МОДУЛЯТОР ПОТОКА ВЯЗКОЙ СРЕДЫ
MODULATOR OF VISCOUS MEDIUM FLOW

Изобретение относится к трубопроводному транспорту вязких сред с дискретными неоднородными включениями, а именно к устройствам облегчения перемещения вязких и сыпучих смесей воздействием с помощью электрических средств и механических колебаний, и может быть использовано в пищевой, нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, на транспорте.
Известна пневматическая форсунка [RU 2346756 С1, МПК В05В 7/08 (2006.01), опубл. 20.02.2009], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленная по оси корпуса с возможностью осевого перемещения трубы для подачи жидкости, на торце которой расположена распыливающая насадка, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевой насадкой на трубе для подачи жидкости. Распыливающий участок выполнен в виде диффузора с выпуклой со стороны потока жидкости формой его образующей, а кольцевая насадка на трубе ниже газового сопла выполнена в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки. Длина головки ниже газового сопла имеет размер порядка диаметра выходного сечения диффузора.
Для работы этого устройства требуется наличие дополнительного высокоскоростного попутного газового потока в трубопроводе, что сужает область применения и эффективность воздействия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для распыления вязких жидкостей [SU 939118 А1, МПК3 В05В 15/02; опубл. 30.06.1982], содержащее корпус с загрузочной горловиной, размещенный внутри корпуса приводной шнек и распылитель, выполненный в виде расширяющихся к выходу конусных отверстий. Конусные отверстия размещены на боковой поверхности корпуса в радиальном направлении. Шнек выполнен с витками, прилегающими к внутренней поверхности корпуса и контактирующими с входными кромками конусных отверстий.
Для создания повышенного давления и установления режима распыления потока требуется использование приводного шнека. При изменении скорости течения вязкого потока отсутствует возможность удержания установленного режима распыления. Кроме того, для повышения производительности необходимо подавать дополнительную энергию, что выливается в сложность конструкции и сужение функциональных возможностей, снижает стабильность работы устройства.
Предложенный модулятор потока вязкой среды позволяет расширить функциональные возможности устройства и улучшает стабильность его работы.
Согласно изобретению, модулятор потока вязкой среды содержит распылитель, выполненный в виде форсунки, расположенной в трубопроводе. Один конец форсунки сужен, образуя проходной канал, который соединен с выходной камерой, входное отверстие которой выполнено криволинейным и расширяющимся, сопрягающимся с концом проходного канала. Внутри выходной камеры, соосно с выходным отверстием проходного канала, расположено опорное тело обтекаемой криволинейной формы, закрепленное на стержне, который прикреплен к центру опоры, выполненной в виде крестовины, вставленной в кольцо, на выходе выходной камеры в трубопровод. Кольцо, в которое вставлена крестовина, является каркасом катушки индуктивности, подключенной к источнику переменного тока. Расстояние от опорного тела до выходного отверстия проходного канала не превышает размер опорного тела. Опорное тело, стержень и опора изготовлены из материала, чувствительного к действию магнитного поля и обладающего упругой деформацией.
Результат работы модулятора потока вязкой среды основан на фундаментальном принципе существования определенной частоты собственных колебаний в механической системе. Пространственные перемещения опорного тела относительно его устойчивого положения на стержне, установленном на опоре, с собственной частотой колебаний относительно малой амплитуды ведут к периодическому изменению (модуляции) размеров сечения диффузорной области протекания потока вязкой среды в выходной камере. Кинетическое действие случайно распределенных дискретных включений агломератов в потоке вязкой среды в зависимости от момента и координаты столкновения с опорным телом влияет на амплитуду и частоту собственных колебаний опорного тела. Изменение параметров собственных колебаний опорного тела вызвано адгезией дискретных включений агломератов к поверхности опорного тела и диссипацией вязкости потока среды. Для повышения стабильности работы модулятора на частоте собственных колебаний использована катушка индуктивности. Катушка индуктивности подключена к источнику сигнала частоты, соизмеримой с частотой собственных колебаний соединенных вместе опорного тела, стержня и опоры для синхронного воздействия переменного магнитного поля катушки индуктивности и стабилизации частоты колебаний в области модулятора.
Предложенный модулятор предназначен для использования непосредственно в потоке сред разной вязкости и разной скорости движения в трубопроводе с возможностью варьирования воздействия на динамику распыления потока, формируя диффузорное течение потока вязкой среды для усиления эффекта распыления. Это достигается подбором оптимального расстояния (или зазора) между выходным отверстием проходного канала и соосно с ним установленным опорным телом для создания наилучших условий распыления потока вязкой среды в трубопроводе. Подвижность опорного тела, влияющая на величину зазора и форму диффузорного разбрызгивания потока вязкой среды, позволяет предотвращать адгезию и коагуляцию как легких, так и тяжелых фракций вязкой среды в трубопроводе. Распыление потока вязкой среды в модуляторе создается: во-первых, совместным действием собственных колебаний опорного тела и магнитного поля катушки индуктивности, влияющим на положение опорного тела в среде; во-вторых, возникновением турбулентного, струйного, переменной плотности потока вязкой среды при переходе из более узкого проходного канала в расширяющуюся область выходной камеры с опорным телом, соосно установленным на опоре. Такое исполнение обеспечивает лучшие условия возникновения турбулентно струйного течения потока для его непрерывного распыления в диффузорной области модулятора, эффективно воздействуя на весь поток вязкой среды, протекающий по трубопроводу.
Таким образом, с повышением стабильности распыления потока одновременно расширены функциональные возможности устройства.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
На фиг. 2 показан разрез трубопровода, сечение Б-Б.
Модулятор потока вязкой среды, расположенный в трубопроводе 1, содержит входную камеру форсунки 2, один конец которой подключен к трубопроводу 1 (сечение А-А на фиг. 1). Другой конец форсунки 2 сужен, образуя проходной канал 3, который соединен с выходной камерой 4.
Поверхность входного отверстия выходной камеры 4 имеет криволинейную расширяющуюся форму, в частном случае форму дуги, плавно сопрягающуюся с концом проходного канала 3.
Внутри выходной камеры 4 расположено опорное тело 5, закрепленное на стержне 6, который прикреплен к центру опоры 7, выполненной в виде крестовины, вставленной в кольцо. Опорное тело 5 выполнено обтекаемой криволинейной формы, например в виде шара, и расположено соосно с выходным отверстием проходного канала 3, являющимся входным отверстием выходной камеры 4. Расстояние от опорного тела 5 до выходного отверстия проходного канала 3 не превышает диаметра опорного тела 5. Опора 7 установлена на выходе выходной камеры 4, подключаемой к трубопроводу 1.
Размер опорного тела 5 может быть как меньше, так и больше размера сечения проходного канала 3. Кольцо опоры 7 служит каркасом катушки индуктивности 8 (сечение Б-Б на фиг. 2), подключенной к источнику переменного тока.
Стержень 6 и опора 7 изготовлены из материала, чувствительного к действию магнитного поля, например из углеродистой или вольфрамовой стали, пермаллоя, стали СТ45. В качестве опорного тела 5 может быть использован стальной шар подшипника диаметром 3,2 мм [ГОСТ Р 52859-2007] или эллипсоид из углеродистой или вольфрамовой стали, пермаллоя, стали СТ45. На катушку индуктивности подается сигнал, например, со стандартного генератора синусоидального сигнала Г3-33.
Модулятор потока вязкой среды работает следующим образом.
В исходном состоянии поток вязкой среды из трубопровода 1 через суженный конец форсунки 2 проникает в проходной канал 3. Сила давления вязкого потока при его проникновении в узкий проходной канал 3 резко возрастает (в число раз, равных отношению площадей сечений широкого и узкого концов форсунки). Скачок роста давления в проходном канале 3 приводит к скачку скорости течения потока вязкой среды, переводя ламинарное течение в струйное, с высокой скоростью переноса вязких частиц и агломератов. На выходе из проходного канала 3 раздробленный струйно-кавитационный поток частиц и агломератов вязкой среды приобретает  кинетическую энергию. Вытекающий из проходного канала 3, раздробленный на мелкие струи, поток вязкой среды сталкивается с опорным телом 5. Образуемый при этом криволинейный пространственный поток перенаправляет их движение к периферийной области выходной камеры 4, к области выхода в трубопровод 1. При движении частицы и агломераты потока вязкой среды испытывают многократные касательные столкновения с поверхностями опорного тела 5 и выходной камеры 4. Для создания оптимальных условий многократного столкновения частиц вязкой среды и более эффективного распыления их движения в криволинейном пространстве служит опорное тело 5, установленное на стержне 6. Частота сигнала, подаваемая на катушку индуктивности 8 от источника переменного тока, соответствует собственной частоте колебаний опорного тела 5 на стержне 6, что обеспечивает усиление их колебаний.
Таким образом, под действием повышенного давления поток, проходя через форсунку 2, создает в проходном канале 3 турбулентный струйно-кавитационный режим движения частиц вязкой среды и через выходную камеру 4 проникает в трубопровод 1 (сечение Б-Б на фиг. 1). Многократные касательные столкновения струй потока вязкой среды с поверхностью опорного тела 5 и стенками выходной камеры 4, кинетически разрушая крупные агломераты частиц вязкой среды, существенно повышают однородность внутренней структуры потока вязкой среды на выходе модулятора, что облегчает дальнейшее движение потока вязкой среды, но уже более изоморфного по структуре, в трубопроводе 1. Создание модулированного движения частиц в криволинейном канале выходной камеры 4 приводит к динамическому смешиванию слоев потока при перемещении частиц вязкой среды. Это препятствует образованию механических связей фракций, разрушая их агломерацию в потоке вязкой среды, и способствует более однородному составу частиц потока, ввиду его турбулизации в пограничном слое трубопровода 1, предотвращая образование различного рода наслоений на стенках трубопровода 1.