АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ

Решение относится к области энергетики и защиты окружающей среды. Оно позволяет проводить обработку жидкой среды в потоке и может быть использовано для интенсификации технологических процессов получения мелкодисперсных эмульсий, газонасыщенных жидкостей, а также для очистки и обеззараживания различных вод (природных, сточных и др.) Наиболее успешно решение может быть использовано при подготовке тяжелых низкосортных видов топлива. Из-за наличия в них различных примесей сгорание топлива происходит не полностью, это обусловливает низкую эффективность такого топлива, а также значительные выбросы вредных соединений в атмосферу. Поэтому тяжелое низкосортное топливо часто подвергают предварительной обработке для 'эффективного его использования.
Известен ряд установок для активации процессов и разделения фаз автора Вершинина Н.П. и др. (патенты РФ №№2049562, 2072256, 2072257, 2167102, 2170707, 2198140) а так же книга Вершинин Н.П. Установки активации процессов, г.Сальск, 2002 г., 332 с. Все упомянутые патенты, по сути, касаются усовершенствования установки, довольно сложной по конструкции.
Одна из них (пат. РФ №2198140, C02F 1/48, опуб. 2003.02.10) рассмотрена в качестве аналога. Установка для активации процессов и разделения фаз содержит трубчатые реакционные камеры с ферромагнитными частицами, выходные концы которых соединены с собирающей емкостью, каждая реакционная камера снабжена индуктором вращающегося электромагнитного поля, камеры сблокированы в отдельные модули, соосные между собой, каждый из которых имеет корпус для реакционных камер в виде наружного и внутреннего цилиндров, при этом внутренний цилиндр является собирающей емкостью, причем, соосно соединенные модули образуют общую собирающую емкость, и каждый модуль снабжен кольцевым раздаточным коллектором, соединенным с входными концами реакционных камер, каждый модуль сдвинут на 20-30 относительно модуля, расположенного выше, а кольцевой раздающий коллектор, соединенный с входными концами реакционных камер, представляет собой тороид, разрезанный у патрубка, соединяющего коллектор подводящей магистралью, причем, концы коллектора герметично закрыты.
Установка сложна по конструкции, хотя и достаточно эффективна в работе В качестве прототипа принят аппарат вихревого слоя (пат. РФ №2342987, B01F 13/08; опуб. 2009.01.10). Аппарат вихревого слоя содержит крышки с патрубками подвода и отвода охлаждающей среды, коллектор, сообщенный с патрубком подвода охлаждающей среды, размещенный между крышками индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий осевой канал, в котором с зазором к стенкам канала установлена реакционная камера в виде трубы, имеющей сменную вставку с ферромагнитными частицами, индуктор также имеет обечайку из немагнитного материала и кожух, соединенный с крышками, при этом кожух и обечайка индуктора выполнены цилиндрическими, ферромагнитные частицы сменной вставки выполнены в виде стержней разных размеров, выбор которых производится по следующему соотношению:
общ
1
2
3
n
N=N+N+N+...+N,
общ
где N - общее число ферромагнитных частиц сменной вставки;
1
1
1
N - число частиц длиной l и диаметром d;
2
2
2
N - число частиц длиной l и диаметром d;
3
3
3
N - число частиц длиной l и диаметром d;
n
n
n
N - число частиц длиной l и диаметром d,
1
2
3
n
1
1
2
2
3
3
n
n
причем N<N<N<N, l/d>l/d>l/d>l/d.
Наличие сменной вставки с ферромагнитными частицами, безусловно, сохраняет стенки реакционной камеры, но выбор размера ферромагнитных частиц по предлагаемой зависимости трудоемок и едва ли практически осуществим.
В предлагаемом решении задача повышения качества работы аппарата решается иным путем.
Технический результат - повышение эффективности работы аппарата за счет интенсификации процесса кавитации, перемешивания потока обрабатываемой среды и выравнивания распределения рабочих ферромагнитных тел в реакционной камере.
Этот технический результат достигается тем, что в аппарате для обработки жидких сред в вихревом потоке, содержащем цилиндрический корпус с каналами подачи и удаления обрабатываемой среды, с трубчатой реакционной камерой из немагнитного материала, заполненной рабочими ферромагнитными телами и охваченной электромагнитным
индуктором, каналы подачи и удаления обрабатываемой среды выполнены конусными, сужающимися со стороны реакционной камеры, причем, диаметр входного отверстия в реакционную камеру больше выходного отверстия из камеры, при этом перед входным отверстием в реакционную камеру с каналом подачи обрабатываемой среды сообщен канал подачи сжатого воздуха с распылителем, а перед выходным отверстием из реакционной камеры установлен вогнутый по отношению к ней сетчатый отражатель (выгнутый в сторону выходного отверстия).
Предлагаемое выполнение каналов подачи и удаления обрабатываемой среды обеспечивает перепады давления, а значит, интенсификацию процесса кавитации. В сужающейся части канала скорость потока возрастает, а среднее давление падает и достигает наименьшего значения в самой узкой части и при этом возникают кавитационные полости. При прохождении потоком расширяющейся части канала скорость его замедляется, давление возрастает. В результате кавитационные полости «охлопываются», и происходит гомогенизация и эмульгирование жидкой среды.
Подача сжатого воздуха через канал, сообщенный с каналом подачи обрабатываемой среды, обеспечивает создание турбулентности и дополнительных центров кавитации в виде мельчайших пузырьков воздуха, которые создает распылитель, при этом обработка жидкой среды начинается уже до попадания в рабочую зону аппарата, что повышает эффективность обработки.
Сетчатый отражатель не только снижает вероятность вылета рабочих тел из реакционной камеры, как это имеет место в известных решениях, но, благодаря своей вогнутой форме, создает обратное течение среды, способствующее перемешиванию потока, увеличению времени обработки и выравниванию распределения рабочих тел в объеме реакционной камеры, что в итоге повышает качество обработанного продукта.
Предлагаемый аппарат схематично показан на чертеже. Он содержит цилиндрический корпус 1, в котором выполнены каналы 2, 3 подачи и удаления обрабатываемой среды, с трубчатой реакционной камерой 4 из немагнитного материала, заполненной ферромагнитными телами 5 в виде иголок. Камера охвачена электромагнитным индуктором 6. Каналы 2, 3 подачи и удаления обрабатываемой среды выполнены конусными, сужающимися со стороны реакционной камеры 4. Диаметр входного отверстия 7 в реакционную камеру 4 больше диаметра выходного отверстия 8 из камеры 4. Эти диаметры могут быть подобраны экспериментально. Перед входным отверстием 7 в камеру 4 с каналом 2 сообщен канал 9 подачи сжатого воздуха, на выходе которого установлен распылитель 10. Сжатый воздух, который поступает через канал 9, создает
дополнительную турбулентность потока. Перед выходным отверстием 8 реакционной камеры 4 установлен вогнутый по отношению к ней (выгнутый в сторону выходного отверстия 8) сетчатый отражатель 11. Аппарат работает следующим образом.
Подключают электромагнитный индуктор 6, и ферромагнитные тела 5 в рабочей зоне камеры 4 приходят в вихревое движение. Через канал 9 в канал 2 подают сжатый воздух. Жидкую среду для обработки подают в рабочую зону камеры 4 через канал 2. Через канал 3 отводят обработанную жидкую среду. Основная обработка проходит в реакционной камере 4, это гладкая труба, внутри которой индуктором 6 наводится вращающееся переменное электромагнитное поле с высокой удельной мощностью. В качестве рабочих тел используются ферромагнитные частицы, которые принято называть иголками. В процессе обработки жидкости возникают вихревые потоки. Ферромагнитные тела в вихревом потоке под действием магнитострикции испытывают ультразвуковые колебания и передают их обрабатываемой среде, т.е. являются источником акустических волн. В результате действия акустических волн на поверхности твердой фазы имеет место кавитация, с которой связано появление в обрабатываемой среде ударных волн, вызванных схлопыванием кавитационных полостей в фазе сжатия акустической волны. Вблизи охлопывающегося пузырька в жидкости может возникать давление в несколько тысяч мегапаскалей. Исследованиями установлено, что образующиеся при кавитации газовые пузырьки под действием акустических волн подвергаются пульсации с определенной частотой. Для каждого диаметра газового пузырька существует резонансная частота. В условиях вихревого слоя спектр частот акустической волны непрерывный. Таким образом, создаются все условия для резонансных колебаний пузырьков любого диаметра, также и в том случае, если пузырек образован не в процессе кавитации, а введен в жидкую среду извне. Для ускорения начала процесса кавитации и его интенсификации через канал 9 вводят диспергированный сжатый воздух. Струя воздуха является для движущейся жидкой среды препятствием, в результате чего в ней появляются возмущения в форме турбулентности, приводящие к возникновению акустических волн и мелких пузырьков, которые становятся дополнительными центрами кавитации. При прохождении жидкой средой сужающегося канала 2 скорость потока возрастает, а среднее давление падает и достигает наименьшего значения в самой узкой части, при этом возникают кавитационные полости, которые охлопываются при прохождении расширяющейся части канала 3, происходит гомогенизация и эмульгирование жидкой среды. Действие,
движение и энергия рабочих тел 5 оказывают решающее влияние на процесс обработки. Чем равномернее распределены рабочие тела5 по объему рабочей зоны камеры 4, тем эффективнее работа. Струя жидкой среды, пройдя рабочую зону камеры 4, ударяется вместе с рабочими телами 5 в вогнутый сетчатый отражатель 11 и веером расходится обратно в рабочую зону, что способствует перемешиванию потока и выравниванию рабочих тел 5 в объеме рабочей зоны камеры 4. Это также увеличивает время обработки жидкой среды, что повышает качество полученного продукта.