ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к устройствам для обработки материалов, в частности к физико-химическому реактору (далее ФХР) с вихревым слоем, который может использоваться в областях энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и в других областях промышленности для активации процессов обработки материалов, а также для обработки различных жидких сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Практически все известные аппараты с вихревым слоем и их модификации состоят из внешнего кольцевого индуктора, генерирующего вращающееся электромагнитное поле (далее ЭМП), в полость которого вставлена труба из немагнитного материала, во внутренней полости которой, представляющей собой реакционную рабочую зону с повышенными значениями индукции ЭМП, находится дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц, являющееся аналогом сплошного рабочего тела, такого как, например, ротор асинхронного двигателя или сплошной сердечник. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы вызывает интенсивное вращательное и поступательное движение указанных частиц, образующих так называемый «вихревой слой», взаимодействие с которым существенно влияет на обрабатываемую среду, пропускаемую через трубу. Под воздействием ЭМП и вихревого слоя в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде возникают явления магнитострикции ферромагнитных частиц, кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.
Из RU 2170707 [1] известно устройство для обработки материалов - Аппарат активации процессов для обработки материалов, представляющее собой трубчатую реакционную камеру с охватывающим ее индуктором вращающегося ЭМП. Реакционная камера снабжена ограничивающей решёткой для удерживания ферромагнитных частиц и полой трубкой с заваренным торцом, расположенной вдоль оси рабочего пространства, внутри которой расположен нагреватель или охлаждающее устройство, причём трубка выполнена с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси рабочего пространства.
Недостатком решения, известного из [1], является нахождение в высокоскоростном потоке обрабатываемой жидкости, проходящей через магистральную трубу и цилиндрическую реакционную камеру, коаксиально расположенной по центру камеры полой трубки с заваренным концом, форма которой в [1] не раскрыта, существенно повышает гидродинамическое сопротивление реакционной камеры движущемуся потоку обрабатываемой среды и, соответственно, существенно повышает нагрузку на двигатель насоса, поддерживающего заданный поток, или расход жидкости через реакционную камеру. Поскольку обработка жидкости с помощью ФХР обычно происходит непрерывно и круглосуточно, то энергозатраты на создание и поддержание заданного потока жидкости через реакционную камеру значительно возрастают вследствие такого дополнительного гидродинамического сопротивления.
В качестве прототипа полезной модели выбран аппарат для проведения физико-химических процессов, известный из  RU 2224589 [2].
Известное из [2] устройство содержит трубчатую реакционную камеру смешения из немагнитного материала со статорной обмоткой на ее внешней поверхности и размещенный внутри нее вместо ротора рабочий орган, выполненный в виде неподвижного сердечника из магнитоактивного материала, заключенного в цилиндрическую оболочку из немагнитного и неэлектропроводящего материала. Оболочка снабжена средствами крепления и центрирования, а на торце оболочки закреплён сепаратор с отверстиями в виде решётки, удерживающий ферромагнитные частицы в реакционной камере, пространство которой снаружи ограничено трубчатой оболочкой реакционной камеры, а изнутри - наружной оболочкой цилиндрического сердечника. Форма неподвижного сердечника в [2] не раскрыта.
Недостатком устройства, известного из [2], является плохо обтекаемая форма неподвижного сердечника, расположенного по центру трубчатой реакционной камеры, имеющая высокое гидродинамическое сопротивление высокоскоростному потоку обрабатываемой жидкости, проходящей через указанную камеру, что существенно повышает гидродинамическое сопротивление движущемуся потоку и, соответственно, нагрузку на двигатель насоса, поддерживающего заданный поток, или расход обрабатываемой текучей среды. Поскольку обработка жидкости с помощью ФХР обычно происходит непрерывно и круглосуточно, то энергозатраты на создание и поддержание заданного потока жидкости значительно возрастают вследствие такого дополнительного гидродинамического сопротивления.
Цилиндрический стержень, расположенный в реакционной камере ФХР, может выполнять разные функции в зависимости от его назначения: в него могут быть вставлены нагревательные или охладительные элементы, как в [1], магнитный сердечник, как в [2]. Кроме того, указанный стержень может быть выполнен подвижным, например, с возможностью возвратно-поступательного движения, как в [1].
Таким образом, актуальной является проблема снижения расхода потребляемой насосом энергии для поддержания высокоскоростного потока обрабатываемой жидкости через реакционную камеру в случае размещения в ней стержня, расположенного вдоль ее оси.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергозатрат при обработке пропускаемого через реакционную камеру ФХР потока обрабатываемой текучей среды.
Указанный технический результат достигается ФХР с вихревым слоем, который содержит трубчатую реакционную камеру из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц, охваченную снаружи индуктором вращающегося электромагнитного поля и содержащую расположенный вдоль ее продольной оси по существу цилиндрический стержень, причем оба конца стержня имеют аэродинамическую форму.
В одном из вариантов реализации один конец стержня, расположенный выше по потоку, выполнен каплевидным, а второй конец стержня, расположенный ниже по потоку, имеет по существу форму, близкую к конической, но с выпуклой относительно продольной оси конуса боковой поверхностью, т.е. имеет по существу форму выпуклого конуса.
Аэродинамическая форма обоих концов внутреннего стержня реакционной камеры позволяет существенно снизить гидродинамическое сопротивление непрерывному высокоскоростному потоку обрабатываемой текучей среды, обтекающей внутренний стержень, и, соответственно, уменьшить энергозатраты на создание и поддержание обрабатываемого потока насосом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР с вихревым слоем,
где 1 - индуктор, 2 - корпус индуктора, 3 - трубчатая реакционная камера, 4 - ферромагнитные частицы, 5 - внутренний стержень, 6 - крепления стержня, 7 - удерживающая решётка, 8 - верхний по потоку конец стержня, 9 - нижний по потоку конец стержня.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение реакционной камеры.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Работает ФХР по настоящей полезной модели следующим образом. ФХР содержит трубчатую реакционную камеру 3, в которой размещено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4, выполненных в виде удлиненных стержней. Рабочая зона реакционной камеры 3 ограничена с двух сторон удерживающими решетками 7. Электромагнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в рабочей зоне реакционной камеры 3 вращающееся ЭМП. Множество ферромагнитных частиц 4 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа - дискретного рабочего тела, в частности перемешивающего или измельчающего/ размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Множество ферромагнитных частиц 4 под воздействием вращающегося ЭМП совершают интенсивное движение в окружном направлении вокруг продольной оси реакционной камеры 3 и вокруг своей поперечной оси. Вдоль продольной оси реакционной камеры 3 расположен по существу цилиндрический внутренний стержень 5. Внутренний стержень 5 удерживается вдоль продольной оси реакционной камеры с помощью креплений 6, предусмотренных в удерживающих решетках 7.
Внутренний стержень 5 имеет расположенный выше по потоку текучей среды конец 8 стержня и расположенный ниже по потоку текучей среды конец 9 стержня. Оба конца 8, 9 стержня 5 имеют аэродинамическую форму. Под аэродинамической формой понимается форма оконечности стержня, при которой поперечное сечение стержня по существу постоянно сужается в направлении от средней части стержня 5 к соответствующему концу (оконечности) 8, 9 стержня 5, при этом образующиеся аэродинамические поверхности обоих концов стержня являются выпуклыми по отношению к продольной оси стержня 5, т.е. обладают положительной во всех направлениях кривизной. В качестве аэродинамической формы может быть использована, в частности каплевидная, т.е. выпуклая сферообразная форма для расположенного выше по течению конца 8 стержня 5, и форма по существу выпуклого конуса, т.е. конусообразная форма с выпуклой относительно продольной оси стержня образующей поверхностью, для расположенного ниже по течению конца  9 стержня 5. Таким образом, форму оконечностей стержня 5 можно рассматривать как «разорванную» каплю, сферообразная часть которой расположена на размещенном выше по потоку конце 8 стержня, а сужающаяся хвостовая часть которой расположена на размещенном ниже по потоку конце 9 стержня. Однако могут быть использованы также другие формы оконечностей стержня, обеспечивающие минимизацию гидродинамического сопротивления, создаваемого стержнем потоку обрабатываемой текучей среды.
Размещение внутреннего стержня 5 вдоль оси реакционной камеры позволяет перекрыть его сечением центральную зону реакционной камеры, и, таким образом, по существу исключить т.н. «мёртвую зону» реакционной камеры, расположенную вдоль ее продольной оси, в которой при работе ФХР по существу отсутствуют ферромагнитные частицы, и через которую обрабатываемая текучая среда при отсутствии стержня может проходить по существу без обработки. При этом аэродинамическая форма концов 8, 9 стержня 5 обеспечивает минимизацию гидродинамического сопротивления стержня 5 потоку обрабатываемой текучей среды.
Текучая среда, под напором насоса поступающая в реакционную камеру 3, обтекает внутренний стержень 5, ориентированный вдоль направления движения потока, показанного стрелкой на фиг. 1, и проходит через торцевые удерживающие решетки 7, расположенные с торцов рабочей зоны реакционной камеры 3. Аэродинамическая форма концов 8, 9 стержня позволяет существенно снизить гидродинамическое сопротивление потоку обрабатываемой текучей среды через реакционную камеру 3.
В предпочтительном варианте реализации расположенный выше по потоку конец 8 стержня 5 имеет каплевидную форму, а расположенный ниже по потоку конец 9 стержня 5 имеет выпукло-коническую форму.
Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 4, размещенные в реакционной камере 3, приводит их к интенсивному вращению и поступательному круговому движению, что образует вихревой слой ферромагнитных частиц, создающий турбулентность жидкости. Кроме того, в ферромагнитных частицах удлинённой формы возникает магнитострикция и электрическая поляризация, совместное действие которых вызывает в обрабатываемой среде кавитацию, распространение акустических волн и электролиз. Всё это, в свою очередь, приводит к размолу твёрдых частиц и примесей в обрабатываемой среде, ее интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации химических реакций, коагуляции, флокуляции, что, в частности способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости.
Предлагаемая полезная модель позволяет снизить удельное энергопотребление при обработке текучей среды в ФХР, а также повысить ее эффективность за счет перекрытия стержнем «мёртвой зоны» реакционной камеры. В частности, полезная модель позволяет использовать в ФХР насосы текучей среды меньшей мощности, или обеспечить бóльшую производительность ФХР при неизменных энергозатратах.