УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАВИТАЦИОННОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, АКТИВАЦИИ, ДЕЗИНФЕКЦИИ ВЕЩЕСТВА
DEVICE FOR CAVITATION GRINDING, ACTIVATION, DISINFECTION OF SUBSTANCE

Изобретение относится к способам измельчения частиц различных веществ, размещенных в жидкой среде, а так же может быть использовано для активации этих веществ или для их дезинфекции. Возможно использование предложенного способа для попутного получения тепла при проведении операций по измельчению или активации или дезинфекции веществ.
Известен способ измельчения, активации или дезинфекции веществ, построенный на электрогидравлическом эффекте [1]. По этому способу вещество размещают в жидкость, далее многократно простреливают жидкость электрическим разрядом. При этом при периодическом электрическом пробое жидкости возникают электрогидравлические удары, которые воздействуют на обрабатываемое вещество, размельчая его, активируя его (увеличивая его поверхность), дезинфицируя его. На основе этого способа Л.А.Юткиным сделан ряд изобретений, нашедших применение в промышленности в период 1956 -: - 1986 г.г.
-6
-6
Основным недостатком данного способа является его высокая электроопасность и низкая энергоэффективность. По этому способу подводимую к обрабатываемому веществу энергию электрогидравлического удара первоначально накапливают в электрическом конденсаторе, имеющем напряжение порядка 20 тысяч Вольт и емкость порядка 1 мкФ (10 фарад). При этом цикл заряда высоковольтного конденсатора составляет несколько секунд, а его разряд протекает за время порядка 1 микросекунды (10секунды). То есть общая энергия заряженного конденсатора в цикле составляет порядка 200 Джоулей. Измельчитель Юткина, имеющий цикл заряда высоковольтного конденсатора 10 секунд, способен обеспечивать подвод энергии к обрабатываемому веществу не более 20 Джоулей в секунду (20 Ватт). При этом в момент разряда высоковольтного конденсатора в нем возникают огромные импульсные токи, которые в конечном итоге и приводят к его физическому разрушению. Обеспечить высокий уровень электробезопасности подобного оборудования крайне сложно из-за работы высоковольтного конденсатора в критическом режиме. Отмеченные выше недостатки электрогидравлических измельчителей Юткина не позволили их широко применять на практике, известно только их применение для дробления кимберлитовой породы для последующего извлечения из нее сохраняющихся из-за своей уникальной твердости алмазов.
Отмеченные выше недостатки устраняются кавитационными измельчителями, например, «Измельчитель конусно-кавитационный» [2], который позволяет передавать значительную механическую энергию обрабатываемому веществу механически размалывая его между двумя конусами. При этом происходит домалывание вещества за счет кавитации, возникающей на выемках поверхностей конусов, вращающихся со значительными угловыми скоростями.
Основным недостатком устройства [2] является то, что оно не может осуществлять помол обрабатываемого вещества даже до микронных размеров. Обработанное таким измельчителем вещество имеет низкий уровень активированности (недостаточно большую поверхность помолотого вещества), дезинфекцию обрабатываемого вещества подобные устройства осуществлять не могут, так как размеры вирусов много меньше размеров частиц вещества на выходе устройств этого типа и кавитационные эффекты возникают не во всем объеме обрабатываемой пульпы кавитационной камеры, а только в малой части ее объема.
Осуществить более высокий уровень помола удается в кавитационных устройствах, использующих ультразвук [3]. В «Кавитационном реакторе» [3] может быть осуществлена дезинтеграция вещества, размещенного в жидкую среду до частиц крайне малых размеров (десятки и сотни нанометров), что обеспечивает высокий уровень его активации (значительную площадь его поверхности) и полную дезинфекцию. Устройства типа [3] электробезопасны и долговечны в сравнении с измельчителями Юткина [1], однако они, так же как и измельчители Юткина, не способны быстро осуществлять помол вещества из-за их низкой энергоэффективности. Излучатели ультразвука, находящиеся в резонансе (именно резонанс или стоячая волна используется в [3] для интенсификации процессов) не способны быть проводниками значительной энергии. Крайне большие амплитуды колебаний в точках резонанса (в пучностях стоячей волны) как раз и свидетельствуют о том, что энергия хорошо накапливается устройством [3], но плохо передается обрабатываемому веществу.
Наиболее близким к предложенному способу является способ [4], по которому создают поток воды по замкнутому контуру с помощью вращающихся элементов кавитационно-вихревого теплогенератора (эти вращающиеся элементы создают дополнительный насосный эффект). По способу [4] предложено усиливать кавитационно-тепловой эффект за счет введения газовых потоков (потока кислорода и потока водорода), получаемых без их разделения и без их дополнительного смешивания электролизом воды, используемой в самом кавитационном теплогенераторе.
Основным недостатком способа [4] является то, что он не предназначен для измельчения веществ их активации или их дезинфекции. Кроме того, эффективность кавитационных процессов в устройствах, выполненных по способу [4], низка. Кавитационные процессы в устройствах по способу [4] основную часть энергии получают от механического вращения элементов кавитатора. Известно, что только незначительная часть механической энергии вращения элементов кавитатора преобразуется в энергию кавитации, большая часть механической энергии вращения элементов кавитатора не переводится в энергию кавитационных процессов. У насосов, работающих в нормальном режиме, вообще не возникает кавитационных процессов, то есть они вообще не осуществляют даже частичное перераспределение механической энергии потока жидкости в ее кавитационную составляющую. На сегодняшний день нет достоверных методик для оценки коэффициента перевода механической энергии вращающихся элементов кавитаторов (насосов) или потока жидкости в вихревых кавитаторах, не имеющих вращающихся элементов.
Кавитационный эффект в устройствах, выполненных по способу [4], в сравнении с другими аналогичными устройствами, действительно усиливается, но усиление это не значительно. Усиление связано с дополнительным насыщением кавитирующей жидкости газом (кислородом и водородом) и частичным сгоранием выработанного кислорода и водорода при кавитационных эффектах. В устройстве [4] усиление кавитации за счет энергии сгорания водорода и кислорода при схлопывании пузырьков их смеси незначительно. Всю энергию электролиза воды устройства, выполненные по способу [4], перевести в энергию кавитации неспособны. Именно по этой причине устройство, выполненное в соответствии с фигурой - 1 описания [4], имеет канал - 16 отвода избыточной части смеси кислорода и водорода из зоны электролиза и подвода этой избыточной части смеси в камеру сгорания - 17 двигателя внутреннего сгорания - 18.
Технической задачей предлагаемого изобретение является повышение эффективности процессов кавитационного измельчения, активации или дезинфекции обрабатываемого вещества за счет более интенсивного подвода энергии кавитации к обрабатываемому веществу. Подзадачей является гораздо более полный перевод в энергию кавитационных процессов химической энергии сгорания, подводимой к устройствам смеси газов. Дополнительной побочной целью предложенного способа является повышение эффекта тепловыделения за счет кавитации в расчете на единицу массы кавитационного нагревателя при одновременном снижении его энергопотребления.
Поставленная цель достигается за счет того, что предложено для кавитационного измельчения, активации, дезинфекции вещества вводить его в жидкую среду (воду, масла, спирты, углеводороды или другие жидкости) и организовывать движение жидкости по замкнутому циклу. При этом движение жидкости предложено осуществлять циркуляционным насосом малой мощности, который не способен воспроизвести эффект кавитации в движущейся жидкости. Для появления кавитационного эффекта измельчения твердого вещества или кавитационного эффекта смешивания двух не смешиваемых жидкостей предложено вводить в движущуюся по замкнутому контуру жидкость пузырьки газовой смеси, состоящие из газа-топлива и газа-окислителя в пропорции оптимальной для их сгорания. Далее предложено организовывать синхронное схлопывание пузырьков газовой смеси, одним из известных способов, приводящих к детонации реакции взрывного сгорания, введенных в жидкость пузырьков газовой смеси. Например, может быть использован удар внешнего давления (любой внешний удар) или скачек внутреннего давления в жидкости при ее простреливании искровым электроразрядом (внутренний удар).
Заявляемый технический эффект по снижению размеров частиц измельченного вещества по предложенному способу достигается тем, что при кавитационном дроблении вещества, возникающем при схлопывании пузырьков газа и взаимном соударении частиц размалываемого вещества, находящегося на периферии пузырьков, возникают большие скорости схлопывания (соударения). Увеличение скорости схлопывания происходит за счет подвода существенно большей энергии кавитации в виде энергии сгорания смеси газов в каждом пузырьке. Кроме того, эффект дополнительно усиливается за счет синхронного схлопывания всех пузырьков газовой смеси. Во всех, ранее известных кавитационных способах (устройствах) аналогах и прототипе отсутствует синхронизация схлопывания всех кавитационных пузырьков. В предложенном способе присутствуют эффекты не только локальных скачков давления при реакции сгорания газа каждого пузырька, но и присутствует общий суммарный скачек давления, обусловленный синхронным схлопыванием всех пузырьков газа. Общий значительный скачек давления несущественен для эффекта измельчения вещества, но позволяет эффективно стерилизовать обрабатываемое вещество и жидкость, обрабатывающую измельчаемое вещество.
Таким образом, по предложенному способу удается вводить больше энергии в проходящие кавитационные процессы измельчения, активации, дезинфекции, нагревания, минуя стадии ее промежуточного перевода в электрическую энергию (как у аналога [1]), механическую энергию (как у аналога [2] и прототипа [4]) или энергию ультразвуковых стоячих волн в жидкости (как у аналога [3]). По предложенному способу химическая энергия сгорания пузырьков смеси газа-топлива и газа-окислителя практически полностью и синхронно (лавинообразно) в очень короткий интервал времени (несколько микросекунд) преобразуется в энергию кавитационного измельчения, активации, дезинфекции обрабатываемого вещества и в тепловую энергию всей установки. Синхронность кавитационного схлопывания всех пузырьков газа, расположенных по всему объему жидкости кавитационной камеры обеспечивает полную дезинфекцию как этой жидкости, так и обрабатываемого вещества. Подвод к обрабатываемому веществу большей энергии кавитации обеспечивает более тонкое измельчение обрабатываемого вещества за одинаковый интервал времени в сравнении с устройствами прототипами, реализующими способ-прототип. Кроме того, обеспечивается экономия топлива (горючей газовой смеси) при одновременном росте производительности предложенного способа по сравнению со способом-прототипом.
Предложенный способ кавитационного измельчения, кавитационной активации, кавитационной дезинфекции, кавитационного нагревания может быть реализован в виде устройства, описание которого соответствует п.2 формулы изобретения. Устройство состоит из циркуляционного насоса с его приводом, камеры кавитации, фильтра, препятствующего выносу пузырьков газа из кавитационной камеры, замкнутого контура прокачки жидкости, образованного насосом, трубопроводами, фильтром, кавитационной камерой. Трубопроводы замкнутого контура прокачки жидкости подключены к насосу и кавитационной камере таким образом, чтобы в кавитационной камере образовывался вихрь прокачиваемой жидкости, препятствующий оседанию (всплытию) обрабатываемого вещества или расслоению обрабатываемой смеси жидкостей. Кроме того, кавитационная камера подключена к трубопроводу откачки жидкости через заградительный фильтр таким образом, чтобы над входом трубопровода откачки образовывалась полость сбора смеси газов, прошедших через жидкость. В верхней части полости сбора газа камеры кавитации расположена свеча зажигания с двумя электродами, подключенная своим центральным электродом через блок коммутации к высокому напряжению, причем вход управления блока коммутации подключен к блоку задания времени зажигания. Корпус камеры кавитации выполнен из проводящего материала (например, металла) и электрически соединен с корпусом свечи зажигания, а так же заземлен. Источник высокого напряжения так же имеет заземление. Кроме того, к нижней части камеры кавитации подсоединен трубопровод подвода жидкости из замкнутого контура ее циркулирования и трубопровод подачи смеси газа-топлива с газом-окислителем, соединенный через смеситель с источниками газа-топлива и газа-окислителя.
Описанное выше устройство может быть улучшено в соответствии с п.3 формулы изобретения. В этом случае в кавитационную камеру дополнительно введены электроды, причем они установлены так, что зазор между электродами расположен в центре кавитационной камеры, один из этих электродов соединен через блок коммутации с источником высокого напряжения, а другой электрод заземлен через контакт с корпусом камеры кавитации.
Устройство, реализующее предложенный способ, изображено на чертеже, где использована следующая нумерация элементов:
1) насос с приводом;
2) кавитационная камера;
3) фильтр, препятствующий выносу пузырьков газа из кавитационной камеры-2;
4) свеча зажигания, заимствованная у двигателей внутреннего сгорания;
5) коммутатор высокого напряжения;
6) блок создания высокого напряжения;
7) блок управления, задающий время зажигания;
8) смеситель подводимых газов;
9) источник газа-топлива (например, водорода);
10) источник газа-окислителя (например, кислорода);
11) дополнительные электроды: 11а - изолированный электрод, 11б - заземленный электрод.
Составные элементы предложенного устройства, предназначенного для реализации предложенного способа, соединены между собой следующим образом: вход насоса - 1 подключен к выходу фильтра - 3, через трубопровод. Вход фильтра - 3 подсоединен к верхней левой части сферической камеры кавитации 2, таким образом, что над входом фильтра - 3 из части сферы кавитационной камеры - 2 образуется замкнутая полость для сбора в ней газа. Выход насоса - 1 соединен через трубопровод с правой нижней частью камеры кавитации - 2. Напротив выходного трубопровода насоса - 1 в нижней части камеры кавитации - 2 подключен трубопровод подачи газовой смеси, соединенный со смесителем - 8. Первый вход смесителя - 8 соединен трубопроводом с выходом источника газа-топлива - 9, второй вход смесителя - 8 соединен трубопроводом с выходом источника газа-окислителя - 10.
В верхней части сферической кавитационной камеры - 2 имеется резьбовое отверстие куда вкручена свеча зажигания - 4. Рядом имеется второе отверстие, куда вкручен изолированный электрод - 11а. Внутренний конец изолированного электрода - 11а расположен в центральной части кавитационной камеры рядом с другим концом другого заземленного электрода - 11б. Расстояние между концами двух электродов - 11а и 11б выбрано равным 20 миллиметрам. Второй конец электрода 11б закреплен сваркой к корпусу кавитационной камеры - 2. Корпус кавитационной камеры - 2 заземлен.
Внешние изолированные концы свечи зажигания - 4 и изолированного электрода - 11а подключены высоковольтными электропроводами к выходам коммутатора высокого напряжения - 5. Входы коммутатора высокого напряжения - 5 подключены высоковольтными электропроводами к выходам блока создания высокого напряжения - 6, который имеет выход заземления, подключенный к заземлению кавитационной камеры - 2.
Устройство для реализации способа, соответствующее п.2, формулы изобретения, работает следующим образом: насос - 1 прокачивает жидкость (например, воду) через замкнутый контур, образованный входным трубопроводом насоса - 1, самим насосом - 1, трубой соединения выхода насоса - 1 и камеры кавитации - 2, входным отверстием фильтра - 3 и самим этим фильтром, трубой на выходе фильтра - 3 и входе насоса - 1. При прокачке воды по этому замкнутому контуру в камере кавитации образуется закручивающийся поток, который не способен создать кавитацию, но не дает осесть обрабатываемому веществу (например, песку). Мощности насоса - 1 хватает только на организацию циркуляции взвеси песка в воде, но недостаточно для появления кавитационного эффекта при попадании водной взвеси песка в кавитационную камеру из входного патрубка насоса - 1.
Для организации кавитационного измельчения песка, его активации, или дезинфекции из источника горючего газа - 9 (например, водорода) по соответствующему трубопроводу поступает водород в смеситель - 8, из источника газа окислителя - 10 поступает окислитель (например, кислород) на второй вход смесителя - 8. Смеситель - 8 настроен таким образом, чтобы осуществлять смешивание водорода и кислорода в пропорции два к одному, образуя тем самым гремучий газ, способный сгорать до воды без газовых остатков. Гремучий газ поступает в виде пузырьков в кавитационную камеру - 2, где смешивается с закрученной пульпой воды и песка. При этом часть гремучего газа поднимается в верхнюю часть кавитационной камеры, образуя там газовый конус над вращающейся пульпой песка. По мере поступления газа в кавитационную камеру газовый конус увеличивается в объеме. При этом пузырьки гремучего газа не могут попасть в насос - 1, так как на входе насоса - 1 расположен фильтр - 3, препятствующий прохождению пузырьков. Объем поступившего газа в кавитационную камеру заранее известен и блок управления - 7 заранее настроен таким образом, чтобы при образовании газового конуса требуемого размера подать высокое напряжение на свечу зажигания - 4, через коммутатор - 5 от блока высокого напряжения - 6.
Появление высокого напряжения на центральном электроде свечи зажигания - 4 приводит к появлению на ее разрядных электродах искры. Искра свечи зажигания - 4 воспламеняет конус гремучего газа под ней, который взрывается, обеспечивая скачек давления в кавитационной камере - 2. Скачек давления в кавитационной камере - 2 приводит к детонации всех пузырьков гремучей газовой смеси во всем объеме песчано-водяной пульпы. Каждый из пузырьков расширяется и затем охлопывается, придавая ускорения близлежащим молекулам воды и песчинкам в направлении центра влопывающегося пузырька. Происходит соударение частиц измельчаемого вещества друг о друга и о молекулы воды, это взаимодействие и приводит к эффекту кавитационного измельчения песка до размеров частиц в несколько микрон. Процесс повторяют многократно до нужного измельчения частиц обрабатываемого вещества (песка). При этом процесс измельчения идет интенсивно, но медленно из-за необходимости формировать конус взрывающейся газовой смеси в каждом цикле воздействия на измельчаемое вещество. Процесс измельчения идет автоматически заранее заданное время.
После получения частиц песка в несколько микрон возможно последующее их измельчение за счет другого режима работы устройства, соответствующего п.3 формулы изобретения. Во втором режиме работы блок управлении - 7 не дожидаясь формирования ударного конуса газа периодически подключает высокое напряжение к изолированному электроду - 11а. Между изолированным электродом 11а и заземленным электродом 11б возникает электрический разряд, мощность которого достаточна для детонации небольшого объема газовых пузырьков, находящихся в районе разряда (в центре кавитационной камеры). Взрыв малого числа пузырьков приводит к детонации других еще не взорвавшихся пузырьков газовой смеси. При этом возникает эффект, близкий к эффекту Юткина, но на его поддержание требуется незначительная электрическая мощность, так как электрическая мощность искры расходуется только на детонацию.
Само же кавитационное измельчение, активация, дезинфекция, нагревание поддерживается за счет химической энергии пузырьков гремучего газа. В том случае, если гремучий газ получается электролизом воды (как у прототипа) происходит прямее преобразование энергии электролиза в энергию кавитационных процессов. При первом и втором режимах возбуждения кавитационных процессов происходит полное сгорание введенного в пульпу гремучего газа или почти полное преобразование большей части химической энергии гремучего газа в энергию кавитационного воздействия. Коэффициент преобразования химической энергии газа-топлива и газ-окислителя в энергию кавитации у предложенного устройства, много выше, чем у устройств аналогов и устройства-прототипа.
Два описанных выше режима работы устройства существенно отличаются друг от друга по своим механизмам возбуждения кавитации и силе воздействия кавитации на измельчаемое вещество. Первый режим поджигания искрой свечи зажигания ударного газового конуса (режим внешнего детонационного удара) является наиболее жестким, но и самым медленным. Он требует вводить в пульпу много газовой смеси и практически не потребляет энергии от источника высокого напряжения. Второй режим является более мягким, так как требует вводить в пульпу меньше газовой смеси и использует детонацию от внутреннего прострела жидкости искрой. Во втором режиме работы устройство потребляет от источника высокого напряжения значительно больше энергии, так как требуется чаще простреливать жидкость и на каждый прострел жидкости требуется тратить больше энергии, чем на единичный прострел газовой смеси.
Чередуя первый и второй режимы работы устройства, удается получить широкий диапазон кавитационных режимов работы с разнотипными веществами в разных жидкостях. Для каждого вещества, обрабатываемого в конкретной жидкости, подбирается свой режим работы устройства, который затем прошивается в контроллере блока управления - 7. При этом заявленное устройство может выполнять разные функции: измельчение вещества, активацию вещества, дезинфекцию вещества и жидкости или даже функцию нагревания окружающей среды. Так же устройство может работать на разных газовых смесях, таких как кислород-водород, метан-воздух, пропан-воздух, и так далее. Для каждой решаемой задачи подбирается свой оптимальный режим возбуждения кавитации, поддерживаемый далее блоком управления периодом и режимом детонации - 7.
В целом предложенный способ и устройство для его реализации оказываются значительно более эффективными в сравнении с аналогами и прототипом из-за прямого преобразования химической энергии газовой смеси в кавитационную энергию обработки жидкости и измельчаемого вещества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986.
2. Описание изобретения к патенту RU 2329867 С2, «Измельчитель конусно-кавитационный», В02С 2/10, опубликовано 27.07.2008. Бюл. №21, начало действия патента 23.01.2006, авторы: Свиридов Д.П., Кущин А.А. и др.
3. Описание изобретения к патенту RU 2286205 С2, «Кавитационный реактор», B01F 11/02, B01J 19/10, опубликовано 27.10.2007. Бюл. №30, приоритет 16.02.2005, автор Шестаков С.Д., патентообладатель Никольский К.Н. (RU).
4. Описание изобретения к патенту RU 2326296 С2, «Способ повышения энергоэффективности гидродинамического теплогенератора», F24J 3/00, опубликовано 10.06.2008. Бюл.№16, автор Бритвин Л.Н., приоритет от 22.02.2006, патентообладатель ООО «НПФ ТГМ» (RU).