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 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 электродвигателя 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 поля в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде проявляются явления магнитострикции и кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.
Известно устройство для обработки материалов (Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Изд. "Техника", 1976 – [1]), представляющее собой корпус в виде полого цилиндра из немагнитного материала, помещённый внутрь индуктора. Индуктор создает вращающееся ЭМП. Внутрь корпуса полого цилиндра плотно вставлена цилиндрическая втулка из немагнитного материала, являющаяся реакционной камерой устройства, внутри которой находятся ферромагнитные частицы. Под действием вращающегося ЭМП ферромагнитные частицы, выполненные в виде тонких цилиндрических стержней, в качестве которых часто используется рубленая проволока, гвозди и т.п., вращаются в реакционной камере аппарата, следуя за вращением силовых линий создаваемого индуктором ЭМП, в плоскости, нормальной к оси реакционной камеры, и поступательно перемещаются по круговым траекториям вокруг продольной оси реакционной камеры, образуя, тем самым, облако или рой интенсивно движущихся в пространстве реакционной камеры ферромагнитных частиц, называемые вихревым слоем.
Как было установлено самими авторами документа [1], один из недостатков предложенного устройства заключается в том, что многочисленные ударные воздействия ферромагнитных частиц о стенки вставной втулки приводят к её быстрому разрушению вплоть до возникновения сквозных отверстий уже через 200-1000 часов работ, что требует частой периодической замены вставной втулки, которая выполняет роль защиты рабочей трубы корпуса индуктора. Кроме того, распространение при этом ударно-вибрационных воздействий через стенку вставной втулки на корпус аппарата и далее на полюса и обмотки индуктора ведёт к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая срок службы индуктора и устройства в целом. Кроме того, многочисленные удары ферромагнитных частиц друг о друга, об обрабатываемую среду (например, сыпучую) и особенно о стенки реакционной камеры приводят к ускоренному истиранию частиц и их износу, что требует их достаточно частой периодической замены. В [1] имеется также проблема залипания и заклинивания ферромагнитных частиц в удерживающих их торцевых решётках.
Кроме того, вращение ЭМП относительно движущихся ферромагнитных частиц приводит к перераспределению в них электрических зарядов, при этом на обоих концах частиц одновременно возникают положительные и отрицательные заряды, которые при вращении ЭМП попеременно меняют знак. Если обрабатываемая жидкость является электролитической, то в ней происходит электролиз. При этом с концов каждого стержня в электролитическую среду стекают электрические заряды, образовавшиеся на концах стержней в данный момент. Однако конфигурация концов стержня, очень важная для эффективного стока электрических зарядов, в известном из [1] устройстве не позволяет обеспечить эффективное протекание электролитических реакций в обрабатываемой среде.
Из RU 2224586 [2] известно устройство, которое содержит реакционную камеру в виде трубы, с размещенным в ней дискретным рабочим телом в виде металлических иголок, и расположенный снаружи указанной трубы электромагнитный индуктор, причем рабочее тело выполнено в виде биметаллических иголок с наружной поверхностью из немагнитного металла, например, титана с сердцевиной из ферромагнитного материала.
Недостаток решения, известного из [2], заключается в использовании немагнитного металлического покрытия ферромагнитных частиц («иголок»), более прочного по сравнению с материалом самих частиц, что снижает степень и скорость износа самих частиц, однако приводит, соответственно, к увеличению скорости и степени износа стенок реакционной камеры.  Кроме того, конфигурация концов биметаллических «иголок», стандартно имеющих форму цилиндрических стержней, снижает эффективность протекания электролитических реакций в обрабатываемой среде.
Из SU 1740060 [3] известен ферромагнитный мелющий элемент, содержащий металлический стержень с кольцевыми пазами, неметаллическую оболочку, выполненную из двух частей одинаковой длины, размещенных на концевых участках металлического стержня.
Недостатком известного из [3] устройства является наличие неметаллических оболочек на концах ферромагнитных стержней, что блокирует сток поляризационных зарядов, вызванных вращающимся ЭМП, с концов стержней в обрабатываемую текучую среду, практически подавляя  в ней явления электролиза.
Таким образом, является актуальной проблема повышения эффективности обработки жидкости, а также долговечности и надёжности работы ФХР.
Выявленные недостатки конструкций, известных из [1], [2] и [3], предлагается устранить благодаря предлагаемой полезной модели.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности и качества обработки сред, продление долговечности ФХР и надежности его работы, а также снижение эксплуатационных издержек.
Указанный технический результат достигается ФХР, который содержит трубчатую реакционную камеру, охваченную снаружи электромагнитным индуктором вращающегося ЭМП. Внутри реакционной камеры размещены ферромагнитные частицы.
Согласно полезной модели ферромагнитные частицы выполнены в виде стержней, концы которых имеют заострения, проходящие наружу сквозь закрепленные на концах частиц неметаллические головки.
В одном из вариантов реализации заострения стержней частиц выполнены в форме заостренной луковицы.
В одном из вариантов реализации на концах стержней ферромагнитных частиц выполнены проточки,  рифления, накатки или насечки для прочного закрепления неметаллических головок на концах частиц.
В одном из вариантов реализации неметаллические головки выполнены в виде износостойких колпачков.
В одном из вариантов реализации заострения имеют форму сужающихся иголок.
В одном из вариантов реализации неметаллические головки имеют округлую форму и выполнены из немагнитного износостойкого материала, в частности, из полимера или композита.
Таким образом, сущность полезной модели состоит в предложении ферромагнитной частицы для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела, размещаемого в реакционной зоне ФХР с вихревым слоем, выполненной в виде стержня, концы которого имеют заострения, проходящие наружу сквозь закрепленные на концах частиц неметаллические головки.
Предложенная конструкция частиц, благодаря предусмотренным на их концах защитным неметаллическим головкам, защищает концы частиц и их заострения в виде иголок от ударов и трения о стенки реакционной камеры, что препятствует быстрому истиранию как самих частиц, так и их игольчатых концов, и таким образом продлевает срок их службы, что особенно важно при обработке электролитических сред.
Применение защитных неметаллических головок ферромагнитных частиц по настоящей полезной модели, прочно зафиксированных на концах цилиндрического основания частиц, также позволяет демпфировать удары частиц о стенки реакционной камеры, защищая  её  от разрушения и снижая ударно-вибрационные воздействия, в том числе, на индуктор и его обмотки.
Выполнение концов ферромагнитных частиц с закрепленными на них неметаллическими головками, через которые проходят наружу заострения концов ферромагнитных частиц, увеличивает диаметр оконечностей ферромагнитных частиц, что также способствует предотвращению заклинивания или застревания частиц в ячейках удерживающих решеток реакционной камеры, что дополнительно способствует повышению надёжности работы ФХР.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность и качество обработки жидкости, продлить долговечность ФХР и надежности его работы, а также снизить эксплуатационные материальные издержки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР,
где 1 – индуктор, 2 – корпус индуктора, 3 - реакционная камера,  4  – ферромагнитные частицы, 5 – удерживающая решетка.
На фиг. 2 изображена ограничивающая решетка реакционной камеры.
На Фиг. 3а изображена ферромагнитная частица в виде цилиндрического стержня,
где 6 - рифление, 7 – заострение (острие), 8 - износостойкая неметаллическая головка.
На Фиг. 3б изображена частично изношенная ферромагнитная частица.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую реакционную камеру 3 из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 и обмотками. Внутри реакционной камеры 3 ФХР расположено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4, удерживаемых в активной зоне реакционной камеры торцевыми удерживающими решётками 5. Дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа, в частности перемешивающего или измельчающего/размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Ферромагнитные частицы 4 выполнены в виде удлиненных по существу цилиндрических стержней с концами в форме луковиц с заострениями, имеющими вид удлиненного игольчатого острия.
Форма луковицы образуется при закруглении цилиндрической поверхности ферромагнитной частицы, выполненной в виде по существу цилиндрического стержня, в направлении к его продольной оси -  вначале выпукло, т.е. с положительной кривизной, а затем, вблизи его продольной оси, – вогнуто, т.е. с отрицательной кривизной, образуя тем самым в центре стержня, т.е. по существу вблизи его продольной оси, заострение, напоминающее форму заостренной луковицы или форму сферы с заострением.
Как известно из области электротехники, такая форма заострения стержня ферромагнитной частицы, выполняющей в электролитической среде роль электрода, близкая к поверхности шара, является оптимальной для равномерного распределения на его головке поверхностной плотности  электрического заряда. Наличие же острия на шаровидной поверхности стержня приводит к резкому пиковому повышению концентрации заряда в этом месте и, соответственно, повышению напряжённости электрического поля в среде около его кончика, способствующему дальнейшему стоку заряда (электрическому разряду) с острия стержня через окружающую токопроводящую среду в направлении зарядов противоположного знака, находящихся в обрабатываемой электролитической среде.
Боковая поверхность концов стержней вдоль их цилиндрической поверхности вблизи заострения снабжена проточками, рифлениями, накаткой или насечками 6, посредством которых на оконечностях стержней закреплены неметаллические головки 8, причём кончики заострений 7 концов частиц проходят сквозь неметаллические головки 8 наружу с обеспечением возможности их электрического контакта с обрабатываемой в ФХР текучей средой (см. Фиг. 3 а, б). Однако, фиксация неметаллических головок 8 на концах стержней ферромагнитных частиц может быть осуществлена и иным образом, например, посредством соединения с геометрическим замыканием, соединения с натягом, фрикционного или клеевого соединения.
В одном из вариантов реализации неметаллические головки 8 выполнены в виде износостойких защитных демпфирующих колпачков из немагнитного износостойкого материала, например, полимера или композита, причём кончики заострений на концах частиц выполнены такой длины, что они проходят через них наружу через указанные колпачки для обеспечения электрического контакта заострений частиц с обрабатываемой текучей средой.
Работает ФХР следующим образом. Магнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в своей рабочей зоне, и соответственно в реакционной камере 3, вращающееся ЭМП. Обрабатываемая текучая среда, подаваемая в рабочую зону реакционной камеры 3, проходит через торцевые решетки 5, расположенные с торцов реакционной камеры 3. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 4, размещенные в реакционной камере 3, приводит их к интенсивному вращению и поступательному 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, интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации и катализу химических реакций, коагуляции, электрокоагуляции, флокуляции, что, в частности, способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости.
Вращающееся ЭМП вызывает в ферромагнетиках перераспределение электрических зарядов, при этом на обоих концах каждой частицы одновременно возникают положительные и отрицательные заряды, которые, при вращении ЭМП относительно стержня, попеременно меняют знак. В загрязнённой жидкости, обрабатываемой ферромагнитными частицами, происходят процессы солеобразования, поэтому она всегда является электролитической, и в ней протекает электролиз. С концов иголок каждой ферромагнитной частицы в электролитическую среду стекают электрические заряды, образовавшиеся на её концах в данный момент. Наличие заострений на концах ферромагнитных частиц (Фиг. 3а, б) способствует пиковому повышению поверхностной плотности   (концентрации) электрических зарядов на концах иголок и более эффективному стоку и движению этих зарядов через жидкую среду к зарядам противоположного знака, что приводит к интенсификации протекания электролитических реакций в ФХР и, соответственно, к повышению эффективности и качества обработки жидкости.
Несмотря на то, что долговременная эксплуатация ФХР приводит к постепенному стиранию защитных неметаллических головок 8 ферромагнитных частиц 4 и игольчатых заострений на концах ферромагнитных частиц, однако их функциональное назначение при этом не страдает, поскольку при частичном истирании головки и заострения частицы в виде иголки, как показано на фиг. 3б, её заостренный кончик всегда выступает наружу через защитную головку и продолжает служить концентратором накопленного на конце стержня электрического заряда для обеспечения проявления электролиза в обрабатываемой текучей среде. Продление срока службы ферромагнитных частиц предлагаемой конструкции, а вместе с тем реакционной камеры и индуктора, снижает, соответственно, материальные затраты на их периодическую замену и ремонт.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность и качество обработки растворов, продлить долговечность ФХР и надежности его работы, а также снизить эксплуатационные материальные издержки.