Вихревой кавитатор для предпосевной обработки семян

Полезная модель относится к устройствам кавитационного типа для разогрева жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей, а также может быть использована с высокой эффективностью для предпосевной обработки семян.
Известно устройство для подготовки семян к посеву, содержащее цилиндрическую емкость для рабочей жидкости, цилиндрическую решетчатую кассету для обрабатываемых семян, механизм привода, баллон с техническим кислородом, эллиптическую крышку с манометром и упорами для фиксации решетчатой кассеты, жестко соединенные с серединой корпуса емкости цапфы, шарнирно закрепленные на опорных стойках, причем одна из цапф соединена с механизмом привода, обеспечивающим вращение емкости вокруг оси цапф, а эллиптическое днище емкости снабжено сливной трубкой с запорным проходным вентелем (Полезная модель №86382 U1, МПК А01С 1/00).
Недостатком этого технического решения является то, что в рабочем процессе используется ограниченное число факторов воздействия на семена - замачивание и насыщение их поверхности кислородом, следовательно, его эффективность низка, во-вторых, это устройство периодического действия, следовательно, малопроизводительно.
Известно устройство для нагрева жидкостей (патент RU №2564730, кл. F24J 3/00, содержащее цилиндрический корпус с циклоном и ускорителем потока в его нижней части, тормозное устройство в верхней части, за которым установлено дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, кроме того в верхней части корпуса соосно и с радиальным зазором к выходному отверстию установлена труба, сообщающая полость корпуса с атмосферой.
Установка трубы, сообщающей корпус с атмосферой, позволяет, во-первых отбирать воздух, выделяющийся из растворенного в воде в свободное состояние, что повышает эффективность рабочего процесса кавитации. Во-вторых, в полость указанной трубки можно помещать семена для их кавитационной обработки, а впоследствии извлекать их
Недостатком этого технического решения является то, что предлагаемая конструкция позволяет использовать устройство в качестве стимулятора семян только в циклическом режиме, что обуславливает низкую его производительность при их предпосевной обработке.
Вихревые кавитаторы рассматриваемого класса являются жидкостными свистками, создающими звуковое поле в своем внутреннем объеме, через который проходит жидкость. При этом в фазе разрежения звуковой волны в жидкости на зародышах образуются и растут кавитационные полости, а в фазе избыточного давления они мгновенно схлопываются, осуществляя уплотнение энергии, как в пространстве, так и во времени с ростом температуры в точке схлопывания до 6000°К.
Механизм образования звуковых волн в таких устройствах сводится к проявлению действия совокупности нескольких процессов. Во-первых, сам процесс истечения затопленной струи из инжекционного патрубка в циклон является источником звука.
Вторым источником звукообразования является взаимодействие в циклоне входной части потока с другой его частью, совершившей полный оборот вдоль обечайки циклона. В этом случае вторая, т.е. совершившая полный оборот, часть потока за счет скоростной составляющей напора обжимает входящую часть, уменьшая проходное сечение и увеличивая тем самым гидравлическое сопротивление на входе в улитку циклона. Увеличенное гидравлическое сопротивление вызывает уменьшение скорости входного потока, что приводит к возрастанию пьезометрической составляющей напора потока перед сопротивлением. Поднявшееся давление перед сопротивлением обеспечивает отжим второй, т.е. окружной части потока, снижение гидравлического сопротивления для входного компонента и далее увеличенный его расход, причем, как за счет увеличенного сечения, так и за счет прибавления скорости. Произошедший переход энергии в кинетическую форму уменьшает пьезометрическую часть входного потока, что вновь приводит к его обжиму и т.д.
Третьим источником излучения упругих волн является процесс взаимодействия вихревого потока, прошедшего вдоль цилиндрического корпуса, с пластинами тормозного устройства. В этом случае противоборствующими факторами являются гидродинамическое воздействие вихревого потока и упругие свойства каждой из пластин, обуславливающие их автоколебания аналогично листочкам деревьев на ветру. Каждая пластина при этом колеблется с частотой собственных колебаний, величина которой определяется ее геометрическими размерами, способом установки, модулем упругости материала.
Периодическое же движение поверхностей пластин излучает упругие волны в жидкость.
Целесообразно, чтобы длина цилиндрической части корпуса была кратна целому числу полудлин звуковых волн. В этом случае волны расчетных частот, вошедшие в корпус, будут отражаться от жесткого противоположного конца корпуса и поэтому начало и конец цилиндрической части корпуса станут узлами, а середина - пучностью стоячей волны. Стоячая же волна предполагает удвоенную амплитуду колебаний, следовательно, и больший уровень энергии, запасенный кавитационной каверной перед схлопыванием, и большее энерговыделение в акте схлопывания.
При этом энерговыделение происходит в других различных формах:
- в виде ударных упругих волн;
- светового излучения - в форме флуоресценции жидкости;
- в виде других видов электромагнитного излучения;
- в форме теплового воздействия;
- в виде вторичных кавитационных коллапсов и т.д.
В этом случае семена получают комплекс различных воздействий, просыпаются, в них интенсифицируются диффузионные и обменные процессы, биологический объект начинает активно развиваться. Ускоренное развитие растений из таких семян обуславливает более раннее наступление фаз развития, более обширный захват наибольшей солнечной активности весенне-летнего периода и т.д.
Рассматриваемая технология в значительной степени превосходит существующие, так например, при флотационном процессе предыдущего технического решения требуется около 12 часов, а при использовании кавитационной технологии для этого достаточно 0,5-2 минуты.
По отношению к другим техническим решениям среди кавитационных технологий достоинством в рассматриваемом устройстве являются одновременная реализация нескольких очагов кавитации:
- улитка;
- пучность стоячей волны в середине корпуса;
- область корпуса в местоположении тормозного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является (патент RU 2517986, кл. F24J 3/00) устройство для нагрева жидкости, содержащее, по крайней мере, один снабженный цилиндрической частью в виде вихревой трубы корпус, в основании которого размещено тормозное устройство, а другая его сторона соединена с торцевой стороной ускорителя движения жидкости, выполненного в виде улитки, соединенной с насосом и оснащенной расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой в виде набора концентрично вложенных с радиальными зазорами зафиксированных втулок, центральная из которых выполнена в виде трубы продолжающейся сквозь всю длину корпуса, а ее стенка выполнена перфорированной.
Установка центральной перфорированной трубы, продолжающейся сквозь всю длину корпуса, позволяет размещать обрабатываемые семена в любой точке центральной части корпуса, что может повысить эффективность обработки, поскольку источники кавитации:
- циклон в виде улитки;
- средняя часть корпуса;
- область тормозного устройства (камертон),
имеют разную интенсивность (Фиг. 1).
Однако непосредственному проведению обработки семян в рассматриваемом случае препятствует отсутствие необходимых устройств по их перемещению в рабочей зоне, устройств загрузки-разгрузки, а так же дополнительных конструкций, герметизирующих внутреннее пространство устройства с давлением 3-5 атмосфер от внешнего пространства с атмосферным давлением.
Отсутствие устройств по перемещению семян в рабочей зоне обуславливает неподвижность и тем самым исключает поточность их обработки. Циклический характер рабочего процесса характеризуется низкой производительностью, поскольку часть времени рабочего процесса обработки расходуется на перевалочные действия. Циклический характер обуславливает также высокую трудоемкость обработки вследствие необходимости прохождения каждым обрабатываемым семечком удвоенного пути вдоль центральной трубы в каждом такте обработки.
Отсутствие устройств загрузки-разгрузки позволяет использовать устройство лишь в лабораторном качестве и исключает его использование в поточных производственных процессах предпосевной обработки.
Отсутствие герметизирующих внутреннее пространство устройства для нагрева жидкости полностью исключает протекание рабочего процесса в непрерывном режиме и позволяет его осуществление только в периодическом режиме, да и то только при закупорке концов центральной трубы дополнительными пробками.
Настоящий этап развития технологий и технических средств предполагает создание машин, работающих на новых перспективных принципах действия. Кавитационные технологии являются таковыми, они уже нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, перспективными они являются и для стимуляции жизненных процессов в семенах и развития растений. По данному направлению авторами накоплен значительный опыт, однако для практического применения известный вихревой кавитатор следует адаптировать к данному технологическому процессу.
Недостатком известного устройства является низкая производительность процесса предпосевной обработки семян.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности процесса предпосевной обработки семян и расширение его технологических свойств.
Поставленная задача решается следующим образом.
В устройстве для нагрева жидкости, содержащем, по крайней мере, один снабженный цилиндрической частью в виде вихревой трубы корпус, в основании которого размещено тормозное устройство, а другая его сторона соединена с торцевой стороной ускорителя движения жидкости, выполненного в виде улитки, соединенной с насосом и оснащенной расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой в виде набора концентрично вложенных с радиальными зазорами зафиксированных втулок, центральная из которых выполнена в виде трубы, продолжающейся сквозь всю длину корпуса, а ее стенка выполнена перфорированной, центральная труба снабжена загрузочным бункером на ее входе, шлюзовыми устройствами на ее входе и выходе, транспортирующим устройством внутри ее.
При этом:
- транспортирующее устройство выполнено в виде шнекового транспортера с эластичным шнеком;
- транспортирующее устройство выполнено в виде нории;
- транспортирующее устройство выполнено в виде роторно-пластинчатого нагнетателя;
- шлюзовые устройства на входе и выходе центральной трубы выполнены в виде роторно-пластинчатых нагнетателей;
- шлюзовое устройство на входе в центральную трубу выполнено в виде герметичного загрузочного бункера, снабженного герметичной быстросъемной крышкой, а на выходе из центральной трубы в виде герметичной емкости.
Установка устройства по перемещению семян по трубе в рабочей зоне вихревого кавитатора позволяет обеспечить непрерывность их обработки, и тем самым за счет исключения циклического характера рабочего процесса, позволяет повысить производительность обработки. При этом так же снижается трудоемкость обработки вследствие исключения того же циклического характера, обуславливающего устранение необходимости прохождения каждым обрабатываемым семечком удвоенного пути вдоль центральной трубы в каждом такте обработки.
Снабжение вихревого кавитатора устройством загрузки в виде загрузочного бункера вначале трубы обеспечивает вихревому кавитатору непрерывность работы, поскольку дает возможность непрерывного поступления в вихревой кавитатор, а значит и отбор из него посевного или проращиваемого материала. Непрерывный характер работы дает возможность его использования в поточных технологических линиях предпосевной обработки.
Обеспечение вихревого кавитатора на входе и выходе центральной трубы шлюзовыми устройствами, герметизирующие внутреннее пространство устройства, является необходимым условием протекания рабочего процесса, в частности в непрерывном режиме.
При этом:
- снабжение центральной трубы шнековым транспортером с эластичным шнеком обеспечивает непрерывную стабильность работы устройства, исключая закупорку и пропуски посевного материала по всей ее длине. При этом эластичность шнека предупреждает травмирование семян во время транспортирования по центральной трубе;
- исполнение транспортирующего устройства в виде нории требует повышенных затрат и внимания при их изготовлении, а так же при эксплуатации. Однако ее использование обеспечивает минимальное трение семян об ограждающие поверхности при эксплуатации.
- применение роторно-пластинчатых нагнетателей в качестве транспортирующих устройств с одной стороны позволяет произвести унификацию этих устройств в шлюзовых и транспортирующих устройствах, а так же дает возможность совмещения нескольких функций в одном роторно-пластинчатом нагнетателе. Однако в этом случае возможна закупорка транспортирующей центральной трубы посевным материалом за счет возможного сводообразования. Однако закупорку центральной трубы в этом случае можно предупредить применением вибрации от работы насосного агрегата и смазкой водой, участвующей в процессе создания кавитации;
- выполнение шлюзового устройства на входе и выходе центральной трубы в виде роторно-пластинчатых нагнетателей обеспечивает полную непрерывность технологического процесса, что является необходимым условием для использования устройства крупными предприятиями;
- выполнение шлюзового устройства на входе в центральную трубу в виде герметичного загрузочного бункера, снабженного герметичной быстросъемной крышкой, а на выходе из центральной трубы в виде герметичной емкости обеспечивает непрерывность рабочего процесса лишь определенный период времени. По мере его опорожнения питающего бункера рабочий процесс следует останавливать для его дозаправки, что в некоторой степени снижает его эффективность использования такой конструкции. Однако, для условий фермерских хозяйств такое устройство целесообразно, поскольку оно недорого, просто по конструкции, многофункционально и его производительность является достаточной для небольших фермерских хозяйств.
Предлагаемое изобретение пояснено чертежами:
Фиг. 1. Распределение всхожести по очагам кавитации в осевом направлении вихревого кавитатора;
Фиг. 2. Продольный разрез вихревого кавитатора для предпосевной обработки семян со шнековым транспортирующим устройством и шлюзовыми устройствами в виде роторно-пластинчатых нагнетателей;
Фиг. 3. Продольный разрез вихревого кавитатора для предпосевной обработки семян с транспортирующим устройством в виде нории и шлюзовыми устройствами в виде роторно-пластинчатых нагнетателей;
Фиг. 4 Продольный разрез вихревого кавитатора для предпосевной обработки семян с транспортирующим устройством и шлюзовыми устройствами в виде входного и выходного роторно-пластинчатых нагнетателей;
Фиг. 5. Продольный разрез вихревого кавитатора для предпосевной обработки семян со шнековым транспортирующим устройством и шлюзовыми устройствами в виде герметичных подающей и приемной емкостей.
тр
Вихревой кавитатор для предпосевной обработки семян (Фиг. 2), содержит, в виде вихревой трубы корпус 1, в основании которого размещено тормозное устройство 2, а другая его сторона соединена с торцевой стороной ускорителя движения жидкости, выполненного в виде улитки 3, соединенной с насосом 4 и оснащенной расположенной соосно осевой линии корпуса 1 центральной трубой 5, продолжающийся сквозь всю длину корпуса 1, а ее стенка выполнена перфорированной, при этом центральная труба 5 снабжена загрузочным бункером 6 на ее входе, шлюзовыми устройствами на ее входе 7 и выходе 8, транспортирующим устройством внутри ее 9 (шнековым на Фиг. 2, в виде нории на Фиг. 3, в виде роторно-пластинчатого нагнетателя на Фиг. 4). Для полного обеспечения работоспособности насос 4 всасывающим трубопроводом 10 через выходной патрубок 11 соединен с корпусом 1 вихревого кавитатора. Настройка режимов работы вихревого кавитатора осуществляется созданием и регулировкой расхода транзитного потока q, который входит в вихревой кавитатор через патрубок 12 и выходит из него через патрубок 13.
Шнековый транспортер 9 (Фиг. 2) размещается в центральной трубе и содержит вал 14, эластичный шнек 15 и привод 16.
Транспортер нория (Фиг. 3) состоит из чашек 17, соединенных цепью 18, шкивов и привода (на фигуре не показаны) и также, как и шнековый транспортер 9 размещается в трубе 5 с минимальным радиальным зазором.
Известные роторно-пластинчатые нагнетатели 7, 8 кроме функции герметизации (Фиг. 2, Фиг. 3) могут также выполнять свою прямую функцию - транспортирующего устройства (Фиг. 4).
Другим вариантом обеспечения герметизации рабочего объема является перевод устройства в режим периодической работы, за счет установки по концам центральной трубы 5 герметичных питающей и приемной емкостей. При этом герметичность питающей емкости достигается путем установки на бункер 6 крышки 19 (Фиг. 5), а герметичность приемной емкости обеспечивается подсоединением к выходу трубы 5 герметичной емкости 20 (Фиг. 5).
Вихревой кавитатор для предпосевной обработки семян работает следующим образом. Насос 4 под избыточным давлением (4-6 атмосфер) нагнетает воду в циклон (улитку) 3, причем, тангенциально. Далее, совершив почти полный оборот вдоль обечайки циклона 3, поток обжимает свою же входную часть и за счет взаимодействия этих компонентов, имеющего периодический характер, создаются упругие волны, распространяющиеся вдоль цилиндрического корпуса 1 от циклона 3 к выходному патрубку 11. Отражась от жесткого торца цилиндрического корпуса 1, звуковая волна двигается навстречу излучателю, то есть к циклону 3. При условии равенства длины цилиндрического корпуса 1 целому числу полудлин волн в цилиндрическом корпусе возникает стоячая волна с узловыми точками, начинающимися на его краях и отстоящими друг от друга через половину длины волны.
Между узловыми точками расположены пучности, в которых амплитуда, за счет сложения прямой и отраженной волн имеет удвоенную величину, что имеет решающее значение для эффективности акустической кавитации.
Обработка семян происходит за счет того, что в фазе разрежения звуковой волны жидкость на зародышах (неоднородностях) разрывается с образованием микрополостей. При наступлении фазы давления каждая из таких каверн схлопывается под действием, как самого давления, так и сил поверхностного натяжения с встречным ударом стенок в локальной точке. В этом случае происходит концентрация упругой энергии, запасенной в фазе разрежения со всего объема каверны, в минимальный объем точки схлопывания. В результате этого в этой точке жидкость разогревается до 6000 градусов, образуются ударные волны, подробно деформирующие жидкость, также нарушая наноструктуры как самой жидкости, так и присутствующих в ней примесей, далее происходят последующие циклы кавитации.
Присутствующая рядом поверхность семян при этом подвергается интенсивному массажу, локальному действию высоких градиентов деформаций и температур - в результате чего семена просыпаются, а за счет интенсивных локальных микродеформаций и нагрева у семян повышается проницаемость мембран клеток, усиливается обмен веществ и живой организм начинает интенсивно развиваться.
В устройстве имеется несколько зон наиболее активного протекания кавитационных процессов (Фиг. 1), это:
- район циклона;
- средняя часть корпуса;
- область тормозного устройства (камертона).
нacoc
Через эти очаги проходит центральная труба 5 и обрабатываемые семена по ней. За счет перфорации трубы 5 семена подвергаются непосредственному воздействию кавитации, и вместе с тем центральная труба 5 препятствует уносу семян вместе с потоком Q, за счет того, что диаметр перфорационных отверстий меньше наименьшего измерения каждого из семян.
Для обработки семена засыпаются в бункер 6, далее они под собственным весом просыпаются на вход роторно-пластинчатого нагнетателя 7, который за счет поворота ротора продвигает их в сторону выходного отверстия, при этом обеспечивая им незначительный подпор. Выйдя из нагнетателя 7, семена попадают на эластичные витки 15 шнекового транспортера 9, которые за счет вращения с валом 14 от привода 16 перемещают семена по центральной части устройства через все кавитационно активные зоны. По мере прохождения этих зон семена подвергаются всем вышеперечисленным видам воздействия и приобретают биологическую активность.
Далее они из центральной трубы попадают на выходное шлюзовое устройство, выполненное в виде роторно-пластинчатого нагнетателя, и затем в тару.
При выполнении транспортера в виде нории (Фиг. 3) какие-либо принципиальные изменения в сути процесса кавитационной обработки семян отсутствуют. Однако этот случай предполагает меньшее трение семян от ограждающие поверхности, поскольку в зоне загрузки семян из роторно-пластинчатого нагнетателя 7 они попадают между чашками 17 и при перемещении вдоль центральной трубы 5 трутся только о ее внутреннюю поверхность, вплоть до выходного роторно-пластинчатого нагнетателя 8 и далее в тару.
При использовании известных роторно-пластинчатых нагнетателей 7 и 8 по своему прямому назначению (кроме функции герметизации (Фиг. 2, Фиг. 3)) - транспортирующего устройства (Фиг. 4) они создают подпор. Причем его величина, как у всякой объемной гидромашины, может быть значительной. За счет этого создаваемого подпора семена, как сыпучий материал, могут перемещаться на некоторую критическую длину. Далее по мере накопления сил сопротивления, они начинают преобладать над величиной подпора, и материал перестает перемещаться. В рассматриваемой конструкции устройства имеют место вибрации и смачивание семян водой, что в значительной степени снижает величину внутреннего трения, увеличивает дальность транспортирования продукта и делает этот предел сопоставимым с осевыми размерами вихревого кавитатора. Таким образом, близко находящиеся к выходному роторно-пластинчатому нагнетателю 8 семена воздействуют на впереди расположенные семена, что обуславливает их движение, причем с трением о внутреннюю поверхность центральной трубы 5, а также с трением между собой.
В условиях мелкого сельскохозяйственного производства отсутствует необходимость выполнения больших объемов работ поточным способом, а является достаточным обрабатывать небольшие партии семян 30-50 л. В этом случае целесообразно предложить упрощенную конструкцию герметизации, а именно перевод устройства в режим периодической работы, за счет использования по концам центральной трубы 5 герметичных питающей и приемной емкостей. При этом герметичность питающей емкости достигается путем установки на бункер 6 крышки 19 (Фиг. 5), а герметичность приемной емкости обеспечивается подсоединением к выходу трубы 5 герметичной емкости 20 (Фиг. 5). Для загрузки питающего бункера устройства открывается крышка 19, засыпается материал, герметично закрывается крышка 19 и начинается работа при постепенном перемещении засыпанного объема по центральной трубе 5, например, с помощью шнекового транспортера. Преодолев рабочее пространство, семена ссыпаются в герметичную емкость 20, одновременно являющуюся и тарой, и после ее заполнения она отсоединяется и меняется на новую такую же герметичную.
Использование предлагаемого вихревого кавитатора для предпосевной обработки семян выгодно отличает его от аналогов, во-первых, по сравнению со многими известными вариантами (флотация, СВЧ-обработка, магнитными, электростатическими полями и др.) обработки он имеет повышенную производительность. Так, время экспозиции обработки на вихревом кавитаторе может составлять несколько секунд, вместо минут и часов при других способах обработки.
Во-вторых, в этом случае имеет место несколько функциональных факторов воздействия: замачивание, массаж, воздействие магнитных и электрических полей и т.д., следовательно, в большей степени изменяются качества и самих растений из этих семян. Установлено повышение качества плодов растений, семена которых прошли кавитационную обработку, например, в плодах рапса первого года урожая повышается на 13,5% содержание жиров, у огурцов на 40% урожайность и т.д.
В-третьих, предлагаемое техническое решение в сочетании с другими конструктивными признаками обладает дополнительным преимуществом - расширенными технологическими возможностями:
- нагрев жидкостей;
- насыщение жидкостей газами (кислородом);
- дегазация жидкостей;
- диспергация твердого компонента в двухфазных рабочих смесях;
- тщательное перемешивание растворов и эмульсий;
- минерализация жидкостей для питьевого и лечебного применения и т.д.
Причем эти технологические процессы можно осуществлять, как в специальном варианте, то есть дифференцированно, так и в одновременном сочетании нескольких функций.