КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР
CAVITATION REACTOR

Изобретение относится к аппаратам для трансформирования посредством кавитации в жидкости энергии упругих гармонических колебаний, распространяемых в ней более чем двумя источниками ультразвука. Реактор предназначается для интенсификации физико-химических процессов в жидкости и в парогазовой смеси внутри кавитационных пузырьков, которые пульсируют под воздействием переменного звукового давления, образованного суперпозицией порождающего кавитацию ультразвука и кавитационного шума от пульсации самих пузырьков. Изобретение может быть использовано в сонохимии, а также для изучения и практического использования сонолюминесценции и соносинтеза.
Конструкция многих известных кавитационных реакторов позволяет реализовывать так называемое параметрическое усиление кавитации [1] или, иными словами, увеличивать трансформируемую на кавитации часть энергии ультразвуковых колебаний, то есть повышать кавитационную активность. Такое усиление осуществляют путем управления параметрами кавитационного процесса: температурой, статическим давлением, насыщенностью жидкости газами [2, 3], подбирая жидкость и газ внутри пузырьков с определенными физико-химическими свойствами [4], а также управляя интенсивностью ультразвука, в том числе для синхронизации захлопывания пузырьков [2]. При этом должны быть выполнены особые требования к жидкости и газу и/или затрачена дополнительная энергия на дегазацию жидкости, поднятие статического давления в ней, ее охлаждение или увеличение амплитуды звукового давления в порождающих кавитацию упругих волнах. Это, в свою очередь, ведет к усложнению конструкции реактора, снижает его КПД и затрудняет управление процессом. Кроме того, здесь не принимается в расчет интерференция упругих колебаний, порождаемых пульсацией самих кавитационных пузырьков, которая в случае многопузырькового процесса способна как повышать, так и понижать кавитационную активность [1, 5]. Все это препятствует достижению технического результата изобретения.
Известны кавитационные реакторы с одним или несколькими действующими синфазно источниками ультразвука, в которых кавитация фактически порождается единой упругой волной, хотя она и не имеет сплошного фронта [RU 2209112, 2002, RU 2228217, 2003, RU 2228217, 2004, RU 2252070, 2005, RU 2290990, 2007]. Эту волну формируют в соответствии с известной закономерностью пространственного распределения плотности выделяемой в жидкости за конкретный промежуток времени потенциальной энергии кавитации, определяющей среднеквадратичную амплитуду звукового давления кавитационного шума [5], которая и может служить показателем кавитационной активности. Вид распределения плотности мощности кавитации в них задают в зависимости от скорости звука в жидкости и частоты ультразвуковых колебаний соотношением размеров занимаемого ультразвуковой волной пространства. Известно, что плотность выделяемой за определенный промежуток времени потенциальной энергии кавитации в пространстве одной упругой волны с заданной амплитудой звукового давления, сколь бы ни велико было это пространство, имеет предел [5]. Существуют реакторы, которые содержат или могут содержать несколько независимых друг от друга излучателей параллельно распространяющихся ультразвуковых волн, как с управляемыми, так и с неуправляемыми фазами [US 4618263, 1986, РСТ/АТ 88/00034, 1987, PCT/GB 99/03857, 1998, RU 2151165, 2000]. Требования к соотношениям фаз колебаний, образующих эти волны, и требования к взаимному расположению излучателей в реакторе, которые могли бы повлиять на результаты суперпозиции ультразвуковых волн и кавитационного шума, и в тех и в других приведенных аналогах отсутствуют. Поэтому увеличить активность кавитации в них можно лишь путем увеличения статического давления и соответствующего увеличения мощности излучателей. Это обстоятельство не позволяет получить технический результат изобретения при использовании всех этих реакторов.
Наиболее близким аналогом изобретения является кавитационный реактор [RU 2286205, 2007], который содержит несколько образующих в жидкости упругие гармонические волны, в том числе имеющих форму коаксиальных полых цилиндров, резонаторов одинаковой частоты. Фазы этих волн опережают друг друга на величину отношения расстояний от узлов колебаний каждого из резонаторов до центра реактора к длине волны в жидкости. За счет суммирования мгновенных значений звукового давления кавитационного шума при суперпозиции колебаний от кавитации всех резонаторов в центре реактора с одинаковым знаком там увеличена кавитационная активность. Увеличения потребляемой реактором мощности при этом не требуется и доля энергии ультразвука, трансформируемая на кавитации вблизи центра реактора, повышена за счет усиления кавитации самой себя. То есть в реакторе реализовано так называемое [1, 6] непараметрическое усиление кавитации.
Этот реактор принят за прототип изобретения.
Прототип обладает следующими недостатками, препятствующими достижению указанного ниже технического результата. Во-первых, им не предъявляется каких-либо требований к размерам фронтов устанавливаемых внутри резонаторов волн. Поэтому при работе реактора возможно интерференционное ослабление кавитации внутри отдельных резонаторов, что снижает общее усиление кавитационного шума. Во-вторых, прототипом не предъявляется требований к взаимному размещению резонаторов в реакторе. Вместе с этим сдвиг фаз образуемых ими волн технически осуществляется при общем для всех резонаторов задающем генераторе частоты посредством электрических линий задержки, которые создают запаздывание фаз резонаторов по мере уменьшения их диаметров [6]. То есть количество таких средств управления фазами должно быть на одну единицу меньше, чем число резонаторов в реакторе, что усложняет управление реактором.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что при периоде пульсации пузырьков, в среднем равном периоду вызывающего кавитацию ультразвука, применима известная закономерность распределения средней за период амплитуды кавитационного шума [1, 5, 6]. Из [RU 2290990, 2007] известно также, что при определенных размерах круглых в плане резонаторов обеспечивается положение максимума кавитационного шума на оси резонатора. Следовательно, должен существовать диапазон размеров, в котором обеспечивается положение максимума кавитационного шума в геометрическом центре, и для резонаторов, образующих плоско-упругие волны с кольцеобразным фронтом. Поскольку в рассматриваемом варианте кавитационного реактора резонаторы расположены коаксиально, то в искомом диапазоне максимум кавитационного шума будет расположен в общем для всех них центре. При заданном зазоре между обращенными жидкость излучающими поверхностями резонаторов в общей для них плоскости можно установить суммарную протяженность фронтов волн, или, что равнозначно, излучающих поверхностей в диаметральном направлении такими, чтобы получить усиление кавитации вблизи геометрического центра реактора, не задавая сдвиг фазы каждого резонатора в отдельности, а лишь сдвинув ее у каждого второго из них в противофазу. То есть вместо прецизионных линий задержки, число которых в прототипе всего на единицу меньше числа резонаторов, можно обойтись одним фазоинвертором, сдвигающим в противофазу волны во всех резонаторах, имеющих, например, четный порядковый номер, при счете от резонатора с наименьшим внешним диаметром волновода. Ясно, что размер искомого диапазона будет уменьшаться с уменьшением числа резонаторов в реакторе. При числе их, равном двум, диапазон выродится в одно абсолютное значение, а изобретение и выбранный прототип будут при этом значении идентичны. Отличия от прототипа появляются только при числе резонаторов более двух. Удовлетворяющий техническому результату изобретения диапазон значений разностей внешнего и внутреннего диаметров излучающих поверхностей резонаторов, в зависимости от зазора между ними δ по диаметру, определен в результате анализа распределений интенсивности кавитационного шума в реакторе с тремя резонаторами. Относительно длины волны λ упругих колебаний в жидкости он составляет величину, которую можно выразить как 1,66-2,20δ±(0,16+0,08δ). При этом амплитуда звукового давления кавитационного шума в геометрическом центре реактора будет больше, нежели у прототипа изобретения.
Технический результат - увеличение максимального значения кавитационной активности в геометрическом центре реактора с коаксиальными кольцеобразными в плане резонаторами при одновременном упрощении управления этим реактором.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном реакторе, содержащем более двух коаксиально размещенных резонаторов одинаковой частоты, которые образуют в находящейся в реакторе жидкости плоско-упругие волны с кольцеобразной формой фронтов, отличие состоит в том, что разность внешнего и внутреннего диаметров поверхностей каждого резонатора относится к длине волны в обрабатываемой жидкости как 1,66±0,16-(2,2∓0,08)δ, где δ - зазор между этими поверхностями в общей для них плоскости, а фаза каждого четного резонатора сдвинута на 180° относительно фазы каждого нечетного резонатора.
При реализации этих отличий переменное давление от кавитации всех резонаторов в центре реактора в любой момент времени будет находиться приблизительно в одинаковой фазе, что приведет к увеличению там суммарной амплитуды звукового давления, являющейся результатом суперпозиции порождаемых резонаторами упругих гармонических колебаний жидкости и кавитационного шума. В итоге там увеличится кавитационная активность. При этом управлять фазой каждого резонатора в отдельности не потребуется и управление реактором упростится.
Пользуясь уравнениями теории кавитационного реактора [7], можно показать, что у прототипа с двумя полуволновыми резонаторами, то есть, когда требуется одно устройство для управления фазой, также как и у заявленного реактора с тремя резонаторами, у последнего при прочих равных условиях обеспечивается более высокий уровень звукового давления в центре. А у прототипа с тремя полуволновыми резонаторами и приблизительно одинаковым с заявленным реактором, имеющим четыре резонатора, уровнем звукового давления в центре требуется на одно больше устройств для управления фазами резонаторов.
Результаты сравнения показаны в таблице.
ОБЪЕКТ
Прототип
Изобретение
ПАРАМЕТР
Пример 1
Номер резонатора
1
2
-
1
2
3
-
Внутренний диаметр торца волновода, d, отн. ед.*
0
2,58
-
0
1,72
3,44
-
Наружный диаметр торца волновода, D, отн. ед.
2,36
4,94
-
1,50
3,22
4,94
-
Сдвиг фазы в соответствии с признаком объекта, угл. град.
0
56
-
0
180
0
-
Зазор между торцами волноводов (в плане), δ, отн. ед.
0,11
0,11
Суммарный уровень звукового давления в центре, дБ**
0,54
0,78
Пример 2
Номер резонатора
1
2
3
1
2
3
4
Внутренний диаметр торца волновода, d, отн. ед.
0
2,54
5,23
0
1,96
3,92
5,88
Наружный диаметр торца волновода, D, отн. ед.
2,39
4,93
7,62
1,74
3,70
5,23
7,62
Сдвиг фазы в соответствии с признаком объекта, угл. град.
0
45
156
0
180
0
180
Зазор между торцами волноводов (в плане), δ, отн. ед.
0,11
0,11
Суммарный уровень звукового давления в центре, дБ***
1,02
1,03
* относительно длины волны λ в жидкости** относительно реактора с одним цилиндрическим резонатором диаметром 4,94 длины волны*** относительно реактора с одним цилиндрическим резонатором диаметром 7,62 длины волны
Сравнение заявленного кавитационного реактора с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный реактор-автоусилитель обладает существенными в отношении технического результата отличительными признаками.
При анализе отличительных признаков заявленного кавитационного реактора не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления аналогичных ему требований к размерам резонаторов и фазам возбуждаемых ими плоско-упругих колебаний в жидкости внутри реактора с целью автоусиления кавитации в его геометрическом центре.
На фиг.1 показано сечение в плоскости обращенных в жидкость поверхностей волноводов прототипа кавитационного реактора-автоусилителя, рассмотренного в примере 1.
На фиг.2 показано сечение в плоскости обращенных в жидкость поверхностей волноводов заявленного кавитационного реактора-автоусилителя, рассмотренного в примере 1. Указанные в скобках абсолютные значения размеров даны для длины волны ультразвука частотой 28 кГц в химически чистой воде при комнатной температуре.
На фиг.3 приведена гистограмма для выбора значений разности внешнего и внутреннего диаметров поверхностей, между которыми в резонаторах при работе устанавливаются плоско-упругие волны, в зависимости от зазора между этими поверхностями в общей для них плоскости. По оси абсцисс отложены значения зазора, по оси ординат - разность внешнего и внутреннего диаметров поверхностей волноводов. То и другое в единицах длины волны. Диапазон значений, удовлетворяющий признаку изобретения затонирован.
На фиг.4 в аксонометрии показана конструкция реактора, сечение которого приведено на фиг.2. Масштаб условный.
Кавитационный реактор-автоусилитель с тремя резонаторами (фиг.4) предназначен для исследования явления сонолюминесценции в химически чистой воде с растворяемыми в ней различными газами и имеет основные параметры из приведенной выше таблицы (Пример 1). Основные размеры резонаторов, указанные на фиг.2, выбраны из гистограммы на фиг.3 следующим образом. В соответствии с отличительным признаком изобретения разность внешнего и внутреннего диаметров поверхностей каждого резонатора должна относиться к длине волны в обрабатываемой жидкости как 1,66±0,16-(2,2∓0,08)δ, где δ - зазор между этими поверхностями в общей для них плоскости. Пусть в качестве источников колебаний в резонаторах служат пьезоэлектрические преобразователи типа S-BLTC 3828 с рабочей частотой колебаний 28 кГц, присоединяемые к акустическим волноводам и составляющие вместе с жидкостью ультразвуковые резонансные системы. Длина волны в химически чистой воде при скорости распространения в ней упругих колебаний 1490 м/с, соответствующей комнатной температуре, составит 1490:28000=0,0532 м=53,2 мм. Пусть зазор между соседствующими резонаторами равен 6 мм или 6:53,2=0,11 длины волны. Тогда разность внешнего и внутреннего диаметров поверхностей каждого резонатора должна лежать в пределах 1,66±0,16-(2,2∓0,08)·0,11=1,42±0,17 длины волны или (1,42±0,17)·53,2=75,5±9,0 мм. То есть указанные на фиг.2 размеры реактора 263-183=80 мм, 171,5-91,5=80 мм, 80-0=80 мм попадают в этот диапазон и, следовательно, удовлетворяют признаку изобретения.
3
Каждый резонатор состоит из пары волноводов 1-1', 2-2', 3-3' с ввинченными в них электроакустическими преобразователями 4. Совокупности волноводов 1, 2, 3, также как и волноводов 1', 2', 3' представляют собой монолитные конструкции, в которые они объединены сплошной перемычкой в узлах колебательных смещений. Перемычка имеет диаметр больше D, и служит также для крепления волноводов в корпусе реактора. Суммарная механическая мощность преобразователей в каждом резонаторе пропорциональна сумме излучающих поверхностей их волноводов. Составленные волноводами 1-1', 2-2', 3-3' с ввинченными в них преобразователями 4 противолежащие друг другу интегральные излучатели каждого из резонаторов колеблются синфазно между собой, а расстояние между излучающими поверхностями равно половине длины волны колебаний в жидкости. Высота волноводов равна половине длины волны колебаний в материале волновода. Преобразователи на волноводах расположены таким образом, что ось каждого из них проходит через центр расстояния между осями двух ближайших к нему преобразователей на противолежащем волноводе резонатора.
В общем случае, во избежание изгибных колебаний волноводов они могут быть разделены на сегменты по числу проходящих сквозь них осей содержащихся в резонаторе преобразователей. Таким образом, каждый преобразователь и участок волновода, к которому он присоединен, представляют собой элементарный акустический излучатель, а участок противолежащего ему волновода без преобразователя - элементарный акустический рефлектор. Волновод 1, являясь таким акустическим рефлектором, одновременно служит держателем волоконного световода 5, по которому энергия сонолюминесценции передается к регистрирующему ее прибору. Корпус реактора 6, в котором герметично закреплены конструкции волноводов, содержит напорный 7 и сливной 8 патрубки для циркуляции жидкости через зону измерений интенсивности сонолюминесценции и для частичного отвода от реактора тепла, образующегося при релаксации упругих колебаний на внутреннем трении в жидкости и металле.
Кавитационный реактор работает следующим образом.
В протекающей через реактор жидкости между излучающими поверхностями каждого резонатора после возбуждения резонансных колебаний синфазной работой электроакустических преобразователей устанавливаются стоячие акустические полуволны. Вблизи узла колебательных смещений жидкости, то есть посередине отрезков лучей стоячих волн, где амплитуда звукового давления максимальна, возникает кавитация. Если амплитуда звукового давления при упругих колебаниях жидкости значимо выше кавитационного порога, то кавитационные пузырьки захлопываются преимущественно вблизи конца полупериода сжатия - начала полупериода разрежения в акустической волне ультразвука. Колебания резонаторов 1-1' и 3-3' в соответствии с признаком изобретения происходят в противофазе колебаниям резонатора 2-2'. При выбранных размерах волноводов это обеспечивает максимально синхронное изменение мгновенных значений звукового давления кавитации от всех резонаторов в центре реактора. Кроме того, за счет этих же размеров центр является также местоположением максимума амплитуды звукового давления от кавитации каждого из резонаторов. Поэтому кавитационный шум вблизи центра реактора будет максимальным и усилит там ультразвуковую волну, образуемую колебаниями центрального резонатора 1-1'. Следовательно, и кавитационная активность там будет выше за счет усиления кавитации самой себя. Для этого понадобится всего лишь одно электронное устройство для обеспечения работы одного из резонаторов в противофазе другим - фазоинвертор, тогда как в прототипе при трех резонаторах устройств управления фазами требуется два. То есть технический результат будет достигнут.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке и известных ранее средств и методов, а также о достижении при его осуществлении указанного выше его технического результата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шестаков С.Д. Непараметрическое управление сонолюминесценцией многопузырьковой кавитации. Вологда, 2007, 15 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН, №829-В2007.
2. Дежкунов Н.В. и др. Методы повышения активности кавитации // Тез. докл. науч.-техн. конф.- Архангельск, 2000, С.66-67.
3. Dezhkunov N.V. et al. Enhancement of sonoluminescence emission from a multibabble cavitation zone // Ultrasonics Sonochemistry, 7, 2000, P.19-24.
4. Flannigan D. and Suslik K. Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation // Letters to Nature, 434, 2005, P.52-55.
5. Шестаков С.Д. О распределении плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны // Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества, T.1. - M.: ГЕОС, 2005, С.116-121.
6. Шестаков С.Д. К вопросу о непараметрическом усилении многопузырьковой кавитации. - Вологда, 2007, 19 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН, №72-В2008.
7. Шестаков С.Д. Основы теории кавитационного реактора.- Вологда, 2007, 67 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН, №490-В2007.