СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF EXCITING ACOUSTIC VIBRATIONS IN FLUID MEDIUM AND APPARATUS (VERSIONS) FOR REALISING SAID METHOD

Заявляемая группа изобретений относится к области гидродинамики, в частности к способам и оборудованию акустического воздействия на обрабатываемую неоднородную текучую среду, например жидкость, пульпу, суспензию, пасту, и ее активацию, и может быть использована во многих отраслях народного хозяйства, преимущественно в строительной, гидрометаллургической, химической, топливной, цементной промышленности.
В настоящее время одним из перспективных методов интенсификации химико-технологических процессов и повышения эффективности технологического оборудования признаются методы, основанные на импульсных энергетических воздействиях с применением различных физико-химических эффектов, использующих внутренние и внешние источники энергии.
Различают два вида задач интенсификации:
1) совершенствование существующих химико-технологических систем (ХТС);
2) разработка принципиально новых ХТС.
Под химико-технологической системой понимают химико-технологические процессы, реализуемые в технологическом оборудовании. Каждый из методов интенсификации основывается на определенных физико-химических эффектах.
Необходимо отметить, что три метода интенсификации предполагают какие-либо периодические процессы, протекающие в ХТС. Наложение колебаний возможно как на элементы технологического оборудования (ТО), так и на обрабатываемую среду. Колебания элементов технологического оборудования часто называют вибрациями, колебания в обрабатываемой среде - акустическими колебаниями или волнами.
Метод интенсификации ХТП за счет дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) базируется на полезном использовании физических эффектов, возникающих в парожидкостных средах при быстром изменении внешнего давления. Реализация этого метода предполагает существование или создание большого количества пузырьков, равномерно распределенных в жидкой фазе. При резком повышении давления в системе каждый пузырек сжимается, а потом схлопывается, выделяя импульс высокого давления в форме сферической ударной волны, или, если вблизи находится жесткая поверхность, образует кумулятивную микроструйку в направлении этой поверхности. В процессе схлопывания пузырька возможна его высокочастотная осцилляция с излучением в окружающую жидкость акустической энергии в ультразвуковом диапазоне. При быстром сбросе внешнего давления возникает эффект взрывного вскипания, сопровождающийся излучением импульса давления большой амплитуды и турбулизацией прилегающих слоев жидкости. Как следствие, в пространстве между пузырьками возникают интенсивные микротечения с высокими мгновенными значениями локальной скорости, ускорения и давления.
Множество динамически развивающихся пузырьков можно рассматривать как своего рода микротрансформаторы, преобразующие аккумулированную в системе потенциальную энергию в кинетическую энергию жидкости, распределенную дискретно в пространстве и во времени (см., например, М.А.Промтов. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. Учебное пособие. М., Издательство машиностроение-1, 2004).
Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми.
Понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно также при кипении или вакуумировании жидкости. Но эти процессы распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая имеет ограниченную область. Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость акустических колебаний.
Кавитационная каверна, заполненная паром и газом в различных источниках, называется полостью, пузырем, пузырьком, сферой и т.п.
Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию.
В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000°C). После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве.
Захлопывание, схлопывание, аннигиляция, коллапс и т.п. обозначают одно явление - уменьшение радиуса пузырька R до минимального Rmin или уменьшение радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков.
Чтобы в жидкости образовалась полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстояние не менее удвоенной длины промежутка между ними.
Одной из форм кавитационных течений является развитая кавитация или суперкавитация, при которой при обтекании тела за телом образуется единая полость-каверна, содержащая, как правило, газы и пары.
Механизм обтекания тела с образующейся за ним каверной можно представить следующим образом: частицы жидкости под воздействием быстро движущегося тела вынуждены «расступиться», т.е. приобретают радиальные скорости, направленные от оси тела к периферии. Возникшему движению жидкости соответствует расширяющийся участок каверны. Эффекты, возникающие при обтекании профилей в текучей средах, хорошо изучены с точки зрения защиты деталей судов от кавитационной (газовой) эрозии и использования режима суперкавитации для улучшения ходовых характеристик судов (см. Пирсол И. под ред. Л.А.Эпштейна. М., Мир, 1975, 95 с. с ил.).
Кавитационное обтекание профилей с использованием полученных эффектов в технологических процессах изучено слабо.
В качестве основного параметра, характеризующего кавитацию, принимают число кавитации
,
∞
где Р - давление потока на бесконечности;
∞
V - скорость потока на бесконечности;
ρ - плотность текучей среды;
K
P - давление в каверне.
Из источников информации известно, что амплитуда отраженной от абсолютно твердой поверхности при наклонном падении звука волны равна амплитуде падающей волны, а угол отражения равен углу падения (см. Лепедин Л.Ф. Акустика: учеб. пособие для втузов. - М.: Высш. школа, 1978. - 448 с., ил.) При этом амплитуда отраженной волны (такие волны называются волновым следом) имеет нулевые значения в координатах
,
n
где x - координата точки по оси перпендикулярной поверхности отражения;
n=0, 1, 2 … любое целое число;
λ - длина волны в данной среде;
Θ - угол падения/отражения.
Максимумы амплитуд наблюдаются в точках
.
Таким образом, максимумы так же, как и минимумы амплитуды повторяются каждые  по оси перпендикулярной поверхности падения. При уменьшении угла падения до нуля места нулевых амплитуд обращаются в узлы, а места максимумов - в пучности стоячей волны. При углах падения, отличных от нуля, образуется «псевдостоячая» волна. Если с помощью нескольких отражений от жесткой поверхности замкнуть траекторию распространения звука, получим стоячую волну.
Из уровня техники известны способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления, при котором жидкость с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости рассеивают акустическую мощность с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение в ней кавитации в виде, как минимум, одной стационарной кавитационной области, при этом объемную плотность потенциальной энергии возникающей кавитации распределяют по объему реактора со среднеквадратичным отклонением от среднего значения, не большим, чем 0,862 этого среднего значения (см. патент РФ на изобретение №2228217, «Способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления», дата подачи 21.05.2003 г., опубл. 10.05.2004 г.).
Известен способ получения кавитации, включающий создание в жидкости двух гидродинамических режимов, первого, обеспечивающего кавитацию путем разгона жидкости до скорости, при которой статическое давление в ней равно давлению насыщенного пара, и второго, обеспечивающего торможение кавитирующей жидкости путем повышения статического давления до величины прекращения в ней кавитации, последующий отвод жидкости, при этом из жидкости создают парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создают в каждом торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а на периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в торообразных потоках вкруг их кольцевых осей перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно (см. патент РФ на изобретение №2235223, «Способ получения кавитации», дата подачи 21.11.2002 г., опубл. 27.08.2004 г.).
Известен способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости, при котором жидкость с обеспечивающей заданное время обработки скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости устанавливают стоячую полуволну, которая возбуждает в жидкости кавитацию с соответствующим средним значением эрозионного коэффициента, на периметре плоского сечения потока жидкости, содержащего максимальное значение эрозионного коэффициента, значения которого устанавливают не меньшими, чем его среднее значение в кавитационном реакторе (см. патент РФ на изобретение №2226428, «Способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости и кавитационный реактор для его осуществления», дата подачи 17.04.2003 г., опубл. 10.04.2004 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ обработки неоднородной текучей среды, включающий формирование потока текучей среды в виде струи путем уменьшения его поперечного сечения, введение под действием избыточного давления сформированной струи в зону обработки, содержащую гибкое консольно закрепленное, размещенное напротив сформированной струи препятствие ее движению в виде пакета параллельных упругих пластин для осуществления столкновения струи с их свободными концами, возбуждение в текучей среде гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны, воздействующей на ингредиенты текучей среды и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, при этом поток разбивают на N плоских струй, при формировании каждой из которых троекратно изменяют форму и площадь ее поперечного сечения так, что на выходе в зону обработки каждая струя имеет плоскопараллельную форму с возбужденными в ней гидродинамическими пульсациям, при этом в зоне обработки каждую пластину препятствия размещают напротив каждой из сформированных струй для их столкновения с последующим формированием в каждой точке текучей среды параметрических резонансных колебаний, создания параметрических резонансных колебаний, систем одно гибкое препятствие - текучая среда - другое гибкое препятствие, одновременного увеличения амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с параметрическими резонансными колебаниями, что расширяет кавитационную зону на всю зону обработки (см. патент РФ на изобретение №2177824, «Способ обработки неоднородной текучей среды и устройство для его осуществления», дата подачи 02.04.2001 г., опубл. 10.01.2002 г.).
В известном способе генерация колебаний производится путем натекания текучей среды, сформированной соплами с трехкратным уменьшением ширины на гибкую пластину. В этом случае колебания пластины возникают при совпадении пульсаций, срывающихся с кромки сопла вихрей, с собственной частотой пластины. Недостатки известного способа обусловлены низким КПД, геометрической зависимостью условий возбуждения колебаний, невозможностью использования высоких скоростей потока для обработки сред из-за быстрого износа пластин, служащих для возбуждения колебаний. При этом способ ограничен в своем применении и может быть осуществлен только в чистых средах, так как в абразивной среде происходит быстрый износ пластинчатого излучателя колебаний, нарушаются условия генерации акустических колебаний, и излучатель в этом случае перестает выполнять свою работу.
Кроме того, при больших амплитудах, при которых в текучей среде возникает развитая кавитация, падает акустический импеданс пластинчатых излучателей и также происходит их кавитационный износ. Следовательно, в данном способе невозможно достижение высоких интенсивностей излучения, а значит его применение в химико-технологических системах, связанных с диспергацией материалов, обработке вязких и абразивных сред и т.п., невозможно.
Из уровня техники известно устройство, служащее для создания искусственной кавитации в жидких средах с целью интенсификации различных физико-химических процессов, содержащее корпус с входным и выходным отверстиями, образующий рабочую камеру, в которой установлены на приводном валу ротор и статор, состоящие из чередующихся между собой дисков, при этом первый диск ротора имеет радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - в виде параллелепипеда, второй диск ротора имеет радиальные прорези, третий диск ротора выполнен перфорированным, диски статора, установленные между дисками ротора, имеют радиальные прорези (см. патент РФ на изобретение №2166987, «Кавитационный аппарат», дата подачи 10.01.2000 г., опубл. 20.05.2001 г.).
Известно устройство, содержащее источники гармонических колебаний в виде резонаторов одинаковой частоты, внутри которых колебания жидкости образуют упругие стоячие волны, при этом фазы резонаторов сдвинуты на опережение по мере их удаления от центра реактора (см. патент РФ на изобретение №2286205, «Кавитационный реактор», дата подачи 16.02.2005 г., опубл. 27.10.2006 г.).
Наиболее близким к заявляемому устройству является акустический активационный генератор, содержащий корпус, в котором установлены направляющий аппарат и резонирующие элементы, консольная часть которых обращена к направляющему аппарату, причем резонирующие элементы выполнены в виде стержней с асимметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней на консольном торце, а направляющий аппарат содержит сопла с выходными отверстиями, при этом стержни расположены напротив выходных отверстий сопел (см. патент РФ на полезную модель №99086, «Акустический активационный генератор», дата подачи 15.06.2010 г., опубл. 10.11.2010 г.).
Недостатком известного устройства является низкая эффективность обработки текучей среды, например диспергирования и гомогенизации суспензий, из-за невозможности создания интенсивных гидродинамических процессов, в том числе значительной зоны кавитации.
Предлагаемая к защите группа изобретений (способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления) устраняет вышеперечисленные недостатки прототипа за счет использования в качестве излучателя акустических колебаний непосредственно саму текучую среду, а в заявляемых устройствах для осуществления способа применяют в качестве частотно задающих устройств, преимущественно, стержни. При этом частотно задающие устройства (резонаторы) не являются напрямую излучателями и поэтому не подвергаются абразивному износу. Износу подвергается лишь передняя часть выпуклого в сторону набегающего потока конца кавитатора, установленного или совмещенного с резонатором. В результате сроки эксплуатации оборудования при абразивном износе значительно увеличиваются, а также устраняется геометрическая зависимость от расстояния от сопла до гибкого препятствия для возбуждения колебаний, как указано в прототипе.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является повышение эффективности возбуждения и генерирования колебаний текучей среды, расширение кавитационной зоны, а также получение стабильных во времени абразивных сред, в том числе дисперсий, суспензий, эмульсий, пригодных для длительного хранения без ухудшения полученных в процессе обработки свойств за счет использования в качестве излучателя акустических колебаний текучей среды.
В заявляемом способе возбуждения акустических колебаний в текучей среде, включающем формирование потока текучей среды и введение ее в зону обработки, содержащую отражатели и гибкие препятствия в виде механических резонаторов, формирование в каждой точке текучей среды параметрических резонансных колебаний, одновременное увеличение амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с параметрическими резонансными колебаниями, возбуждение в текучей среде гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны, воздействующей на ингредиенты текучей среды, и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, согласно изобретению возбуждение гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны осуществляют за счет движения текучей среды относительно гибких препятствий, снабженных кавитаторами, установленными на механических резонаторах или выполненных в виде выпуклых в сторону набегающего потока концов резонаторов, при этом обтекание гибких препятствий текучей средой происходит в режиме развитого кавитационного течения с образованием пульсирующей кавитационной зоны (каверны), поверхность которой служит источником акустических колебаний, а условия резонанса определенного обертона гибких препятствий создаются за счет их размещения относительно отражателей и друг друга на расстоянии, определяемом в зависимости от акустических свойств текучей среды.
Гибкие препятствия размещают относительно друг друга и относительно отражателей на расстоянии, кратном λ/4, а отражатели отстоят друг от друга на расстоянии, кратном λ/2, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
При этом расстояние между поверхностями каверн, являющимися источниками сигналов, кратно λ/4, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде. Надо понимать, что акустические свойства среды зависят от многих факторов (температуры, количества растворенных газов, количества растворенных и нерастворенных примесей, давления, предшествующей обработки и т.п.). Вследствие этого скорость, а соответственно и длина волны в среде - величина непостоянная и выбирается из практических соображений. При этом, чем точнее выбранное значение λ по отношению к λ обрабатываемой среды, тем выше КПД устройства.
У стержня с выпуклым в сторону набегающего потока концом каверна образуется с обеих сторон, и в связи с этим оптимальное расстояние между стержнями должно быть кратно λ/4, но не менее λ/2, а между отражателями - кратно λ/2.
У пластины из-за ее малой толщины клиновидный конец можно выполнить только с одной стороны, и, соответственно, у пластины каверна образуется только с одной стороны, при этом расстояние между пластинами должно быть кратно λ/4.
Отражатели могут быть выполнены как в виде отдельного конструктивного элемента, так и являться стенками корпуса устройства, в котором осуществляется заявляемый способ.
В любом случае отражатель должен представлять собой жесткую поверхность, на которую под углом падает звуковая волна и практически без потерь отражается от нее. В случае выполнения отражателей в виде плоских пластин, расположенных большей поверхностью параллельно друг другу и, соответственно, перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обеспечивается работа однорядного расположения резонаторов или одиночного резонатора. При использовании в качестве отражателей стенок корпуса, в сечении представляющего собой, например, круг, можно получить не только двухрядное, но и многорядное расположение резонаторов, благодаря чему обеспечивается компактность устройства. Например, если звуковая волна отражается под углом 45°, то она будет циркулировать по траектории прямоугольника.
Для обеспечения условий акустического резонанса для устройств с отражателями, расположенными с обеих сторон, расстояние между ними должно быть кратным λ/2. При этом гибкие препятствия должны располагаться максимально близко к пучностям давления или скорости образовавшейся стоячей волны, которые, в свою очередь, располагаются на расстояниях, кратных λ/4, по траектории распространения волны, как друг от друга, так и от отражателей.
Для облегчения создания режима развитого кавитационного течения осуществляют дополнительную подачу воздушной или газовой смеси в образовавшуюся кавитационную зону.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по первому варианту, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней в виде стержней с асимметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, согласно изобретению установлено в емкость, корпус изготовлен, по меньшей мере, из двух плоских или изогнутых пластин, выполняющих функцию отражателей, механические резонаторы выполнены с выпуклым в сторону набегающего потока концом или снабжены установленными на их концах кавитаторами, при этом расстояние от точек отражения, расположенных на отражателях, до механических резонаторов и расстояние между механическими резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по второму варианту, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней с асимметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, согласно изобретению установлено в емкость, корпус включает в себя, по меньшей мере, одну плоскую или изогнутую пластину и расположенные напротив нее стойки, механические резонаторы выполнены с выпуклым в сторону набегающего потока концом или снабжены установленными на их концах кавитаторами, при этом расстояние от точек отражения до резонаторов и расстояние между резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по третьему варианту, включающее механические резонаторы в виде стержней с асимметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней и корпус, согласно изобретению корпус представляет собой емкость, в которой механические резонаторы, выполненные с выпуклым в сторону набегающего потока концом или оснащенные установленными на их концах кавитаторами, закреплены на держателях, смонтированных на валу электродвигателя, размещенного внутри емкости, при этом расстояние между резонаторами, а также между стенками емкости и резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Осуществление заявляемого способа подтверждается примерами конкретного выполнения.
С помощью технических средств создают условия для натекания текучей среды на кавитатор, при этом натекание может быть осуществлено либо за счет разгона текучей среды, либо за счет движения самого кавитатора в этой среде. В результате происходит обтекание установленных на гибких препятствиях кавитаторов, при этом препятствия совмещены или установлены на механическом резонаторе. При значении числа кавитации δ<0,3 начинается переход в режим развитого кавитационного течения, при котором за кавитатором образуется единая полость - кавитационная зона (каверна), заполненная парами и газами, при этом значительно снижается коэффициент сопротивления кавитатора и повышается коэффициент подъемной силы. У таких каверн возникают характерные высокочастотные пульсации, обусловленные пульсационными процессами, создаваемыми образующимися в конце каверны вихревыми жгутами, а также сжимаемостью газов и паров, находящихся в ней. Амплитуда таких пульсаций растет от точки отрыва к пульсирующему хвосту каверны, причем эти пульсации, а также подъемная сила возбуждают колебания механического резонатора на своей собственной частоте и обертонах и создают акустические колебания в текучей среде. Благодаря созданным для определенного обертона условиям резонанса, в частности обратной связи, возникающей за счет отраженной волны от отражателя, расположенного на расстоянии, кратном λ/4, где λ - длина волны, соответствующая частоте акустических колебаний в данной текучей среде от механических резонаторов, амплитуда колебаний резонатора на данной частоте увеличивается, что, в свою очередь, способствует увеличению амплитуды колебания каверны на данной частоте.
Из приведенной формулы (1) следует, что для возникновения развитой кавитации необходимо либо увеличить скорость потока, либо повысить давление в каверне. Оба варианта работоспособны в равной мере. Однако с точки зрения КПД второй вариант, а именно повышение давления, более целесообразен, т.к. в случае дополнительного введения в область кавитатора или перед ним газовой фазы - создание искусственной кавитации, развитая кавитация начинает проявляться уже при скорости 5-7 м/с. Причем подача воздуха в область кавитатора может быть осуществлена несколькими способами. В частности, в случае формирования скоростного потока с помощью сопла и, например, насоса, подача газовой фазы происходит непосредственно в пульпопровод, при этом за счет созданного повышенного давления и турбулентности происходит перемешивание газовой фазы. Кроме того, подача газовой смеси может быть выполнена с помощью установленных перед входом дросселя или эжектора. Возможно применение барботажа, или подача газовой (воздушной) смеси по выполненным внутри резонатора и кавитатора полостям.
Механические резонаторы, с которыми или совмещают гибкие препятствия, или устанавливают на них кавитаторы, используют в качестве частотно определяющего устройства, усиливающего резонансные свойства и способствующего генерации акустических колебаний текучей среды на заданной частоте. В случае отсутствия отражателей система «резонаторы - каверна» формирует широкополосное излучение.
В качестве кавитаторов используют, например, диск, или выпуклое в сторону движения потока текучей среды тело, в том числе клинообразной, сферической, параболической, эллиптической формы.
Помимо этого для осуществления заявляемого способа используют механические резонаторы, обладающие собственными частотами колебаний в поперечном направлении, например стержень, пластину с консольным или концевым креплением.
Для упрощения конструкции устройства, применяемого для осуществления заявляемого способа, механические резонаторы и кавитатор совмещают.
При формировании потока текучей среды с использованием сопла происходит преобразование давления (напора) текучей среды перед собой в скорость после себя.
В этом случае скорость высчитывают по следующей формуле
,
где φ - коэффициент скорости;
Н - падение напора на сопле.
Примером формирования потока текучей среды за счет движения самого кавитатора и резонатора относительно потока служит обтекание потоком закрепленных на лопастях винта резонатора и кавитатора. При вращении винта происходят те же процессы, что и при натекании текучей струи на неподвижный кавитатор. В этом случае скорость потока высчитывают по формуле
,
где r - расстояние от кавитатора до центра вала вращения,
ω - частота вращения вала.
Для увеличения интенсивности акустических колебаний применяют пакеты механических резонаторов (гибких препятствий), снабженных кавитаторами и установленных друг от друга на расстоянии, кратном λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде. Для концентрирования энергии акустических колебаний и увеличения обратной связи на таком расстоянии от крайнего резонатора размещают отражатель, представляющий собой или отдельный конструктивный элемент, или стенки корпуса устройства и направляющий акустические колебания либо в сторону сформировавших его механических резонаторов, либо в сторону соседних резонаторов. В результате в малом объеме сконцентрировано большое количество синхронно работающих резонаторов, и, соответственно, в данном объеме возможно достижение высокой интенсивности протекания процесса.
Выбранное расстояние между гибкими препятствиями, кратное λ/4, является наиболее оптимальным с точки зрения резонанса.
По конструкции отражателя, в качестве которого, как правило, используют корпус устройства, различают конструкции с цельным корпусом, например труба, с корпусом, состоящим из двух боковых стенок или с одной боковой стенкой (акустическая «пушка»). Данные конструкции позволяют увеличить объем озвучивания, что является наиболее эффективным при обработке больших объемов текучей среды. Кроме того, известны устройства без отражателей, причем в данном случае процесс вхождения в режим автоколебаний замедляется.
Заявляемая группа изобретения поясняется чертежами, где
фиг.1 - общий вид устройства по первому варианту;
фиг.2 - общий вид устройства по второму варианту;
фиг.3 - вид сверху устройства по третьему варианту.
Устройство для акустического возбуждения колебаний в текучей среде по первому варианту (фиг.1) состоит из корпуса, включающего, по меньшей мере, две плоские или изогнутые пластины 1 и 2, пластину 3, содержащую сопла с выходными отверстиями, и направляющий аппарат 4, в котором в виде пакета консольно установлены механические резонаторы 5.1-5.n, выполненные в виде стержней, например с асимметричной клиновидной заточкой, или с выпуклым в сторону набегающего потока концом, или снабженных кавитаторами (на чертеже не показаны). Стенки корпуса выполняют функцию отражателей. При этом каждый из резонаторов 5.1-5.n расположен напротив сформированной соответствующим соплом струи текучей среды. Для контроля давления входной патрубок 6, связывающий нагнетающее устройство, например насос, с входной камерой 7, снабжен патрубком 8, к которому монтируют датчик давления или манометр (на чертеже не показаны). Расстояние от точек отражения, расположенных на отражателях до механических резонаторов, и расстояние между резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Данное устройство устанавливают в емкость (на чертеже не показана), за счет чего увеличивается объем озвучивания, а соответственно, и эффективность обработки текучей среды.
Устройство работает следующим образом.
С помощью насоса нагнетают давление в пульпопроводе, и текучая среда проходит во входную камеру 7, при этом сопла направляющего аппарата 4 формируют для создания развитой кавитации струи потока, которые обтекают механические резонаторы 5.1-5.n, например, снабженные кавитаторами. Образуется кавитационная зона - каверна, у которой возникают высокочастотные пульсации, обусловленные пульсационными процессами образующихся вихревых жгутов в конце каверны и сжимаемостью находящихся в ней газов и паров. Эти пульсации, а также подъемная сила возбуждают колебания механических резонаторов 5.1-5.n на собственной частоте и обертонах, а также создают акустические колебания в самой текучей среде. За счет созданных условий резонанса для определенного обертона, а именно обратной связи, создаваемой за счет отраженной волны от стенок корпуса, расположенных на расстоянии, кратном λ/4, от резонаторов. Амплитуда колебаний резонаторов на данной частоте увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды колебания каверны на данной частоте.
Заявляемое устройство по первому варианту может быть применено для обработки текучей среды, содержащей агрессивные ингредиенты, с соотношением жидкой и твердой фаз, равным не менее 1:3, значением рН от 1,0 до 13,0.
Заявляемое устройство по второму варианту (фиг.2) аналогично конструкции первого. Отличием является выполнение корпуса, а именно, по меньшей мере, одна из стенок выполнена в виде плоской или изогнутой пластины 1, напротив которой расположены стойки 9.1 и 9.2 (поз. 9.2 на чертеже не видна).
Работа данного устройства осуществляется аналогично вышеописанной работе устройства по первому варианту, за исключением того, что акустическая энергия фокусируется в направлении стоек 9.1 и 9.2.
Преимуществом данной конструкции является возможность концентрировать акустическую энергию в одном направлении и, таким образом, позволяет обрабатывать не только текучую среду, но и помещенные в нее материалы, например металлические детали.
Заявляемое устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по третьему варианту (фиг.3) состоит из корпуса 10, функцию которого выполняет сама емкость, в которой размещен вал 11 двигателя, имеющий удлиненную форму. На валу 11 закрепляют механические держатели 12.1-12.n с размещенными на них механическими резонаторами 5.1-5.n, снабженными выпуклыми кавитаторами 13.1-13.n, при этом расстояние от стенок емкости до резонаторов и между резонаторами кратно λ/4. В случае выполнения корпуса с вогнутой или выпуклой поверхностью его стенки будут являться отражателями. В противном случае функцию отражателей выполняет установленная перпендикулярно держателям 13.1-13.n на расстоянии, кратном λ/4, от них пластина (на чертеже не показана).
Работа данного устройства осуществляется следующим образом.
При вращении вала двигателя и резонаторов, снабженных кавитаторами, образуется каверна, у которой возникают высокочастотные пульсации, которые совместно с подъемной силой возбуждают колебания механических резонаторов на собственной частоте и обертонах, а также создают колебания в текучей среде. За счет созданных условий резонанса для определенного обертона, а именно обратной связи, образуемой благодаря отраженной от стенок емкости или пластины-отражателя, амплитуда колебаний резонатора на данной частоте увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды самой каверны на данной частоте. Для снижения скорости текучей среды, при которой возникают акустические колебания, в емкость с помощью барботажа подают газовую или воздушную смесь.
Данная конструкция позволяет не применять нагнетающее устройство для разгона текучей среды. Кроме того, во время процесса происходит дополнительное перемешивание не только за счет вращения поперечно смонтированных держателей, но и с помощью установленных для этих целей насадок, в том числе, лопаток, импеллеров и т.п.
Срывающиеся с поверхностей механических резонаторов завихрения текучей среды и собственные колебания резонаторов возбуждают в текучей среде гармонические акустические колебания в виде периодических импульсов давления. При этом происходит интенсивное перемешивание текучей среды во всем объеме обработки. Периодические импульсы модулируют колебания каждой струи, обеспечивая обратную связь и незатухающие акустические колебания. Результатом является увеличение амплитуды возбужденных гармонических акустических колебаний в условиях резонанса с колебаниями механических резонаторов. Происходит образование расширенной по зоне обработки кавитационной области, которая воздействует на ингредиенты среды. Под воздействием акустических и ультразвуковых волн в текучей среде возникают избыточные давления и напряжения растяжения, вследствие чего на границе раздела жидкой и твердой фаз имеют место явления окислительно-восстановительного действия, благодаря которым получают стойкую эмульсию и суспензию с размерами частиц достаточно высокой дисперсности. Кроме того, повышается образование и растворение коллоидных частиц, в том числе гидроокиси железа. Образуется защитный слой, предохраняющий поверхность механических резонаторов, насосного оборудования и трубопроводов от коррозии.
Заявляемая группа изобретений может быть использована как на подготовительных, так и на основных операциях технологических процессов диспергирования, измельчения твердых частиц в жидкой фазе суспензий с одновременной ее акустической активацией и достижением высокой степени однородности многофазных жидких, жидко-твердых или жидко-твердо-газовых систем, а также для эмульгирования жидких примесей при соотношении жидкой и твердой фазы, равном не менее 1:3, значением рН среды, равным 1,0-12,0, с содержанием агрессивного агента.