаметру преобразователя. Этот параметр выбирают опытным путем, так как при малых отличиях диаметра преобразователя от высоты стенки часть энергии акустических колебаний теряется на углах камеры, а при больших - появится часть зоны внутреннего объема камеры, которая обрабатывается недостаточно.
Заявленный ультразвуковой реактор проточный работает следующим образом.
В рабочую камеру 1 под давлением подают обрабатываемую текучую технологическую среду (на фиг. 1 не показано).
После подключения питания, ультразвуковые преобразователи 2n излучают в обрабатываемую среду звуковые волны. Каждая пара преобразователей 2n, подключенных соосно на серединных линиях 5, 6 противоположных стенок 3 и 4 камеры 1, формирует звуковые волны, которые распространяются навстречу друг другу по общей осевой. Это приводит к образованию соответствующей стоячей звуковой волны внутри обрабатываемой жидкой среды (фиг. 2, формируемые одним преобразователем: 8 - стоячая звуковая волна, 9 - звуковое давление). Поскольку преобразователи 2n в паре идентичны и подключены синфазно, то формируемые ими звуковые и отраженные волны складываются, что примерно удваивает амплитуду результирующей стоячей звуковой волны (фиг. 2, 10).
Кроме того, максимальная амплитуда результирующей стоячей волны 9 обеспечивается конструктивно, так как у рабочей камеры 1 расстояние между стенками с закрепленными на них преобразователями составляет λ/2, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в обрабатываемой жидкой среде («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37).
На фиг. 2 видно, что в заявленном реакторе пучности стоячей звуковой волны располагаются вблизи стенок 3, 4 камеры 1, а узел 11 - на расстоянии λ/4, т.е. на осевой линии камеры 1.
Поскольку звуковое давление 9, создаваемое каждым преобразователем 2n в паре, суммируется, то в результате в данном сечении рабочем объеме камеры формируется единичная локальная зона повышенного звукового давления 12, которое превышает примерно в два раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем. При этом единичные локальные зоны 12 звукового давления формируются в поперечных сечениях камеры вдоль ее оси, так как ультразвуковые преобразователи 2n закреплены на серединных линиях стенок 3, 4 камеры 1 параллельных ее продольной оси. В результате вдоль оси камеры образуются рабочая локальная зона повышенного звукового давления, которое также превышает примерно в два раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем.
При выполнении всех преобразователей идентичными рабочая локальная зона звукового давления имеет одинаковые положительные значения звукового давления вдоль всей оси рабочей камеры. Если пары преобразователей имеют отличающиеся показатели по мощности излучения, то рабочая зона локального звукового давления в камере имеет положительные значения звукового давления, изменяющиеся вдоль оси камеры.
Для задания в требуемом порядке значения звукового давлении в рабочей локальной зоне с требуемым знаком выполняют соответствующее подключение ультразвуковых преобразователей по серединным линиям по знакам фазы. При этом, когда в заданном порядке часть ультразвуковых преобразователей по серединным линиям подключены противофазно, относительно соседних, т.е. парные преобразователи подключены в противофазе с соседней парой, единичные локальные зоны звукового давления, формируемые в соответствующем поперечном сечении рабочей камеры каждой парой преобразователей, имеют зеркальное отражение, по отношению к единичной локальной зоне, формируемой соседней подключенной в противофазе парой преобразователей. При этом, поскольку максимальное звуковое давление соответствует переходу стоячей звуковой волны из области отрицательных значений амплитуд в положительную, а минимальное - переходу стоячей волны из области положительных значений в отрицательную («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 37-41), то при подключении преобразователей синфазно с положительной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное положительное значение звукового давления. При подключении преобразователей синфазно с отрицательной фазой подключения в узле стоячей звуковой волны формируется максимальное отрицательное значение звукового давления. В результате, вдоль оси камеры реактора из единичных локальных зон звукового давления формируется рабочая локальная зона звукового давления, которая, в зависимости от порядка фазового подключения преобразователей, имеет положительные и отрицательные значения звукового давления, а, следовательно, имеет зоны повышенного звукового давления и зоны разряжения.
Из выше изложенного следует, что после подачи питания на ультразвуковые преобразователи в заявленном ультразвуковом проточном реакторе вдоль осевой линии камеры формируется, в общем случае, рабочая локальная зона с областями повышенного акустического давления что, обуславливает возникновение в обрабатываемой жидкой среде кавитации, и с областями разряжения. При этом, поскольку в рабочей локальной зоне повышенного звукового давления значение звукового давления превышает примерно в два раза звуковое давление, создаваемое одним преобразователем, то, как показано выше, увеличение звукового давления в 2 раза в указанной локальной зоне приводит к увеличению в 4 раза интенсивности звуковых колебаний, т.е. увеличивает в 4 раза интенсивность кавитационных процессов. («Ультразвуковая технология» под ред. докт. техн. наук проф. В.А. Аграната, М.: «Металлургия», 1974, с. 23).
Для задания в требуемом порядке, значений звукового давлении в рабочей локальной зоне звукового давления, пары ультразвуковых преобразователей выполняют отличающимися друг от друга по мощности излучения. Это позволяет управлять картиной зон звукового давления в пространстве рабочего объема камеры реактора, а, следовательно, управлять интенсивностью процесса кавитации в этих зонах, и как следствие, позволяет задавать режим обработки жидкой среды при ее прохождении через камеру реактора.
Жидкая среда, проходя через рабочую локальную область повышенного звукового давления, подвергается воздействию кавитации. При этом, жидкая среда, проходя через рабочий объем камеры реактора, последовательно подвергается воздействию резко отличающихся друг от друга режимов механического воздействия. В зоне максимального акустического давления, где кавитация наиболее активна, происходит интенсивное разбивание обрабатываемой жидкости на микрочастицы. В зоне разряжения механические связи между частицами жидкой среды ослабевают и происходит их перераспределение. Поскольку обрабатываемая жидкость подается в камеру реактора под давлением, то ее частицы совершают хаотические движения, что способствует более активному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды. Так как локальные зоны акустического давления в рабочей камере вдоль ее оси заранее сформированы в заданном порядке, то выше изложенный режим обработки жидкой среды повторяется до получения требуемого результата. В результате обеспечивается равномерная и активная кавитационная обработка всего объема жидкости по всей площади поперечного сечения рабочей камеры, что увеличивает производительность обработки и степень воздействия на текучие технологические среды в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия. При этом не требуется повторного возврата в камеру обрабатываемой текучей среды.