КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР
CAVITATION REACTOR

Заявляемый кавитационный реактор относится к аппаратам для обработки жидкостей вызывающими в них акустическую кавитацию ультразвуковыми колебаниями. Он предназначается для интенсификации химических реакций в жидкости и кавитационных пузырьках под воздействием импульсов давления, которые порождаются пульсацией пузырьков и распространяются в газообразной среде внутри них и жидкой - снаружи. Кавитационный реактор может быть использован в качестве технологического аппарата в процессах химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в энергетике.
Известны способы кавитационной обработки жидкости и реакторы для их осуществления [RU 2228217, 2004, RU 2252070, 2005], функционирующие с учетом вида пространственного распределения плотности потенциальной энергии кавитации , выделяемой в жидкости за определенный промежуток времени, например за период порождающих кавитацию ультразвуковых колебаний. Вид распределения задают выбирая величину и соотношение размеров реактора, определяющих в зависимости от скорости звука в жидкости и частоты колебаний величину объема, занимаемого ультразвуковой волной. При этом руководствуются известной закономерностью зависимости значения  в точке внутреннего пространства реактора от координат этого пространства [1] и принципами подобия кавитационных реакторов [2]. Оценивают вид распределения посредством одной из его основных характеристик - дисперсии, устанавливая в камере реактора ее значение в определенных пределах. Известно, что функция распределения  немонотонна и в зависимости от формы и размеров фронта упругой волны при одной и той же величине дисперсии может иметь множество локальных экстремумов с различным пространственным положением [1, 2]. Это обстоятельство при использовании рассмотренных аналогов не позволяет получить технический результат изобретения - концентрацию потенциальной энергии кавитации в геометрическом центре реактора, так как известно, что пространственное положение экстремумов функции распределения не может быть определено посредством ее дисперсии.
Существуют кавитационные реакторы, в которых концентрацию  в определенной части потока жидкости обеспечивают при помощи диафрагмы, устанавливаемой в содержащем ее глобальный максимум сечении [RU 2226428, 2004, RU 2254913, 2005]. Делают это путем выбора размеров и формы отверстия в диафрагме, пользуясь известной закономерностью распределения эрозионного коэффициента [3], либо непосредственно, как и в предыдущем случае, самой  в плоскости размещения диафрагмы. Функция этого двухмерного распределения является частным случаем функции трехмерного распределения, используемой в описанных выше аналогах. Управление самим видом распределения  в этих реакторах не предусмотрено, а диафрагма, являясь материальным объектом, подвергается в них воздействию кавитационной эрозии. Это обстоятельство также не позволяет достигнуть сформулированного ниже технического результата изобретения с помощью таких его аналогов.
Известен кавитационный реактор [RU 2254912, 2005], включающий заполняемую обрабатываемой жидкостью камеру, в которой размещены расположенные на одной оси излучатель и отражатель акустической волны, между обращенными друг к другу и в жидкость поверхностями которых при работе реактора устанавливается плоско-упругая волна. При произвольном выборе диаметров излучателя и отражателя вследствие интерференции в акустическом поле кавитации значение  на пути основной части потока жидкости может оказаться ниже, чем на периферии камеры. Это приведет к неравномерности обработки жидкости, а требования к размерам излучателя и отражателя, за счет которых можно было бы осуществить управление положением максимума  в пространстве, у этого аналога отсутствуют, что также препятствует достижению с его помощью поставленной цели изобретения.
Наиболее близким аналогом заявленного реактора является кавитационный реактор [RU 2290990, 2007], включающий заполняемую обрабатываемой жидкостью камеру, обладающую центральной симметрией внутреннего объема, излучатель и отражатель ультразвука, диаметры обращенных в жидкость поверхностей которых составляют 0,92-1,56, а расстояние между ними 1,0-1,5 длины ультразвуковой волны.
Этот реактор взят за прототип изобретения.
Указанные диапазоны размеров реактора задают диапазон объемов, которые может занимать в жидкости плоско-упругая волна, обеспечивая при этом положение максимума  в геометрическом центре этого объема. Это позволяет минимизировать эрозионное разрушение элементов конструкции реактора и передавать максимально возможную часть трансформируемой на кавитации энергии протекающей через реактор жидкости, так как основная часть ее потока в силу законов гидродинамики проходит через геометрический центр объема реактора. Однако если для возбуждения кавитации в жидкости по какой либо причине, например при необходимости обеспечить заданное значение кавитационного порога в ней, потребуется повысить частоту колебаний, то при выполнении условий, диктуемых основными признаками прототипа, это приведет к снижению производительности процесса, так как объем реактора уменьшится. Из описания прототипа вытекает, что объем, в котором действует порождающая кавитацию ультразвуковая волна, обратно пропорционален кубу частоты колебаний, так как ей обратно пропорциональна длина этой волны в жидкости, которая равна скорости звука в ней, отнесенной к частоте колебаний. Например, легко посчитать, что у прототипа максимальный занимаемый волной с частотой колебаний 20 кГц объем в воде равен 1,1 л, тогда как при частоте 200 кГц он на три порядка меньше и равен 1,1 мл. Ясно, что пропускная способность реактора с таким объемом камеры не позволит использовать его в промышленных условиях и ограничивает область применения разве что лабораторными. Кроме того, прототип оптимизирует диапазон размеров реакторов, в которых используется волна с фронтом, имеющим только форму круга. На реакторы с фронтами волн иной конфигурации, например в виде квадрата либо прямоугольника, прототип не распространяется. Это препятствует достижению сформулированной ниже цели изобретения при использовании рассмотренного прототипа.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Распределение  в пространстве порождающей кавитацию волны является немонотонной функцией координат и размеров этого пространства, а ее значение в определенной точке пространства даже при неограниченном увеличении занимаемого волной объема имеет предел [1]. Значит, задаться определенной величиной  в произвольной точке независимо от геометрической формы фронта волны можно задавая его размеры и длину луча волны в реакторе и контролируя при этом среднее расстояние между этой точкой и всеми точками объема, занимаемого волной. Установлено, что в случае неустановившегося процесса, когда зародыши кавитационных пузырьков распределены по объему жидкости равномерно и являются ее полидисперсной фазой, с допустимой для инженерных расчетов погрешностью можно считать практически все пространство волны удовлетворяющим условиям возбуждения и поддержания в нем кавитации. Процесс обработки непрерывно протекающей через реактор жидкости является именно таким неустановившимся кавитационным процессом [2]. Все это означает, что существует такое соотношение размеров пространства волны в реакторе, при котором глобальный максимум  будет расположен в центре занимаемого ею объема при любой произвольно выбранной частоте колебаний жидкости, с любой скоростью звука и при любой форме фронта волны. Зависимость значения  в центре занимаемого волной объема от величины среднего расстояния между этим центром и всеми точками этого определяющего геометрическую форму и размеры реактора объема будет иметь вид периодической функции. Диапазон оптимальных размеров реактора также будет выражаться периодической зависимостью с периодом, равным целой части числа, выражающего некий линейный размер, отнесенный к длине волны ультразвука в жидкости.
Техническим результатом изобретения является обеспечение при любой требуемой производительности процесса максимального воздействия кавитации на обрабатываемую жидкость в центре объема, занимаемого порождающей кавитацию плоско-упругой волной с любой формой фронта независимо от частоты колебаний и скорости их распространения в жидкости.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кавитационном реакторе, включающем излучатель и отражатель ультразвука, образующие между их обращенными друг к другу поверхностями объем, который при работе занимает плоско-упругая волна в обрабатываемой жидкости, отличие состоит в том, что дробная часть числа, выражающего отношение среднего расстояния от всех точек этого объема до его геометрического центра к длине волны ультразвука в обрабатываемой жидкости не превышает трех пятых этой длины волны.
Можно посчитать, что у прототипа при максимальном диаметре испускающей колебания поверхности, составляющем 1,56 длины волны, и расстоянии от нее по нормали до отражающей поверхности, составляющем 1,5 длины волны, среднее расстояние между геометрическим центром объема, заключенного между поверхностями излучателя и отражателя, занимаемого во время работы волной в жидкости, и всеми точками этого объема составляет 0,6 длины волны. Ясно, что минимальная граница объема волны имеет смысл в достижении технического результата только в условиях установившегося процесса, когда кавитационные пузырьки стягиваются к пучностям давления волны. А в неустановившемся можно допустить, что при бесконечном уменьшении занимаемого ею объема значение нижнего предела также стремится к нулю. У плоской волны с произвольной формой границ фронта максимум  в центре занимаемого ею объема жидкости будет иметь место при любых частоте колебаний и скорости звука, если дробная часть числа, выражающего отношение среднего расстояния между центром и всеми точками этого объема к длине волны колебаний, не будет превышать 0,6. Например, если диаметр фронта волны равен 136 мм, а луч волны в реакторе 131 мм (максимально возможные значения у прототипа, как при частоте колебаний 20 кГц в насыщенном растворе NaCl), то, выполнив требование признака заявленного изобретения, можно обеспечить положение максимума распределения  в центре пространства волны и при частоте колебаний 180 кГц (см. фиг.1 и фиг.2). Отношение среднего расстояния между центром и всеми точками объема, занимаемого волной в реакторе, к длине волны колебаний будет при этом равно 5,3. Дробная часть этого числа, равная 0,3, меньше, чем 0,6. В противном случае, как того требует прототип при увеличении частоты, следовало бы уменьшить размеры до 15,1 и 14,5 мм соответственно. Если же при размерах прототипа, соответствующих частоте колебаний 20 кГц, использовать для возбуждения кавитации колебания с частотой 130 кГц, когда дробная часть числа, выражающего среднее расстояние между центром и всеми точками объема, занимаемого волной, будет равна 0,81>0,6, то максимум  не будет находиться в центре занимаемого волной объема (фиг.3).
На фиг.1 в произвольном масштабе показано двухмерное распределение  в осевом сечении удовлетворяющей признакам прототипа упругой волны с частотой колебаний 20 кГц. Коэффициент ослабления волны на кавитации равен 0,85 [2], диаметр фронта волны D=136 мм, длина отрезка ее луча в реакторе L=131 мм. Жидкость - насыщенный раствор NaCl при +20°С. Белый цвет соответствует наибольшему значению , черный - наименьшему.
На фиг.2 показано сечение того же, что на фиг.1, объема раствора, но при частоте колебаний 180 кГц, что удовлетворяет признаку заявленного изобретения и не удовлетворяет признакам прототипа.
На фиг.3 то же показано при частоте колебаний 130 кГц, что не удовлетворяет ни признаку заявленного изобретения, ни признакам прототипа.
На фиг.4 приведены графики функции распределения  вдоль луча волны частотой колебаний 100 кГц, образованной двумя излучателями, синхронно испускающими навстречу друг другу волны с коэффициентом ослабления, также равным 0,85, диаметром фронта D=50 мм, длине луча суммарной волны L=50 мм, в воде (1) и насыщенном растворе NaCl (2).
При анализе отличительных признаков заявленного кавитационного реактора не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления аналогичных ему требований к размеру, характеризующему объем, который занимает плоско-упругая волна в кавитационном реакторе с целью сосредоточения энергии кавитации в его геометрическом центре.
2
Заявленный кавитационный реактор, например с двумя излучателями частотой 100 кГц, обращенная внутрь реактора плоская поверхность каждого из которых параллельна поверхности другого, имеет форму круга диаметром D=50 мм и может считаться по отношению к нему как излучателем, так и отражателем волны. Пусть расстояние между этими поверхностями L=50 мм. Кратчайший путь обрабатываемой жидкости в реакторе лежит через центр цилиндрического объема, который занимает образующаяся при работе реактора плоско-упругая волна. Размер его V равен 0,25πDL=98 мл.
Реактор с такими размерами рабочего пространства может применяться, например, для обработки растворов электролитов, используемых в пищевой промышленности в качестве консервирующих и вкусоароматических средств, с целью повышения диссоциации растворенных веществ и улучшения гидратации пищевых биополимеров водной средой раствора [4-8].
Среднее расстояние  между центром и всеми точками объема V вычисляется из решения соответствующего интеграла по этому объему:
Его отношение к длине волны колебаний в воде будет при этом равно 1,3, а в насыщенном растворе NaCl 1,1, что соответствует отличительному признаку заявленного реактора. При этом размер L будет превышать длину волны колебаний в первом случае более чем в три, а во втором - более чем в два с половиной раза, что не соответствует признакам прототипа. Тем не менее, максимум  будет находиться в центре занимаемого волной объема в том и в другом случаях (см. фиг.4).
Кавитационный реактор работает следующим образом.
В обрабатываемой жидкости, которая находится в реакторе, после возбуждения в ней колебаний устанавливается акустическая волна. В занимаемом этой плоско-упругой волной объеме, заключенном между двумя излучателями ультразвука (или излучателем и отражателем), возникает кавитация. Отражателем в реакторе может служить и стенка камеры, расположенная напротив излучателя, как в [US 3519251, 1970]. Так как форма и размеры фронта волны и длина ее луча в реакторе выбраны в соответствии с признаком изобретения, то максимальная плотность потенциальной энергии, трансформированной на кавитации в реакторе, выделится в центре занимаемого волной объема. Протекающая через этот центр основная часть потока обрабатываемой жидкости будет подвергаться наибольшему воздействию кавитации.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке и известных ранее средств и методов, а также о достижении указанного выше технического результата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шестаков С.Д. О распределении плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны // Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества, Т.1. - М.: ГЕОС, 2005. - С.116-121
2. Шестаков С.Д. Основы теории кавитационного реактора. - Вологда, 2007. - 67 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН, №490-В2007
3. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. - 173 с.: ил.
4. Шестаков С.Д. Энергетическое состояние воды и ее связываемость биополимерами пищевого сырья: Новые возможности // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - №4. - С.35-37
5. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - №4. - С.17-20. - №10. - С.9-13
7
6. Пат. 2286204 РФ, МПКB01F 11/02, B01F 1/00. Способ приготовления водных растворов электролитов под воздействием ультразвуковой кавитации / Шестаков С.Д., 27.10.2006
7
7. Пат. 2308319 РФ, МПК B01F 1/00. Способ приготовления водного раствора электролита / Шестаков С.Д., 20.10.2007
7
8. Пат. 2279918 РФ, МПК В02В 1/08, A21D 8/02, A23L 1/31, B01J 19/10. Способ гидратации биополимеров / Шестаков С.Д., 20.07.2006