УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОЙ СРЕДЫ

Предлагаемая полезная модель относится к ультразвуковым устройствам обработки жидких сред. Она может быть использована в ультразвуковых устройствах диспергирования (дезинтегрирования), эмульгирования, деэмульгирования эмульсий, гомогенизации, для ускорения протекания химических реакций, проходящих в жидкой фазе, и т.п. Применение данной полезной модели позволяет интенсифицировать процессы обработки жидких сред и повысить эффективность оборудования.
Известно устройство для ультразвуковой обработки жидкой среды - ультразвуковой диспергатор типа УЗД1-0,4/22М [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой очистки. - СПб, «Андреевский издательский дом», 2004, стр. 82, рис 2.29], содержащий подключенный к ультразвуковому генератору электромеханический преобразователь, соединенный с излучающим волноводом в форме усеченного кругового конуса, обращенного основанием вниз. В процессе работы концентратор погружается в ванну (реактор), которая заполняется обрабатываемой жидкостью. Реактор на рисунке не показан.
Недостатком этого устройства является низкая эффективность озвучивания обрабатываемой жидкой среды, вследствие низкой амплитуды излучаемых колебаний, поскольку волновод выполнен в виде расконцентратора.
Значительно большей производительностью обладают устройства для ультразвуковой обработки жидкой среды - диспергаторы проточного типа. Например, известен ультразвуковой проточный диспергатор, включающий реактор (ванну) для обработки жидкой среды, ультразвуковой генератор и электромеханический преобразователь, подключенный к ультразвуковому генератору и соединенный с проточным излучающим волноводом, выполненным в виде концентратора в форме обращенного вершиной вниз усеченного кругового конуса и имеющим канал для циркуляции обрабатываемой жидкости, при этом верхнее входное отверстие канала соединено со средствами, обеспечивающими циркуляцию обрабатываемой жидкости из реактора через концентратор, а выходное отверстие канала расположено на излучающем конце концентратора [Петушко И.В. Ультразвуковой проточный диспергатор. Пат. RU №95271; B01F 11/02; оп. 27.06.2010.]
Недостатком этого устройства также, является низкая производительность озвучивания обрабатываемой жидкой среды. В этом случае, хотя и обеспечивается прокачка обрабатываемой жидкой среды через концентратор, и концентратор имеет большую амплитуду колебаний, но проток происходит через канал с ограниченными размерами. Это не позволяет озвучивать жидкость с большой производительностью.
Наиболее близким, по своей технической сущности к заявляемому, является ультразвуковое устройство, описанное в патенте RU 363528 (B01F 11/02; оп. 10.08.2009; Новик А.А. Ультразвуковое устройство для обработки жидких сред; прототип). Устройство содержит реактор для обрабатываемой жидкой среды, имеющий входной и выходной патрубки для ввода и вывода обрабатываемой жидкой среды, ультразвуковой генератор, подключенный к нему излучатель с расположенным в реакторе волноводом, излучающий торец (излучающая поверхность) которого расположен напротив выходного патрубка реактора. Выходной патрубок имеет фланец со стороны, обращенной к излучателю, и выполнен с возможностью перемещения относительно излучающей поверхности на расстояния, кратные числу полуволн излучения в обрабатываемой среде. Торец излучателя ступенчато расширен и имеет диаметр излучающей поверхности больший, чем диаметр фланца выходного патрубка, напротив которого он расположен.
Недостатком этого устройства является низкая эффективность. Это обусловлено низкой эффективностью озвучивания обрабатываемой жидкости, вследствие неравномерности энергии озвучивания проходящей через реактор жидкой среды. Это хорошо видно при рассмотрении фиг. 1а и 1б, где схематически представлены 2 крайних варианта диспергатора-прототипа: а) - при максимальном сближении (половина длины волны) и б) - при максимальном удалении излучающего торца волновода и выходного патрубка с фланцем. На фиг. 1 показаны:
1 - реактор;
2 - входной патрубок;
3 - подвижный выходной патрубок;
4 - фланец на торце выходного патрубка 3;
5 - излучатель (волновод).
Стрелками показаны направления движения потоков жидкой среды в реакторе 1. Пунктиром показаны границы поля эффективного озвучивания.
В случае а) жидкость поступающая в реактор 1, по кратчайшему пути (потоки I), из входного патрубка 2 в зону между отверстием выходного патрубка 3 и частью площади (равной площади сечения выходного патрубка) излучающего торца волновода 5, подвергается кратковременной обработке и тут же выходит из реактора 1. Только часть жидкости находящаяся между торцом волновода 5 и поверхностью фланца 4, отражаясь от этой поверхности (потоки II) поступает еще и еще раз в зону интенсивного озвучивания и хорошо обрабатывается. Часть жидкости поступившая за фланец 4 (потоки III) и в сторону противоположную от направления излучения, начинает циркулировать только в этих объемах, образовывая застойные зоны III, которые чрезвычайно мало подвергаются озвучиванию.
Возможность перемещения выходного патрубка 3 и изменения расстояния между излучающим торцем волновода 5 и фланцем 4 патрубка 3 на величину, кратную половине длины волны, позволяет уменьшить застойные зоны с потоками III (фиг. 1б). Но с увеличением этого расстояния будет уменьшаться и сечение поля эффективного озвучивания (выделено пунктиром) - оно будет сужаться [Панов А.П., Пискунов Ю.Ф. Высокоамплитудная ультразвуковая очистка: Учебн. пособие для слушателей Заочных курсов повышения квалификации ИТР по применению ультразвука в машиностроении. - М., «Машиностроение», 1980, стр. 14, рис. 8]. Вследствие этого появятся новые застойные зоны (потоки II) у стенок реактора, за счет пассивности фланца и торцевой стенки реактора.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - создание высокоэффективного устройства для ультразвуковой обработки жидкой среды.
Технический эффект, достигаемый при реализации предложенной полезной модели, - в обеспечении условий попадания, практически, всего потока обрабатываемой жидкой среды в поле эффективного озвучивания.
Указанный эффект достигается тем, что, в известном устройстве для ультразвуковой обработки жидкой среды, включающем реактор, имеющий входной и выходной патрубки для ввода и вывода жидкой среды, ультразвуковой генератор и подключенную к нему колебательную систему, содержащую излучатель с размещенным в реакторе волноводом, излучающий торец которого расположен напротив выходного патрубка, в отличие от известного часть реактора, находящаяся между излучающим торцом волновода и выходным патрубком, выполнена сужающейся в сторону выходного патрубка.
Достигаемый эффект усиливается, если часть реактора, находящаяся между излучающим торцом волновода и выходным патрубком, выполнена в форме многоступенчатой трубы. В этом случае отимальный вариант - когда расстояние между поверхностью излучающего торца волновода и ступенями кратно половине длины волны излучения в обрабатываемой жидкой среде.
Другой вариант выполнения - часть реактора, находящаяся между излучающим торцем волновода и выходным патрубком, выполнена в форме конуса.
Предлагаемая полезная модель является новой, поскольку в существующем уровне техники не известна характеризующая ее совокупность существенных признаков.
Отличия предлагаемого решения от известных - форма выполнения конструктивных элементов и их взаимное расположение.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в предлагаемой конструкции устраняются недостатки прототипа - вся, поступающая в реактор жидкая среда (жидкость) попадает в поле эффективного озвучивания. В предлагаемом устройстве потоки, отраженные от стенок реактора, многократно циркулируют через зону эффективной обработки и не образуют застойных зон, что и обеспечивает повышение равномерности и эффективность озвучивания обрабатываемой среды.
Это видно на фиг. 2, где представлены два варианта выполнения предлагаемого устройства:
а) часть реактора между излучающим торцом волновода и выходным патрубком имеет форму многоступенчатой трубы;
б) часть реактора между излучающим торцом волновода и выходным патрубком имеет форму конуса.
Все обозначения на фиг.2 те же, что и на и фиг.1.
Очевидно, что в предлагаемой конструкции исключено образование застойных зон и все, отражающиеся от стенок реактора потоки попадают в поле эффективного озвучивания.
Предлагаемое устройство (фиг.2а) работает следующим образом. Поток обрабатываемой среды (жидкости) поступает из входного патрубка 2 в реактор 1 и попадет в зону между излучающей поверхностью торца волновода и первой ступенью стенки реактора. Часть его прямо попадает в поле эффективного озвучивания, а другая - отражается от первой ступени и возвращается в зону эффективного озвучивания. И так происходит на каждой ступени сужения реактора. Когда расстояние между поверхностью излучающего торца волновода и ступенями кратно половине длины волны излучения в обрабатываемой жидкой среде, каждая ступень будет находиться в зоне пучности волны и тогда будет происходить максимальное отражение и наилучшие условия для возврата на обработку в зону эффективного озвучивания.
Выполнение части реактора, находящейся между излучающим торцом волновода и выходным патрубком, в форме конуса - это предельный случай бесконечного числа ступеней сужающейся трубы. Очевидно, что достигаемый эффект усиливается.
Достижение указанного технического результата при реализации предлагаемой полезной модели подтверждают результаты экспериментальных исследований влияния конструкции реактора диспергатора на процессы обработки веществ в жидкой среде, определяющие эффективность обработки. Для исследований влияния были выбраны широко распространенные процессы: растворение соли бария и эмульгирование растительного масла в воде.
На фиг.3а приведены экспериментальные зависимости количества растворенного в воде соли бария от времени, полученные при обработке в диспергаторе с предлагаемой ступенчатой конструкцией реактора (кривая 1) и диспергаторе с цилиндрической конструкцией реактора-прототипа (кривая 2).
На фиг.3б приведены экспериментальные зависимости изменения скорости эмульгирования растительного масла в воде от амплитуды механических колебаний ультразвукового излучателя, полученные при обработке в диспергаторе с предлагаемой ступенчатой конструкцией реактора (кривая 1) и диспергаторе с цилиндрической конструкцией реактора-прототипа (кривая 2).
Из полученных данных видно, что уже за 2 часа работы диспергатора с предлагаемой конструкцией реактора в раствор перешло более 60% вещества, а за 4 часа почти 80%, в то время, как в диспергаторе-прототипе эти показатели составляют соответственно только 35 и 49%.
Результаты обработки растительного масла в воде показывают, что скорость приготовления 100% эмульсии в диспергаторе с предлагаемой конструкцией реактора, более, чем в 2 раза выше, чем в конструкции-прототипе при различных уровнях амплитуды механических колебаний ультразвукового излучателя.
Таким образом, примеры конкретного применения предлагаемой полезной модели показывают, что ее реализация позволяет интенсифицировать процессы обработки жидких сред и повысить эффективность оборудования.
Промышленная применимость предлагаемой полезной модели очевидна: предлагаемое устройство может быть изготовлено известными средствами по известным технологиям из известных материалов. Оно может быть использовано в ультразвуковых устройствах диспергирования (дезинтегрирования), эмульгирования, деэмульгирования эмульсий, гомогенизации, для ускорения протекания химических реакций, проходящих в жидкой фазе, и т.п. Применение данной полезной модели позволяет интенсифицировать процессы обработки жидких сред и повысить эффективность оборудования.