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 (далее - реакционная камера), 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.
Известно устройство для обработки материалов (Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Изд. "Техника", 1976 – [1]), представляющее собой корпус в виде полого цилиндра из немагнитного материала, помещенный внутрь индуктора. Индуктор создает вращающееся ЭМП. Внутрь корпуса полого цилиндра плотно вставлена цилиндрическая втулка из немагнитного материала, являющаяся реакционной камерой устройства, внутри которой находятся ферромагнитные частицы. Под действием вращающегося ЭМП ферромагнитные частицы, выполненные в виде тонких цилиндрических стержней, 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 оси реакционной камеры, и поступательно перемещаются по круговым траекториям вокруг продольной оси реакционной камеры, образуя, тем самым, облако или рой интенсивно движущихся в пространстве реакционной камеры ферромагнитных частиц - вихревой слой.
Как было установлено самими авторами документа [1], многочисленные ударные воздействия ферромагнитных частиц о стенки вставной втулки приводят к ее быстрому разрушению вплоть до возникновения в ней сквозных отверстий уже всего через 200-1000 часов работы ФХР, что требует частой периодической замены вставной втулки, которая выполняет роль защиты рабочей трубы корпуса индуктора. Однако, распространение при этом ударно-вибрационных воздействий на корпус аппарата 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 камеру в широком диапазоне температур - от экстремально низких до экстремально высоких. При этом, поскольку рабочая камера находится в цилиндрической немагнитной трубе, являющейся одновременно корпусом 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.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели рассматривается аппарат вихревого слоя, известный из RU 2072257 [2].
Известное из [2] устройство для обработки материалов содержит индуктор вращающегося ЭМП, имеющий осевой канал, в котором с зазором к стенкам канала установлена рабочая камера в виде трубы из немагнитного материала, в реакционной зоне которой расположена сменная вставка  с ферромагнитными частицами, представляющая собой реакционную камеру. Труба  фиксируется в осевом канале индуктора при помощи установочных винтов, которые крепятся к корпусу (обечайке) индуктора. Кроме того, труба через уплотнения контактирует с торцевыми крышками кожуха индуктора. Снаружи рабочая труба, находящаяся по существу  внутри кожуха индуктора по длине в пределах торцевых крышек кожуха индуктора, омывается, как и индуктор, охлаждающей жидкостью.
Недостаток прототипа [2] заключается в том, что многочисленные удары ферромагнитных частиц о стенки сменной вставки, плотно  вложенной в трубчатую реакционную камеру аппарата, передаются в виде ударно-вибрационных воздействий на корпус рабочей камеры и далее через установочные крепежные винты - на обечайку, полюса и обмотки охватывающего ее индуктора, приводя к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая, тем самым, срок службы индуктора и устройства в целом.
Кроме того, различные жидкие среды для их физико-химической обработки с помощью ФХР подают в реакционную камеру в широком диапазоне температур – вплоть до экстремально высоких. Поскольку рабочая камера в [2] частично имеет контакт через регулировочно-крепежные винты и уплотнения в крышках кожуха с корпусом индуктора, а также омывается охлаждающей индуктор жидкостью, то при высоких температурах обрабатываемой среды охлаждающая жидкость и индуктор дополнительно нагреваются со стороны обрабатываемой среды, что также  приводит к повреждению индуктора, особенно его обмоток, и его преждевременному выходу из строя.
Таким образом, является актуальной проблема повышения эффективности и надежности работы ФХР.
Выявленные недостатки конструкций в аналоге [1] и прототипе [2] предлагается устранить с помощью ФХР согласно настоящей полезной модели.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эксплуатационной долговечности ФХР.
Указанный технический результат достигается тем, что в физико-химическом реакторе с вихревым слоем, содержащим индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий по существу цилиндрический осевой  канал, в котором установлена трубчатая реакционная камера из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц, реакционная камера и индуктор подвешены относительно друг от друга на независимых опорах по существу соосно с обеспечением кольцевого воздушного зазора между ними.
В одном из вариантов реализации реакционная камера и индуктор подвешены с возможностью их взаимного соосного регулирования.
Желательно обеспечение минимальной величины зазора между реакционной камерой и индуктором, т.е. между наружной поверхностью реакционной камеры и внутренней поверхностью полости индуктора, но достаточную для того, чтобы компенсировать возможное температурное расширение камеры и амплитуду механических вибраций для предотвращения передачи ударно-вибрационных и термических воздействий с корпуса реакционной камеры на корпус индуктора.
В одном из вариантов реализации величина кольцевого зазора составляет не менее 2 мм.
Таким образом, сущность предлагаемой полезной модели  заключается с том, что индуктор и реакционная камера подвешены  на независимых друг от друга опорах, но при этом соосно друг относительно друга и через кольцевой воздушный зазор, благодаря чему ударно-вибрационные колебания реакционной камеры, вызванные многочисленными ударами о ее стенки ферромагнитных частиц при работе ФХР, а также температурные воздействия обрабатываемой среды  на стенки реакционной камеры, не передаются на полюса индуктора и его обмотки из-за отсутствия между реакционной камерой и индуктором прямого контакта, что повышает эксплуатационную долговечность ФХР.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР,
где 1 - индуктор, 2 - корпус индуктора, 3 - реакционная камера, 4 - воздушный зазор, 5 - ферромагнитные частицы, 6 - торцевые решетки.
На фиг. 2 представлен вид торцевой решетки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую реакционную камеру 3 из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи кольцевым индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 и обмотками. Индуктор имеет внутреннюю полость (расточку или осевой канал) по существу цилиндрической (кольцевой) формы, в которую помещена трубчатая, по существу цилиндрическая, реакционная камера 3. В реакционной камере 3 размещено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5, удерживаемых в активной рабочей зоне индуктора, т.е. в зоне воздействия вращающегося ЭМП внутри реакционной камеры 3, решетками 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.
Реакционная камера 3 и индуктор 1 подвешены  относительно друг друга на независимых подвесах (опорах) по существу соосно друг с другом и с обеспечением малого воздушного зазора между ними, т.е. между наружной стенкой реакционной камеры 3 и внутренней стенкой полости корпуса 2 индуктора. Для обеспечения по существу соосного расположения индуктора 1 и реакционной камеры 3 могут быть предусмотрены средства для их взаимного соосного регулирования. Под средствами взаимного соосного регулирования понимаются средства обеспечения соосного расположения реакционной камеры 3 и осевого канала индуктора 1 в пространстве с обеспечением по существу постоянного кольцевого воздушного зазора между ними как в окружном, так и в продольном направлении реакционной камеры 3 и индуктора 1 соответственно. Средства для взаимного соосного регулирования реакционной камеры 3 и индуктора 1 могут быть выполнены, например, в виде винтовых регуляторов их пространственного положения, закрепленных (расположенных) на независимых подвесах.
В качестве независимых подвесов реакционной камеры 3 и индуктора 1 могут быть использованы, например, отдельно стоящие опоры.
Предпочтительно зазор между трубчатой реакционной камерой и внутренней поверхностью корпуса 2 индуктора является малым, но не менее 2мм. Величина зазора выбирается исходя из обеспечения  свободы температурного расширения цилиндрической реакционной камеры 3, максимальной амплитуды ее механической вибрации при ударных воздействиях о ее корпус ферромагнитных частиц 5, воздействий турбулентного потока обрабатываемой жидкости, а также свободной или принудительной вентиляции воздушного зазора 4 при температурных воздействиях.
Работает ФХР следующим образом. Электромагнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в рабочей зоне реакционной камеры вращающееся ЭМП. Текучая среда, поступающая в рабочую зону реакционной камеры 3, проходит через торцевые решетки 6, расположенные по границам рабочей зоны воздействия ЭМП в реакционной камере 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 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 независимой подвеске индуктора 1 и реакционной камеры 3 относительно друг друга, а также их соосной установки друг относительно друга через воздушный зазор 4, ударно-вибрационные колебания реакционной камеры 3, вызванные многочисленными ударами о ее стенки ферромагнитных частиц 5 и турбулентным потоком обрабатываемой жидкости при работе ФХР, а также температурные воздействия на стенки реакционной камеры 3 со стороны обрабатываемой, часто нагретой  текучей среды, не передаются на корпус индуктора 1 и его обмотки благодаря отсутствию между реакционной камерой 3 и корпусом 2 индуктора 1 непосредственного механического контакта, что повышает эксплуатационную долговечность ФХР.
По существу соосное размещение реакционной камеры 3 в полости индуктора 1 позволяет, с одной стороны обеспечить минимальную величину кольцевого зазора между наружной стенкой трубы реакционной камеры 3 и внутренней поверхностью полости корпуса 2 индуктора 1, т.е. максимально эффективно использовать внутреннее пространство индуктора 1 для размещения в нем реакционной камеры 3, и, с другой стороны, предотвратить передачу ударных, вибрационных и температурных воздействий от стенок реакционной камеры 3 на корпус 2 индуктора 1.
Предлагаемая полезная модель позволяет, таким образом, продлить эксплуатационную долговечность и эффективность ФХР.