СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПРОЦЕССА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО В СЕБЯ ТВЕРДЫЙ ОБЪЕКТ И ГАЗ
METHOD AND DEVICE TO FACILITATE PROCESS COMPRISING SOLID BODY AND GAS

Область техники
Настоящее изобретение относится к акустическому устройству для улучшения технологического процесса, включающего в себя твердый объект и газ посредством уменьшения ламинарного подслоя. Изобретение также относится к способу улучшения технологического процесса, включающего в себя твердый объект и газ посредством уменьшения ламинарного подслоя.
Уровень техники
Тепловой поток невозможен при отсутствии разности температур. Следовательно, тепловой поток между воздухом/газом и поверхностью объекта будет прямо пропорционален разности температур между газом и поверхностью и поверхностной проводимости, то есть
a
s
Φ=h(t-t),
s
a
2
где Φ обозначает тепловой поток, h - поверхностная проводимость, t - температура поверхности и t -температура окружающего газа. Поверхностную проводимость измеряют в Вт/мK.
Тепловая энергия имеет тенденцию к перемещению в направлении уменьшения температуры. Перенос теплоты может происходить благодаря процессам проводимости, конвекции или излучения. Теплота характеризует энергию, связанную с непрекращающимся движением молекул, а температура является мерой энергии такого движения. Когда вещества с различными температурами находятся в контакте, то более энергичные молекулы передают часть своей тепловой энергии менее энергичным молекулам в результате их столкновений. Вышесказанное характеризует процесс тепловой проводимости. Такой процесс является единственным механизмом, под действием которого теплота может передаваться через непрозрачное твердое тело.
Тепловая энергия может переноситься через газ с помощью проводимости, а также благодаря движению газа из одной области пространства в другую. Такой процесс переноса теплоты, связанной с движением газа, называется конвекцией. Когда движение газа вызвано с помощью только выталкивающих сил, образовавшихся в результате различий температур, тогда процесс рассматривается как естественная или свободная конвекция, но если движение газа вызвано некоторым другим устройством, типа вентилятора или тому подобного, то такое явление называют принудительной конвекцией.
В почти всех практически существующих газовых потоках характер течения будет турбулентным внутри всей перемещающейся области объема, за исключением слоя, прилегающего ко всем поверхностям, где характер течения является ламинарным (см., например, 203 на фиг.2a). Этот слой часто называют ламинарным подслоем. Толщина этого слоя представляет собой убывающую функцию, зависящую от значения числа Рейнольдса для потока, так что при высоких скоростях потока толщина ламинарного подслоя будет уменьшаться.
Перенос теплоты в направлении поперек ламинарного подслоя будет осуществляться путем проводимости или излучения вследствие природы ламинарного потока.
Что касается излучения всех физических объектов, то они непрерывно теряют энергию вследствие испускания электромагнитного излучения и приобретают энергию в результате поглощения той части излучения от других объектов, которая падает на них. Этот процесс переноса теплоты в результате излучения может иметь место без присутствия какого-либо вещества в пространстве между излучающими объектами.
Что касается проводимости, то перенос вещества в направлении поперек ламинарного подслоя будет осуществляться исключительно с помощью диффузии. В технике, имеющей отношение к теплообменникам, хорошо известно, что основным препятствием для перемещения или передачи теплоты от газа к твердой поверхности является приграничный слой газа, который удерживается на твердой поверхности. Даже когда движение газа является полностью турбулентным, существует ламинарный подслой, который затрудняет передачу теплоты. В то время как различные способы и типы устройств были предложены для решения данной проблемы, например, с помощью движения газа под действием акустических волн и колебания границы раздела в присутствии генераторов внешних колебаний, эти способы, будучи до некоторой степени эффективными, ограничены в своей основе по их способности осуществлять эффективную минимизацию ламинарного подслоя и в то же самое время покрывать достаточно большие области, чтобы сделать применяемый способ эффективным.
Подобным образом скорость каталитического процесса, включающегося в себя газ, взаимодействующий с каталитической поверхностью, помимо всего прочего, ограничена из-за взаимодействия молекул газа с каталитической поверхностью, то есть зависит от доставки реагентов к каталитической поверхности и удаления продукта реакции от каталитической поверхности. Перенос вещества через ламинарный подслой, покрывающий каталитическую поверхность, может быть осуществлен только благодаря диффузии реагентов и продуктов реакции.
Точно так же, когда один тип газа или смеси газов интенсивно замещают на другую композицию газов, то время, необходимое для ее продувки к внутренней поверхности резервуара, будет ограничено временем, которое потребуется для замещения газа в ламинарном подслое. Такое замещение может быть выполнено только с помощью диффузии.
В патенте США 4501319 раскрыто улучшение переноса теплоты между двумя газо-жидкостными смесями (то есть не между объектом и газом/воздухом), что обеспечивает улучшенную передачу теплоты с помощью минимизации толщины ламинарного подслоя, создавая для этого волновой спектр типа стоячей волны. Однако использование волнового спектра типа стоячей волны для минимизации ламинарного подслоя не дает пока достаточно эффективного или существенного уменьшения ламинарного подслоя (и в связи с этим улучшения при передачи теплоты), так как волновой спектр типа стоячей волны включает в себя стационарное и повторяющееся расположение узловых точек (в пространстве) над поверхностью. В указанных узловых точках газовые молекулы не будут смещаться и, соответственно, у них отсутствует скорость движения.
В патенте США 4835958 описан способ продуктивной работы вращающихся лопастей газовой турбины. В способе водяной пар в качестве охлаждающей среды разрушает ламинарную паровую пленку на поверхностях выпускного отверстия, таким образом гарантируя улучшенную передачу теплоты. Это осуществлено с помощью создания акустической ударной волны, разрушающей ламинарный подслой. Так как площадь поверхности, охваченная в результате ударной волны, должна быть сравнимой с площадью поверхности, использованной для создания ударной волны, то предложенный способ не приведет к уменьшению ламинарного подслоя (и, следовательно, к улучшению при передаче теплоты) в пределах такой большой площади, которая рассматривается в настоящем изобретении, поскольку ультразвуковые волны рассеиваются в пределах большей части данного объекта, чем ударная волна.
В патенте США 6629412 раскрыт турбогенератор, вырабатывающий как тепло, так и электричество. Устройство включает в себя теплообменник, который использует акустические резонаторы (образованные с помощью полостей на поверхности теплообменника) для предотвращения образования ламинарного граничного слоя. Резонаторы генерируют акустические вихри по мере того, как газ течет над поверхностью теплообменника, и в связи с этим порождается турбулентность в газе над поверхностью. Инициированная турбулентность будет уменьшать размер ламинарного слоя (фиг.2a), но порожденная акустическая энергия не является достаточно сильной и, следовательно, не достаточно эффективной для осуществления минимизации подслоя.
В патенте Японии 07112119 раскрыто улучшение каталитического процесса с помощью ультразвука и таким образом разрушение приграничной пленки газо-жидкостной смеси над пористым твердым катализатором. Конструкция приводит к недостаточному сопряжению ультразвука из источника/вибратора через диафрагму и впоследствии к газу. Это связано с большим различием в полном акустическом сопротивлении, которое будет иметь место при любом переходе типа твердое тело - газ.
В патенте США 4347983 раскрыто устройство для генерирования ультразвука. В патенте указано, что ультразвук может быть полезен для улучшения передачи теплоты в результате разрушения жидкого или газового слоя. Дополнительно обращается внимание на то, что каталитические эффекты могут быть улучшены благодаря молекулярному распаду, получению свободных ионов, смешиванию и другим эффектам. Однако эта конструкция не направлена на разрушение ламинарного подслоя. Кроме того, эта конструкция не является в достаточной мере подходящей для генерирования акустического давления с достаточно высокими уровнями, необходимыми для эффективного разрушения ламинарного подслоя. Рассмотренные факторы для улучшения каталитических эффектов, то есть молекулярное разрушение и получение свободных ионов, относятся к эффектам, которые имеют место только в этих условиях в жидкой среде, а не в газообразной среде.
В патенте Японии 2000 325903 раскрыт способ удаления грязи c волокна с помощью распыления сверхзвукового газового потока, в результате чего граничный слой газа, созданный вокруг оптических волокон, разрушается сверхзвуковыми волнами так, чтобы пятно в граничном слое могло быть удалено. Создание турбулентного слоя с использованием ультразвука будет приводить к улучшенному эффекту при удалении грязи. Тем не менее в патенте не раскрывается самый эффективный способ снижения неблагоприятных воздействий, связанных с граничным слоем в том случае, если способ используется в других процессах, поскольку интенсивность звука, достаточная для удаления или уничтожения ламинарного подслоя, не была получена.
В патенте Японии 07031974 раскрыт способ адсорбции иона в воде с использованием ионообменной смолы, через которую протекает вода. Сверхзвуковая волна, создаваемая устройством, облучает воду и ионообменную смолу так, что граничный слой потока разрушается и происходит ускорение диффузионного процесса.
Граничный слой не является ламинарным подслоем. В патенте раскрыто только использование воды. Звуковые давления в воде и газе непосредственно не сопоставимы. Акустическое давление в газообразной и не слишком вязкой текущей среде является некоторым совокупным продуктом, зависящим от плотности вещества, скорости звука и скорости колебаний молекул (атомов). Скорость звука в воде примерно в 4 раза выше, чем скорость звука в воздухе, а плотность воды примерно на 3 порядка по величине больше, чем плотность воздуха. Поэтому даже в случае одинаковой скорости колебаний частиц в результате получают в 3000-5000 раз более высокие амплитуды акустического давления в воде, чем в газе. Такое столь существенное количественное различие приводит к ряду качественных отличий в способах генерации акустических волн и их распространении в газах и жидкостях. Поэтому простая замена воды на газ привела бы к существенному уменьшению эффективности, и решение, предложенное в этом патенте, не является подходящим для улучшения процесса, включающего в себя твердую поверхность и газовое окружение.
В патенте США 6360763 раскрыты устройство и способ, в котором приграничный слой воздуха, находящийся на твердой поверхности, отделяют при помощи акустического сопла. Раскрытый в патенте граничный слой не является ламинарным подслоем. Кроме того, акустическим соплом управляют с помощью совокупности частот, где одна или несколько частот являются субгармониками, имеющими различные фазы, а акустическую систему используют для получения колеблющейся с нулевой массой потока газо-жидкостной смеси, текущей в основном потоке и выходящей из основного потока, управляемой по электрическим проводам с использованием сигнала. Принудительный сигнал, применяемый в акустической системе, имеет частоту 60 Гц. Раскрыто использование электроакустического преобразователя в качестве генератора колебаний, создающего газовое давление (то есть акустическая система) и другие примеры генераторов колебаний, создающих газовое давление типа пьезозаслонок и электромагнитных клапанов.
2
2
Такие создающие газовое давление генераторы колебаний работают посредством создания вибраций, используя для этого звук, при этом твердое тело находится в контакте с газом и таким образом осуществляется передача вибраций газу. Из-за огромных различий акустического импеданса для твердого тела и газа (отношение их импедансов равно примерно 30000-50000) большая часть генерируемой акустической энергии возвращается обратно в твердое тело в области контакта твердое тело/газ, так что не представляется возможным указанным способом генерировать звук или ультразвук в газе с интенсивностью, которая была бы достаточно высокой для удаления или уменьшения ламинарного подслоя. Например, 99,9895% полной акустической энергии отражается обратно в твердое тело в области контакта алюминий/воздух. Для акустической волны, чтобы преодолеть этот барьер твердое тело/газ и при этом сохранить уровень интенсивности 140 дБ (46 Вт/м), требуется обладать исходным значением интенсивности около 440000 Вт/м.
Сущность изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства и соответствующего способа для уменьшения ламинарного подслоя, в котором, помимо всего прочего, преодолены вышеупомянутые недостатки предшествующего уровня техники.
Так как диффузия является медленно протекающим процессом, то чрезвычайно полезно уменьшение толщины ламинарного подслоя в максимально возможной степени, чтобы увеличить эффективность любого переноса теплоты или вещества, а именно также и каталитического процесса или замены газов вблизи поверхности твердого тела.
Более конкретно, задачей является минимизация недостатков, связанных с упомянутым выше ламинарным подслоем и зависящего от него диффузионного процесса(ов).
Еще одной задачей является обеспечение эффективной минимизации ламинарного подслоя таким образом, чтобы могли быть эффективно охвачены большие области поверхности.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение практической реализации, с помощью которой минимизация ламинарного подслоя позволит значительно увеличить эффективность передачи теплоты.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение практической реализации, с помощью которой минимизация ламинарного подслоя позволит значительно увеличить эффективность каталитического процесса, при этом катализатор имеет твердую поверхность, а реагентами являются газы.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение практической реализации, с помощью которой минимизация ламинарного подслоя позволит значительно увеличить продув объема с заменой композиции газов.
Поставленные задачи решены с помощью звукового устройства (и соответствующего способа) улучшения процесса между твердым объектом и газом, окружающим объект или, по меньшей мере, находящимся в контакте с поверхностью объекта, при этом устройство, содержащее звуковые средства для приложения звука или ультразвука высокой интенсивности к, по меньшей мере, поверхности объекта, в котором звук или ультразвук высокой интенсивности во время использования звукового устройства, прикладывается непосредственно в газе, который является также средой, через которую звук или ультразвук высокой интенсивности распространяется к поверхности объекта, в результате чего ламинарный подслой на поверхности объекта уменьшается и/или минимизируется, при этом звук или ультразвук высокой интенсивности имеет интенсивность, равную 140 дБ или выше.
Указанным способом обеспечивается минимизация или уменьшение ламинарного подслоя на поверхности объекта. Кроме того, ламинарный подслой минимизирован на большой площади или по всей площади поверхности объекта.
Кроме того, большая эффективность по отношению к минимизации ламинарного подслоя обеспечивается благодаря большой интенсивности звукового или ультразвукового сигнала высокой интенсивности, например, по сравнению с другими типами звуковых волн.
Поскольку звук или ультразвук высокой интенсивности генерируется непосредственно в воздушном/газовом окружении объекта (или, по меньшей мере, в воздушном/газовом окружении, соответствующем поверхности объекта) (вместо того, чтобы осуществлять генерацию ультразвука в катализаторе или объекте для передачи теплоты от или из любого твердого передатчика), то тем самым достигается большая эффективность процесса. Таким же путем достигается меньшее ослабление интенсивности (звука или ультразвука), поскольку не будет никакой существенной потери (интенсивности) при переходе от твердого передатчика звука или ультразвука высокой интенсивности к воздуху/газу. Такая потеря будет происходить всегда, когда существует большое различие в акустическом импедансе, с другой стороны такая потеря будет иметь место при любом переходе типа твердое тело - газ.
Звук или ультразвук высокой интенсивности в газах инициирует очень высокие скорости и смещения газовых молекул. Например, 160 дБ соответствуют скорости частицы 4,5 м/с, а смещения равны 33 мк при 22000 Гц. Другими словами, имеет место значительное возрастание кинетической энергии молекул.
В одном варианте осуществления интенсивность звука или ультразвука большой интенсивности выбирают из диапазона 140-160 дБ. В качестве альтернативы их интенсивность превышает 160 дБ.
В предпочтительном варианте осуществления звуковые средства включают в себя внешнюю часть и внутреннюю часть, определяющую проход, отверстие и полость, созданную во внутренней части, при этом указанное звуковое средство адаптировано для получения газа, находящегося под давлением, и передачи газа, находящегося под давлением, к указанному отверстию, из которого газ, находящийся под давлением, выпускают в сопло по направлению к полости.
В одном варианте осуществления температура поверхности больше, чем температура газа, а процесс является процессом теплового обмена, тем самым сокращение и/или минимизация ламинарного подслоя вызывает усиленный обмен теплотой от объекта к газу.
Таким образом, принудительный поток теплоты от поверхности к окружающему газу/воздуху обеспечивают с помощью увеличения проводимости в результате минимизирования ламинарного подслоя. Звук или ультразвук высокий интенсивности будет усиливать взаимодействие между газовыми молекулами и поверхностью и таким образом усиливать проводимость теплоты, которая после этого может сопровождаться пассивной или активной конвекцией на поверхности, то есть обеспечивают увеличение эффективности теплопередачи в результате сокращения ламинарного подслоя.
Такое сокращение ламинарного подслоя, к примеру, желательно, когда передача тепла является недостаточной/слишком маленькой от поверхности объекта к окружающему воздуху/газу, когда требуется охлаждение объекта и/или нагревание газа. Это будет иметь место, когда слишком большой ламинарный подслой вызывает недостаточную/уменьшенную теплопередачу или если есть намерение использовать меньший теплообменник. Таким способом обеспечивается минимизация подслоя, что приводит к увеличивающемуся потоку теплоты от поверхности в воздух.
В качестве альтернативного варианта осуществления температура поверхности является меньшей, чем температура газа, и процессом является процесс теплового обмена, тем самым сокращение и/или минимизация ламинарного подслоя вызывает увеличенный теплообмен от газа к объекту.
Таким образом, обеспечивают принудительный поток теплоты от окружающего газа/воздуха к поверхности в результате увеличения проводимости с помощью минимизации ламинарного подслоя. Минимизация ламинарного подслоя, к примеру, желательна, когда передача тепла является недостаточной/слишком маленькой от окружающего воздуха/газа к поверхности объекта, когда желательно охлаждение воздуха/газа и/или нагревание объекта.
В одном варианте осуществления поверхность объекта является катализатором, а газ включает в себя, по меньшей мере, один реагент катализатора и процесс является каталитическим процессом, при этом сокращение ламинарного подслоя приводит к увеличенной скорости каталитического процесса.
Таким образом обеспечивают уменьшение времени реакции каталитического процесса (то есть увеличение скорости каталитического процесса) в воздухе/газе на поверхности катализатора, применяя звук или ультразвук высокий интенсивности к поверхности. При этом устанавливают принудительное взаимодействие между газовыми молекулами и поверхностью катализатора. Звук или ультразвук высокий интенсивности усиливает взаимодействие между газовыми молекулами и поверхностью в результате минимизации ламинарного подслоя и таким образом происходит увеличение скорости каталитического процесса.
Следует обратить внимание на то, что процесс не эквивалентен каталитическим процессам, инициированным ультразвуком в газо-жидкостных смесях, которые уже хорошо известны и описаны в предшествующем уровне техники. Фактическое звуковое давление в газе, к примеру, будет намного меньше, чем звуковое давление, используемое в газо-жидкостных смесях для каталитических процессов, инициированных ультразвуком. Аналогично не будет возможных кавитационных процессов в газе.
Уменьшение времени реакции каталитического процесса желательно, когда скорость каталитического процесса является недостаточной/слишком маленькой или есть желание использовать меньший катализатор.
В одном варианте осуществления указанная поверхность является внутренней поверхностью данного объема, а процесс заключается в изменении газовой композиции между газом и исходной газовой композиции на внутренней поверхности, тем самым сокращение ламинарного подслоя вызывает усиленный газовый обмен в результате усиливающегося взаимодействия между газовыми молекулами газа и газовыми молекулами исходной газовой композиции на внутренней поверхности.
При этом обеспечивают уменьшение необходимого времени продувки во время газового обмена в объеме путем уменьшения времени, необходимого для диффузии на поверхности ламинарного подслоя, применяя звук или ультразвук высокой интенсивности к поверхности. Тем самым устанавливается принудительное взаимодействие между газовыми молекулами (замещающего газа) и газовыми молекулами исходной газовой композиции на внутренней поверхности данного объема. Звук или ультразвук высокой интенсивности увеличивает взаимодействие между газовыми молекулами (замещающего газа) и газовыми молекулами исходной газовой композиции на поверхности, то есть обеспечивает усиленный газовый обмен вследствие минимизации ламинарного подслоя и, таким образом, происходит увеличение скорости установления нового равновесия.
Уменьшение необходимого времени продувки является желательным, когда (требуемое) время смывания (включающее и обменные эффекты на твердой поверхности) смеси новой газовой смесью является недостаточным или слишком малым по сравнению с тем, при котором будет установлено новое равновесие. Это, например, уместно при использовании защитных газов во время сварки или наполнении защитных/неактивных газов в пищевые упаковки и т.д., например, при удалении кислорода или аналогичных газов.
Настоящее изобретение также относится к способу улучшения процесса, включающего в себя твердый объект и газ, окружающий объект или, по меньшей мере, находящийся в контакте с поверхностью объекта, при этом способ, включает в себя следующие операции: применения звука или ультразвука высокой интенсивности к, по меньшей мере, поверхности объекта с использованием звуковых устройств, при этом звук или ультразвук высокой интенсивности применяют непосредственно к газу, который является также средой, через которую звук или ультразвук высокой интенсивности распространяется к поверхности объекта, посредством чего ламинарный подслой на поверхности объекта уменьшен и/или минимизирован.
Способ и варианты его осуществления соответствующие устройству и вариантам его осуществления и имеют те же самые преимущества в силу тех же самых оснований.
Благоприятные варианты осуществления способа согласно настоящему изобретению определены в подпунктах формулы изобретения и описаны подробно ниже.
Настоящее изобретение также относится к выпускному отверстию, включающему в себя охлаждающие каналы, находящиеся в связи со звуковым устройством, генерирующим ультразвук во время использования, который распределяют в указанных каналах.
Настоящее изобретение также относится к печатной плате, включающей в себя, по меньшей мере, один радиатор и, по меньшей мере, один вентилятор, оба из которых установлены для охлаждения, по меньшей мере, части указанной печатной платы или компонентов, расположенных на ней, во время использования, при этом указанная печатная плате дополнительно включает в себя акустическое устройство, генерирующее ультразвук во время использования, который направлен, по меньшей мере, на часть указанного, по меньшей мере, одного радиатора.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены на предпочтительных вариантах осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1a изображает схему объекта, где осуществляется перенос теплоты в окружающий или контактирующий воздух/газ, или имеющий указанное время реакции при каталитическом процессе, или имеющий указанное время продувки, согласно известному уровню техники;
фиг.1b изображает перенос теплоты, время реакции при каталитическом процессе и/или время продувки по отношению к объекту на фиг.1a согласно изобретению;
фиг.2a - схему турбулентного потока над поверхностью объекта согласно предшествующему уровню техники;
фиг.2b - схему потока над поверхностью объекта, рассмотренную в качестве иллюстрации эффекта применения звука или ультразвука высокой интенсивности к/в воздуху(е)/газу(е), окружающему или контактирующему с поверхностью объекта согласно изобретению;
фиг.3а - схему предпочтительного варианта осуществления устройства для генерации звука или ультразвука высокой интенсивности согласно изобретению;
фиг.3b - вариант осуществления ультразвукового устройства в форме дискообразного кругового сопла согласно изобретению;
фиг.3c - разрез по диаметру ультразвукового устройства на фиг.3b, более отчетливо иллюстрирующий форму отверстия, газового прохода и полости, согласно изобретению;
фиг.3d - альтернативный вариант осуществления ультразвукового устройства, которое сформировано в виде вытянутого тела, согласно изобретению;
фиг.3e - ультраакустическое устройство такого же типа, как и на фиг.3d, но имеющее форму замкнутой кривой, согласно изобретению;
фиг.3f - ультраакустическое устройство такого же типа, как и на фиг.3d, но имеющее форму незамкнутой кривой, согласно изобретению;
фиг.4a - общий вид выпускного отверстия, иллюстрирующего охлаждающие каналы и коллекторы для охлаждения газа, предшествующего уровня техники;
фиг.4b - пример размещения ультразвукового генератора в коллекторе согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов
осуществления изобретения
На фиг.1a схематически изображен объект согласно предшествующему уровню техники, где происходит перенос теплоты в окружающий или контактирующий с ним воздух/газ, или имеющий указанное время реакции при каталитическом процессе, или имеющий указанное время продувки.
1
0
1
0
Объект (100) имеет поверхность, имеющую температуру T. Окружающий газ или газ (500), находится в резервуаре (показан пунктирной линией), при этом газ контактирует с соответствующей поверхностью объекта (100) и имеет температуру T, где T>T.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения тепловая энергия имеет тенденцию к перемещению в направлении уменьшения температуры. Перенос теплоты может происходить благодаря процессам проводимости, конвекции или излучения. Теплота характеризует энергию, связанную с непрекращающимся движением молекул, а температура является мерой энергии такого движения. Когда вещества с различными температурами находятся в контакте, то более энергичные молекулы передают часть своей тепловой энергии менее энергичным молекулам в результате их столкновений. Вышесказанное характеризует процесс тепловой проводимости. Такой процесс является единственным механизмом, под действием которого теплота может передаваться через непрозрачное твердое тело.
(1)
В известных способах были предложены различные способы уменьшения ламинарного подслоя, например с помощью образования волнового спектра типа стоячей волны. Однако использование волнового спектра типа стоячей волны для минимизации ламинарного подслоя не дает пока достаточно эффективного или существенного уменьшения ламинарного подслоя (и в связи с этим улучшения передачи теплоты), так как волновой спектр типа стоячей волны включает в себя стационарное и повторяющееся расположение узловых точек (в пространстве) над поверхностью. В указанных узловых точках газовые молекулы не будут смещаться и, соответственно, у них отсутствует скорость движения. В другом способе предлагается использовать ударные волны, для которых недостатком является их воздействие на небольшую часть поверхности. Наконец было предложено создавать акустическую турбулентность в поверхностном слое или передавать акустическую энергию от твердого тела либо от поверхности непосредственно, либо от передатчика. Все указанные способы не приводили в итоге к достаточно высоким уровням интенсивностей, которые привели бы к эффективному уменьшению ламинарного подслоя. На фиг.1a показан механизм передаче теплоты.
1
0
Согласно уровню техники для второго аспекта настоящего изобретения на фиг.1a приведено схематическое изображение объекта (100), являющегося катализатором. Реагентами являются окружающий или контактирующий газ (газы) (500), а продукты катализа (100) должны мигрировать через ламинарный подслой в результате диффузии. Катализатор имеет температуру T, а реагент(ы) в газообразном состоянии (500) имеют температуру T.
(1)
В известных способах был предложен способ передачи акустической энергии (высокочастотных колебаний) от твердотельного преобразователя, через сплошной стержень и через диафрагму. Акустическая энергия эмитируется в газ (500) и таким образом происходит возбуждение приграничной пленки газо-жидкостной смеси со стороны внешней поверхности твердого пористого катализатора. Однако такая конструкция дает малоэффективное взаимодействие ультразвука (выходящего) из диафрагмы с газом (500). Это связано с большим различием в полном акустическом сопротивлении, которое будет иметь место при любом переходе типа твердое тело - газ. Согласно второму аспекту изобретения приведенные на фиг.1a условия приводят к указанному времени реакции при каталитическом процессе.
1
0
Согласно уровню техники для третьего аспекта настоящего изобретения на фиг.1a схематично показан объект (100), имеющий внутренние стенки для некоторого объема пространства, в котором собираются изменить композицию газов (500). Новый газ (не показан) и исходный газ (500) должны мигрировать через ламинарный подслой с помощью диффузии. Внутренняя стенка некоторого объема пространства имеет температуру T, а исходный газ (500) имеет температуру T.
Приведенные на фиг.1a условия согласно третьему аспекту изобретения приводят к указанному времени продувки, при котором будет установлено новое равновесие.
Обращается внимание на то, что три упомянутых аспекта не являются исключительными, так как некоторые из указанных процессов могут иметь место в одно и то же время.
1
0
На фиг.1b схематически изображен перенос теплоты, время реакции при каталитическом процессе и/или время продувки по отношению к объекту, изображенному на фиг.1a, в случае использования настоящего изобретения. Объект (100), показанный на фиг.1а, можно использовать для настоящего изобретения. Заявленный объект (100) имеет ту же температуру T как в случае, рассмотренном на фиг.1a, а окружающий или контактирующий газ (500) имеет также ту же самую температуру T как в случае, рассмотренном на фиг.1a.
(2)
(1)
Согласно первому аспекту объект (100) (или поверхность объекта) с контактирующим или окружающим газом (газами) в соответствии с настоящим изобретением подвергают воздействию звука или ультразвука высокой интенсивности. Это приводит к очень высоким скоростям и смещениям газовых молекул. Другими словами, кинетическая энергия молекул значительно увеличивается, в результате воздействия на них ультразвука или звука высокой интенсивности. На фиг.1b показано, что звук или ультразвук высокий интенсивности приводит к увеличению (интенсивности) взаимодействия между газовыми молекулами и поверхностью и, таким образом, к увеличению проводимости теплоты, которая после такого воздействия может сопровождаться пассивной или активной конвекцией на поверхности, как это будет объясняться подробно со ссылкой на фиг. 2a и 2b. Использование настоящего изобретения приводит к указанной передаче теплоты, которая является большей, чем передача тепла для случая на фиг.1а.
Так как рассмотренные ограничения при процессе передачи теплоты эквивалентны тем же самым ограничениям в случае эффективного каталитического процесса, настоящее изобретение также обеспечивает способ уменьшения времени реакции каталитического процесса в воздухе/газе на поверхности каталитической поверхности посредством применения звука или ультразвука высокой интенсивности к поверхности объекта. Согласно второму аспекту настоящего изобретения устанавливается принудительное взаимодействие между газовыми молекулами и поверхностью катализатора, потому что ультразвук высокий интенсивности минимизирует ламинарный подслой, как это будет объясняться подробно со ссылками на фиг. 2a и 2b. В результате будет уменьшаться время диффузии и, таким образом, будет происходить увеличение скорости каталитического процесса. Использование данного изобретения приводит к указанному времени реакции каталитического процесса, который является меньшим/более коротким, чем время реакции каталитического процесса для случая на фиг. 1а.
Обращается внимание на то, что этот процесс не эквивалентен каталитическим процессам, инициированным ультразвуком в газо-жидкостных смесях, которые уже хорошо известны и описаны в предшествующем уровне техники. Фактическое звуковое давление в газе, к примеру, будет намного меньше, чем звуковое давление, используемое в газо-жидкостных смесях для каталитических процессов, инициированных ультразвуком. Подобным образом здесь не будет возможных кавитационных процессов в газе.
(2)
(1)
Так как рассмотренные ограничения при процессе эквивалентны тем же самым ограничениям в случае эффективной диффузии через подслой, настоящее изобретение также обеспечивает способ уменьшения времени установления нового равновесия, когда изменяют газовую композицию в объеме посредством применения звука или ультразвука высокой интенсивности к поверхности объекта. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения устанавливается принудительное взаимодействие между газовыми молекулами и предыдущим газом в поверхности объема, потому что ультразвук высокий интенсивности минимизирует ламинарный подслой, как это будет объяснено со ссылками на фиг. 2a и 2b. В результате будет уменьшаться время диффузии и, таким образом, будет происходить увеличение скорости установления нового равновесия. Использование данного изобретения приводит к указанному времени продувки, которое является меньшим/более коротким, чем указанное время продувки для случая на фиг.1а.
Газ может быть, например, воздухом, паром или любым другим газом.
На фиг.2a схематически изображен (турбулентный) поток над поверхностью объекта согласно предшествующему уровню техники. Приведенное изображение является поверхностью (204) объекта вместе с газом (500), окружающим или контактирующим с поверхностью (204). Как отмечалось выше, тепловая энергия может переноситься через газ с помощью проводимости, а также благодаря движению газа из одной области пространства в другую. Такой процесс переноса теплоты, связанный с движением газа, называется конвекцией. Когда движение газа вызвано с помощью только выталкивающих сил, образовавшихся в результате различий температур, тогда процесс рассматривается как естественная или свободная конвекция, но если движение газа вызвано некоторым другим устройством, типа вентилятора или тому подобного, то такое явление называют принудительной конвекцией. В условиях действия принудительной конвекции будет формироваться ламинарный граничный слой (201) прилегающий к поверхности (204). Толщина этого слоя представляет собой убывающую функцию, зависящую от значения числа Рейнольдса для потока, так что при высоких скоростях потока толщина ламинарного подслоя (201) будет уменьшаться. Когда поток становится турбулентным, слой разделяется на турбулентный граничный слой (202) и ламинарный подслой (203). В почти всех практически существующих газовых потоках характер течения будет турбулентным внутри всей струящейся области объема за исключением ламинарного слоя (203), прилегающего к поверхности (204), где характер течения является ламинарным. Рассматривая газовую молекулу или частицу (205) в ламинарном подслое (203), скорость движения (206) будет направлена по существу параллельно поверхности (204) и равна скорости ламинарного подслоя (203). Перенос теплоты в направлении поперек ламинарного подслоя будет осуществляться с помощью проводимости или излучения вследствие природы ламинарного потока. Перенос вещества в направлении поперек ламинарного подслоя будет осуществляться исключительно благодаря диффузии. Присутствие ламинарного подслоя (203) не обеспечивает оптимальную или эффективную передачу теплоты или увеличение переноса вещества. Любой перенос вещества в направлении поперек ламинарного подслоя должен осуществляться с помощью диффузионного механизма, и, соответственно, диффузионный механизм часто будет решающим сдерживающим фактором при суммарном переносе вещества.
На фиг.2b схематически изображен поток над поверхностью объекта, для которого эффект применения звука или ультразвука высокий интенсивности к/в воздуху(е)/газу(е) (500) к окружающему или контактирующему с поверхностью объекта, рассмотрен в качестве примера согласно настоящему изобретению. Более конкретно, на фиг.2b показано состояние, когда на поверхность (204) оказывается воздействие звуком или ультразвуком высокой интенсивности. Снова рассматривается газовая молекула/частица(205) в ламинарном слое; скорость (206) будет по существу параллельна поверхности (204) и равна скорости ламинарного слоя, ранее соответствующей случаю применения ультразвука. В направлении испускаемого звукового поля к поверхности (204) на фиг.2b вибрационная скорость молекулы (205) была значительно увеличена, что показано с помощью стрелок (207). В качестве примера, максимальная скорость v=4,5 м/сек и смещение +/-32 мк будут достигнуты тогда, когда частота ультразвука f=22 кГц и интенсивность звука равна 160 дБ. Соответствующее (вертикальное) смещение на фиг.2b по существу равно 0, так как молекула следует за ламинарным воздушным потоком над поверхностью. В результате, ультразвук будет устанавливать принудительный поток теплоты от поверхности к окружающему газу/воздуху (500) вследствие увеличения проводимости в результате минимизации ламинарного подслоя. Интенсивность звука составляет в одном варианте осуществлении 100 дБ или более. В другом варианте осуществления интенсивность звука составляет 140 дБ или более. Предпочтительно интенсивность звука выбирают из диапазона примерно 140-160 дБ. Интенсивность звука может быть свыше 160 дБ.
Минимизированный субламинарный слой обладает эффектом, при котором передача теплоты от поверхности (204) к окружающему или контрактующему газу (500) увеличивается (если температура поверхности больше, чем температура окружающего или контактирующего газа). Кроме того, минимизация будет приводить к эффекту, при котором уменьшается время реакции каталитического процесса, если поверхность/объект являются поверхностью катализатора, а окружающий газ включает в себя реагент. Кроме того, минимизация будет приводить к эффекту, при котором уменьшается время продувки.
В одном варианте осуществления данное изобретение используется для ускорения процесс производства водорода из природного газа и пара. В этом варианте осуществления природный газ и пар направляют к поверхности катализатора, увеличивающего скорость процесса, что хорошо известно. Кроме того, природный газ или пар (или оба) могут быть средой, через которую распространяется ультразвук, как объясняется далее. Эффективность возрастает благодаря влиянию ультразвука как объяснено выше.
SPL
На фиг.3а приведено схематическое изображение предпочтительное варианта осуществления устройства (301) для генерации звука или ультразвука высокой интенсивности. Газ, находящийся под давлением, выпускают из трубы или камеры (309) через проход (303), форма которого определена внешней частью (305) и внутренней частью (306), к отверстию (302), из которого газ выпускают в сопло по направлению к полости (304), расположенной во внутренней части (306). Если газовое давление является достаточно большим, тогда возникают колебания в газе, поступившем в полость (304) с частотой, определенной размерами впадины (304) и отверстия (302). Тип ультразвукового устройства, показанного на фиг.3a, способен генерировать сверхзвуковое акустическое давление до 160 дБ при газовом давлении примерно 4 атмосфер. Ультраакустическое устройство может, к примеру, быть выполнено из латуни, алюминия или нержавеющей стали или любого другого достаточно твердого вещества, способного выдерживать акустическое давление и температуру, которой устройство подвергается во время использования. Способ работы устройства также показан на фиг.3a, а именно, формируемый в устройстве ультразвук (307) направляется в сторону к поверхности (204) объекта (100), то есть теплообменника, или катализатора, или внутренней части объема.
Обращается внимание на то, что газ, находящийся под давлением, может быть отличен от газа, который контактирует или окружает объект.
На фиг.3b показан вариант осуществление ультразвукового устройства в форме дискообразного кругового сопла. Приведенное изображение является предпочтительным вариантом осуществления ультразвукового устройства (301), то есть устройства с так называемым дискообразным соплом. Устройство (301) включает в себя кольцеобразную внешнюю часть (305) и цилиндрическую внутреннюю часть (306), в которой выточена кольцеобразная полость (304). Через кольцеобразный газовый проход (303) газы могут проходить к кольцеобразному отверстию (302), из которого газ может быть перенесен в полость (304). Внешняя часть (305) может быть отрегулирована по отношению к внутренней части (306), например, с помощью винтовой резьбы или другого приспособления для регулировки (не показано) в основании внешней части (305), которое дополнительно может включать в себя средства крепления (не показаны) для фиксации внешней части (305) по отношению к внутренней части (306), когда будет получен желательный зазор. Такое ультраакустическое устройство может генерировать частоту около 22 кГц при давлении газа в 4 атмосферы. Молекулы газа, таким образом, способны мигрировать на расстояние до 36 мк примерно 22 000 раз в секунду с максимальной скоростью 4,5 м/с. Указанные значения включены для того, чтобы дать общее представление о размере и количественных отношениях в ультразвуковом устройстве и ни в коем случае не ограничивают приведенный вариант осуществления.
На фиг.3c приведено сечение вдоль диаметра ультразвукового устройства (301) на фиг. 3b, более отчетливо иллюстрирующее форму отверстия (302) газового прохода (303) и полости (304). Кроме того, является очевидным (фиг.3c), что отверстие (302) является кольцевым. Газовый проход (303) и отверстие (302) по существу заданы кольцеобразной внешней частью (305) и цилиндрической внутренней частью (306).
Газовая струя, выходящая из отверстия (302), попадает по существу в кольцеобразную полость (304) во внутренней части (306) и затем выходит из ультразвукового устройства (301). Как ранее отмечалось, внешняя часть (305) определяет наружную часть газового прохода (303) и, кроме того, скошена под углом около 30° вдоль внешней поверхности своей внутренней окружности, формирующей отверстие ультразвукового устройства, газовая струя может расширяться по мере ее распространения. Вместе с аналогичным скашиванием примерно под 60° с внутренней поверхности внутренней окружности, упомянутое выше скашивание образует остроугольный кольцеобразный край, определяющий отверстие (302) с наружной частью. Внутренняя часть (306) имеет скашивание примерно 45° по своей внешней окружности внешний слой отверстия и с внутренней стороны определяет отверстия (302). Внешняя часть (305) может быть отрегулирована по отношению к внутренней части (306), в соответствии с чем давление газовой струи, ударяющей во впадину (304), может быть отрегулировано. Вершина внутренней части (306), в которую врезана полость (304), также скошена под углом примерно 45°, чтобы дать возможность колеблющейся газовой струе расширяться на выходе из отверстия ультразвукового устройства.
На фиг.3d показан альтернативный вариант осуществления ультразвукового устройства, которое сформировано в виде вытянутого тела. Приведенное устройство является ультраакустическим устройством, включающим в себя удлиненное тело, по существу имеющее форму рельса (301), указанное тело функционально эквивалентно телу, рассмотренному в вариантах осуществления, показанных на фиг.3a и 3b, соответственно. В этом варианте осуществлении внешняя часть включает в себя две отдельные, имеющие форму рельса части (305a) и (305b), которые совместно с имеющей форму рельса внутренней частью (306) формируют ультраакустическое устройство (301). Два газовых прохода (303a) и (303b) расположены между двумя частями (305a) и (305b) внешней части (305) и внутренней части (306). Каждый из газовых проходов имеет отверстие (302a), (302b), соответственно, передача выпускаемого газа из газовых проходов (303a) и (303b) к двум полостям (304a), (304b) обеспечена во внутренней части (306). Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что имеющее форму рельса тело может обработать более значительную площадь поверхности, чем круглое тело. Другое преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что ультраакустическое устройство может быть выполнено с использованием процесса экструзионного прессования, при этом будет уменьшена стоимость материалов.
На фиг.3e показано ультраакустическое устройство такого же типа, как и на фиг.3d, но имеющее форму замкнутой кривой. Вариант осуществления газового устройства, показанного на фиг.3d, не должен быть направлен вдоль прямой линии. На фиг.3e показано тело, имеющее форму рельса (301), сформированного в виде трех круговых отдельных колец. Внешнее кольцо определяет наиболее удаленную от центра часть (305a), среднее кольцо определяет внутреннюю часть (306) и внутреннее кольцо определяет находящуюся в самой глубине внешнюю часть (305b). Три части ультразвукового устройства совместно формируют поперечный профиль, как показано в варианте осуществлении на фиг.3d, в котором две впадины (304a) и (304b) расположены во внутренней части, и участок между наиболее удаленной от цента внешней частью (305a) и внутренней частью (306) определяет внешний газовый проход (303a) и внешнее отверстие (302a), соответственно, а участок между внутренней частью (306) и находящейся в самой глубине внешней части (305b) определяет внутренний газовый проход (304b) и внутреннее отверстие (302b) соответственно. Этот вариант осуществления ультразвукового устройства может обработать очень большую область одновременно и таким образом обработать поверхность больших объектов.
На фиг.3f показано ультраакустическое устройство такого же типа, как и на фиг.3d, но имеющее форму незамкнутой кривой. Как показано, возможно сформировать ультраакустический устройство такого типа в виде незамкнутой кривой. В этом варианте осуществления функциональные части аналогичны функциональным частям, показанным на фиг.3d, и другим элементам, рассмотренным в этой части описания. Также возможно создать ультраакустическое устройство только с одним отверстием, как описано для фиг.3b. Ультраакустическое устройство, сформированное в виде открытой кривой, возможно для использования там, где поверхности обрабатываемого объекта имеют необычные формы. Предусмотрена система, в которой несколько ультразвуковых устройств, сформированных в виде различных незамкнутых кривых, размещаются в установке согласно изобретению.
На фиг.4a показан общий вид известного устройства, иллюстрирующий охлаждающие каналы и коллекторы для охлажденного газа. Приведенное изображение является выходным устройством (600), включающим в себя охлаждающее каналы (601) и коллекторы (602).
Конструкция выходного устройства, к примеру, при его использовании в реактивных двигателях, в большинстве случаев ограничена вследствие невозможности создания эффективного охлаждения внутренней стенки выходного устройства (600).
Имеющиеся стенки с утоньшением дают слишком слабую конструкцию, которая не может удовлетворить необходимым требованиям во время использования. С другой стороны для слишком толстой стенки невозможно обеспечить эффективное охлаждение, и температура поверхности внутренней стены будет слишком высокой.
Охлаждение внутренней стены часто выполняют с помощью пустотелой структуры стенок с множеством охлаждающихся каналов (601), через которые пропускают подходящий газ.
Эффективность охлаждения, среди других причин, ограничена следующими факторами:
эффективностью теплового переноса от нагретой внутренней стенки канала (601) к охлаждающемуся газу. Та часть теплоты, которую передают с помощью конвекции, будет ограничена толщиной ламинарного подслоя, находящегося над поверхностью стенок, как описано ранее. В подслое время теплового переноса будет ограничено временем диффузии;
охлаждение также ограничено вследствие различной плотности охлаждающего газа при увеличении температуры газа. Холодный газ, имеющий высокую плотность, пропускают по внешней стенке выходного устройства при определенной скорости газа и согласно геометрии выходного устройства. Этот эффект усиливается, так как газ вблизи внутренней поверхности становится более теплым и, соответственно, имеет меньшую плотность. Суммарное распределение теплоты в газе, следовательно, ограничено из-за недостаточного смешивания теплого и холодного газа.
На фиг.4b приведен один пример размещения ультразвукового генератора в коллекторе согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4b показан коллектор (602), например, соответствующий коллектору, показанному на фиг.4a, включающему в себя аэродинамический сверхзвуковой генератор (301), например дискообразное сопло или подобное. Предпочтительно сверхзвуковой генератор (301) расположен на входном отверстии охлаждающегося газа. Ультразвуковой генератор (301) может быть активирован при падении давления до около 4 бар. Генерируемый ультразвук будет распределен в каналах (601), например, через коллекторы (602).
Прежде всего, ультразвук, обладающий большой энергией, будет разрушать ламинарный подслой, как описано ранее, обеспечивая более высокий транспорт энергии от стенок в газ, при этом увеличение достигает двукратного значения.
Кроме того, ультразвук с высокой энергией будет смешивать теплые и холодные части охлаждающегося газа из-за очень сильного движения частиц в газе и еще более увеличивать охлаждение.
В формуле изобретения любые обозначения ссылок в круглых скобках не должны рассматриваться в качестве ограничивающих формулу изобретения. Термин «содержащий» не исключает присутствия других элементов или других стадий, кроме тех, которые приведены в формуле изобретения.