ПРОТОЧНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР (ВАРИАНТЫ)
ULTRASOUND CAVITATION FLOW REACTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к аппаратам для обработки различных технологических сред в виде жидкости, смесей, суспензий, эмульсий и т.п. путем воздействия ультразвуковым полем и возбуждения кавитации внутри реактора в режиме непрерывного потока обрабатываемого продукта.
Известен ультразвуковой реактор проточного типа, выполненный в виде трубы, внутри которой протекают химические компоненты. На наружной поверхности трубы закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи. Ввод колебаний осуществляется через стенки трубы путем размещения большого числа ультразвуковых преобразователей по периметру и вдоль оси трубы, что предполагает увеличение времени воздействия на протекающий продукт [Horst C., Design of ultrasound reactors for technical scale organometallics and electrochemical synthesis / Horst C., Lindermeir A., Hoffmann U. // TU Hamburg-Harburg Reports of Sanitary Engineering 35, 2002, Neis U. (ed.). Ultrasound in Environmental Engineering // ISSN 0724-0783; ISBN 3-930400-47-2].
Ограничена интенсивность ультразвукового воздействия в рабочем объеме ввиду "одномерной" фокусировки и выполнения технологического объема нерезонансным, что сужает область применения известного реактора.
Наиболее близким по количеству сходных признаков является ультразвуковой реактор по патенту РФ 2323774. Реактор представляет собой объемную фигуру (сосуд) с внутренней поверхностью в виде сферы, а внешняя поверхность реактора выполнена в виде усеченного икосаэдра (многогранника). Каналы для подвода и отвода технологической среды проходят через центры пятиугольных граней внешней поверхности. Толщина реактора по месту установки ультразвуковых преобразователей рассчитана в зависимости от длины продольной акустической волны. С каждой шестиугольной гранью внешней поверхности акустически связана торцевая поверхность одного или нескольких пакетов пьезоэлектрических элементов с частотно-понижающими накладками ступенчато-переменной формы между ними. За счет подбора конструктивных параметров накладок формируют требуемую амплитудно-частотную характеристику для возможности обработки различных технологических сред.
Недостатками прототипа являются:
- малая производительность обработки технологической среды ввиду порционной, а не поточной обработки;
- известная конструкция не предоставляет возможности осуществления поточной обработки;
- требуется усовершенствование конструкции для улучшения ее технологичности. Сложной с технологической точки зрения следует считать реальную форму реактора.
Технической задачей изобретения является увеличение производительности обработки текучих технологических сред путем ультразвукового воздействия в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия с одновременным увеличением интенсивности ультразвукового воздействия во всем внутреннем объеме реактора, упрощение технологии изготовления реактора, а также расширение его функциональных возможностей.
Указанная задача решена заявляемым изобретением в двух вариантах.
1 вариант
Проточный ультразвуковой кавитационный реактор в виде объемного сосуда с внутренней поверхностью, близкой к сфероидальной, со сквозным каналом для подвода и отвода обрабатываемой технологической среды, содержащий ультразвуковые преобразователи, частотно-понижающие накладки и средства крепления элементов, отличающийся тем, что реактор образован цилиндрическим средним участком с переходными к каналу двумя конусными участками, образующими в совокупности поверхность, близкую к сфероидальной так, что нормали к поверхностям участков ориентированы в центр реактора, на цилиндрическом и конусных участках реактора укреплены без акустического зазора и без сопряжения между собой частотно-понижающие накладки, выполненные каждая в виде сплошного кольцеобразного объемного акустического трансформатора с поперечным сечением трапецеидальной формы, сопряженного с внешней стенкой реактора поверхностью, соответствующей малому основанию трапеции; на поверхности каждой накладки, соответствующей большому основанию трапеции, закреплены без акустического зазора ультразвуковые преобразователи, при этом радиус внутреннего объема реактора кратен половине длины акустической волны, вызывающей кавитацию в материале обрабатываемой технологической среды, а расстояние от плоскостей крепления ультразвуковых преобразователей до внутреннего рабочего объема кратно нечетному количеству четвертей длины акустической волны в материале трансформатора, при этом реактор и канал выполнены с возможностью обработки технологической среды в режиме потока.
Изобретение по второму варианту характеризуется тем, что реактор образован двумя конусными участками без среднего цилиндрического, что также решает задачу конструктивного и технологического упрощения реактора.
2 вариант
Проточный ультразвуковой кавитационный реактор в виде объемного сосуда с внутренней поверхностью, близкой к сфероидальной, или с возможностью охвата сфероидальной со сквозным каналом для подвода и отвода обрабатываемой технологической среды, содержащий ультразвуковые преобразователи, частотно-понижающие накладки и средства крепления элементов, отличающийся тем, что реактор образован переходными к каналу двумя конусными участками так, что нормали к поверхностям участков ориентированы в центр реактора, на внешних конусных стенках реактора укреплены без акустического зазора и без сопряжения между собой частотно-понижающие накладки, выполненные каждая в виде сплошного кольцеобразного объемного акустического трансформатора с поперечным сечением трапецеидальной формы, сопряженного с внешней стенкой реактора поверхностью, соответствующей малому основанию трапеции; на поверхности каждой накладки, соответствующей большому основанию трапеции, закреплены без акустического зазора ультразвуковые преобразователи, при этом радиус внутреннего объема реактора кратен половине длины акустической волны, вызывающей кавитацию в материале обрабатываемой технологической среды, а расстояние от плоскостей крепления ультразвуковых преобразователей до внутреннего рабочего объема кратно нечетному количеству четвертей длины акустической волны в материале трансформатора, при этом реактор и канал выполнены с возможностью обработки технологической среды в режиме потока.
Изобретение поясняется фигурами:
на фигуре 1 и 2 - продольное сечение реактора и его внешний вид по первому варианту, на фигуре 3 - продольное сечение реактора по второму варианту.
Проточный ультразвуковой кавитационный реактор образован цилиндрическим средним участком 1 с переходными к каналу 2 двумя конусными участками 3, образующими в совокупности поверхность (внутреннюю и внешнюю), близкую к сфероидальной так, что нормали N к поверхностям участков ориентированы в центр реактора. На участках 1 и 3 укреплены без акустического зазора и без сопряжения между собой частотно-понижающие накладки 4. Каждая накладка представляет собой объемный акустический трансформатор в виде единой кольцеобразной детали с поперечным сечением трапецеидальной формы. Акустические трансформаторы сопряжены поверхностью 5, соответствующей малому основанию трапеции, с внешними стенками реактора. Поверхность 6 каждого акустического трансформатора соответствует большому основанию трапеции и параллельна поверхности 5. На поверхностях 6 закреплены без акустического зазора и равномерно по окружностям участков реактора ультразвуковые преобразователи посредством резьбовых шпилек 7 и гаек 8, выполняющих роль отражателей и поджимающих ультразвуковые пьезопреобразователи 9 к акустическим трансформаторам 4. Вспомогательные поверхности 10 и элементы 11 на фигуре 2 используются для крепления частотно-понижающих накладок. Радиус внутреннего объема реактора кратен половине длины акустической волны, вызывающей кавитацию в материале обрабатываемой технологической среды, а расстояние от плоскостей крепления ультразвуковых преобразователей до внутреннего рабочего объема кратно нечетному количеству четвертей длины акустической волны в материале трансформатора, Выбор конструктивных параметров основывается на работе Розенберга Л.Д. Кавитационная область // Мощные ультразвуковые поля. - М.: Наука, 1968. При этом выборе интенсивность ультразвуковых колебаний в технологической среде практически не изменяется при распространении волнового фронта к центру технологического объема.
Реактор и канал выполнены с возможностью обработки технологической среды в режиме потока, то есть канал имеет вентили, насос, смесительное оборудование для получения технологической среды в виде водной смеси, емкости, фильтровальные устройства, контрольную аппаратуру, включающие датчики давления, объемного расхода и пр.
Проточный ультразвуковой кавитационный реактор по второму варианту (фигура 3) имеет еще более простую конструкцию. Стенки реактора имеют вид конических раструбов 12, 13 каналов 14,15. Внутренняя поверхность реактора предпочтительно такова, что описывает сфероидальную поверхность. Кольцевые акустические трансформаторы 16 с трапецеидальным поперечным сечением закреплены на конических стенках так, что акустические волны распространяются по нормалям к стенкам реактора и сходятся в центре реактора. Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи 17 также укреплены без акустического зазора на поверхности трансформатора 16, соответствующей большому основанию трапеции, посредством крепежных элементов 18,19. Работа ультразвуковых кавитационных реакторов обоих вариантов аналогична.
При подаче напряжения на ультразвуковые пьезопреобразователи 9 электрические колебания преобразуются в ультразвуковые колебания. На резонансной частоте колебаний, возникающих при соблюдении названных конструктивных параметров, осуществляется передача энергии колебаний с наибольшей интенсивностью по нормали N к стенкам реактора. Известно, что коэффициент усиления трансформатора, сужающегося в направлении переноса энергии, пропорционален отношению площадей его поверхностей 6 и 5 (см. патент 2183141), и плотность потока акустической волны возрастает по направлению к центру реактора.
Существенное увеличение интенсивности ультразвукового воздействия не только увеличивает давление на обрабатываемую среду коллапсирующих кавитационных пузырьков, но и позволяет осуществить обработку технологической среды в режиме потока, то есть при снижении времени воздействия на поток жидкой смеси. Скорость процесса обработки возросла не менее, чем на порядок по сравнению с технологиями с применением известных поточных кавитационных реакторов. Одновременно степень измельчения, дисперсность обработанной суспензии возросли.
Реактор по второму варианту обеспечивает меньшую мощность в связи с тем, что используется меньшее количество ультразвуковых пьезопреобразователей.
Был изготовлен опытный образец заявляемого реактора 300×300×300 мм. Питание осуществлялось от электрического генератора мощностью 2 кВт. Ультразвуковой кавитационный реактор был испытан для измельчения водной смеси предварительно размолотого природного диатомита, включающей твердые гранулы размером ≈1 мм. Избыточное давление в реакторе и напор в проточном канале создавались винтовым насосом. При небольшом размере реактора скорость потока обеспечивала производительность 1 куб.м/час. Создание избыточного давления, путем дросселирования внутри реактора, например вдвое, позволило увеличить эффект кавитации не менее чем в 4 раза. Увеличенная интенсивность воздействия ввиду применения кольцевых акустических трансформаторов позволила осуществить измельчение кристаллов многих твердых пород (кварц).
Заявляемый ультразвуковой кавитационный реактор характеризуется высокой эффективностью и имеет более широкие функциональные возможности, позволяя не только обрабатывать продукты пищевой, молочной продукции, в медицине, но и применять заявляемый реактор для измельчения очень твердых пород. Реактор изготавливается с применением стандартных технологий и материалов. Его преимуществом с технологической точки зрения является форма всех основных деталей в виде тел вращения, изготавливаемых по известным режимам механической обработки.