СМЕСИТЕЛЬ
MIXER

Изобретение относится к устройствам для приготовления суспензий, эмульсий, растворов, разрушения взвешенных фаз, интенсификации химических реакций путем воздействия на жидкость энергией акустического излучения, главную роль при этом играет кавитация, возникающая в жидкости. Изобретение может быть использовано в энергетике, на транспорте, в горнорудной, нефтедобывающей, химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной отраслях промышленности.
Известна конструкция кавитационного реактора [1], в котором система, состоящая из излучателя, кавитационной камеры и отражателя-резонатора, работает в режиме резонанса и стоячей волны, а расстояние между излучающей и отражающей поверхностями, ограничивающими кавитационную камеру, равно С/f=λ, где С - скорость звука в обрабатываемой жидкости, f - частота колебаний, λ - длина волны. Излучающая и отражающая поверхности при этом находятся в пучностях амплитуды стоячей волны. Такой режим работы позволяет наиболее эффективно использовать энергию акустического поля, а также свести к минимуму кавитационное разрушение поверхности излучателя и, как следствие, свести к минимуму переход материала излучателя в обрабатываемый раствор.
Известно, что скорость звука в жидкостях зависит от температуры, поэтому при изменении температуры поступающей в смеситель жидкости, изменится и длина волны акустических колебаний. Поэтому, если жидкость, поступающая в смеситель, хранится в емкостях, расположенных на открытом воздухе, даже суточные колебания температуры которого достигают десятков градусов, эффективность работы указанного кавитатора в таких условиях будет далека от наилучшей.
Известны конструкции установок [2], в которых для поддержания резонанса в системе и соответственно сохранения стоячей волны при изменяющихся условиях работы отражатель выполнен подвижным и перемещается при помощи специального привода. Однако наличие привода для перемещения отражателя не только усложняет конструкцию и эксплуатацию, но и снижает надежность, а в некоторых случаях и безопасность работы смесителей, например, в случае смешивания горючих и взрывоопасных жидкостей.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков.
0
Поставленная цель достигается тем, что отражатель-резонатор, расположенный во внутреннем объеме корпуса смесителя, укреплен на термоупругодеформируемом подвесе, внутренняя полость подвеса заполнена рабочим веществом с температурным коэффициентом расширения α, а размер этой полости в направлении деформирования при температуре, принятой за начальную, определяется из выражения L=β/αf, где β - температурный коэффициент скорости звука в обрабатываемой жидкости, f - частота акустических колебаний.
t
t
Поскольку температурный коэффициент скорости звука и температурный коэффициент расширения у металлов значительно меньше, чем у жидкостей, то влиянием изменения размеров металлических элементов системы излучатель -рабочая камера - резонатор на стоячую волну и резонанс можно пренебречь, а для обеспечения режима наиболее эффективной работы смесителя достаточно, чтобы расстояние между поверхностями излучателя и отражателя в рабочей камере поддерживалось равным С/f, где C - скорость звука в жидкости при той температуре, какую она имеет в рабочей камере смесителя в данный момент времени.
На фиг.1 схематично представлена конструкция предлагаемого смесителя для жидкостей с отрицательным температурным коэффициентом скорости звука, на фиг.2 - узел крепления резонатора смесителя для жидкостей с положительным температурным коэффициентом скорости звука.
p
р
Смеситель (фиг.1) состоит из корпуса 1 с рабочей камерой 2, ограниченной с боков стенками корпуса, снизу - излучающей поверхностью 3, а сверху - отражающей поверхностью 4. Отражающая поверхность 4 принадлежит резонатору 5 высотой C/2f, где С - скорость звука в материале резонатора с резонансной частотой f, равной частоте магитострикционного излучателя 6 с волноводом 7. Резонатор с противоположной от отражающей поверхности 4 укреплен к термоупругодеформируемому подвесу 8, представляющему собой, например, сильфон, заполненный рабочим веществом 9 (жидкость или газ) с температурным коэффициентом объемного расширения α. Подвес 8 с противоположной стороны соединен с фланцем 10 при помощи регулировочного винта 11. Для подвода обрабатываемых сред в рабочую камеру служат патрубки 12 и 13, отвод производится через патрубок 14.
Работает устройство следующим образом.
0
0
Посредством патрубков 12 и 13 в рабочую камеру 2 вводятся основная жидкость и дополнительные ингредиенты при температуре, например t, длина упругодеформируемого подвеса 8 при этом будет равна L.
t0
t0
0
От магнитострикционного излучателя 6 посредством волновода 7 через излучающую поверхность 3 в жидкость, заполняющую рабочую камеру, вводится акустическая волна. Расстояние между излучающей и отражающей поверхностями равно при этом С/f, где С - скорость звука в жидкости, заполняющей камеру при температуре t (устанавливается вращением регулировочного винта 11). В таком случае в акустической системе, состоящей из излучателя 6 с волноводом 7, столба жидкости между излучающей поверхностью 3 и отражающей поверхностью 4 и резонатора 5, устанавливаются резонансные колебания и стоячая волна, т.е. режим наиболее эффективного развития кавитации, производящей полезную работу.
Скорость звука в жидкостях зависит от температуры [3] и определяется известным выражением
где Δt - разность температур.
При изменении температуры поступающей в смеситель жидкости изменится в ней и скорость звука, и прежнее расстояние между поверхностями 3 и 4 уже не будет отвечать условиям резонанса.
Изменение температуры поступающей жидкости вызовет и изменение температуры рабочего вещества 9, заполняющего внутреннюю полость сильфона упругодеформируемого подвеса 8, что в свою очередь вызовет изменение его длины в направлении деформирования в соответствии с выражением
Примечание: Выражение (2) получено расчетом объема сильфона через эффективное сечение [4].
0
Подавляющее большинство жидкостей имеют отрицательный температурный коэффициент скорости звука, поэтому для таких жидкостей с ростом температуры величина C/f будет уменьшаться. При нагревании же рабочего вещества 9 длина сильфона будет увеличиваться, уменьшая расстояние между поверхностями 3 и 4. Из выражений (1) и (2) нетрудно определить, что если высота внутренней полости подвеса 8, занимаемая рабочим веществом при температуре t, принятой за начальную, будет отвечать условию
то температурные изменения длины подвеса будут автоматически поддерживать расстояние между излучающей и отражающей поверхностями рабочей камеры равным C/f при любой температуре, т.е. смеситель будет работать в режиме наиболее эффективного использования энергии акустического поля.
t
Формулировка отличительных признаков изобретения не исключает и тот случай, когда в смесителе будут обрабатываться жидкости с положительным температурным коэффициентом скорости звука. Узел подвеса резонатора такого смесителя представлен на фиг.2. Резонатор 5 в этом случае крепится к противоположному по отношению к нему торцу сильфона подвеса 8, а к регулировочному винту 11 сильфон крепится за торец, обращенный в сторону резонатора. В этом случае при повышении температуры поступающей в смеситель жидкости величина C/f будет увеличиваться, т.е. расстояние между излучающей и отражающей поверхностями должно расти. Увеличение этого расстояния и будет выполнять увеличение длины сильфона подвеса, представленного на фиг.2. Таким образом, если размер подвеса соответствует условию (3), то условие сохранения резонанса и стоячей волны в смесителе при изменении температуры будет сохраняться и здесь.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не является из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствию критерию «новизна».
Сущность заявляемого изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Возможность использования заявляемого изобретения в отечественной промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».
0
Резонатор, укрепленный на упругодеформируемом подвесе, заполненном рабочим веществом с коэффициентом температурного расширения α, с размером внутренней полости, занимаемой рабочим веществом в направлении деформирования равной L=β/αf, позволяет повысить производительность работы смесителя путем изменения расстояния между излучающей и отражающей поверхностями в рабочей камере смесителя при изменении температуры обрабатываемой жидкости, поддерживая его равным C/f, повысить надежность работы, а также упростить конструкцию и эксплуатацию смесителя.
Библиографические данные
1. RU 2254912, 27.06.2005.
2. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника. - М: ИИЛ, 1958. (На стр.181).
3. Бергман Л. Ультразвук.
4. Сильфоны. Расчет и проектирование. Под ред. Андреевой Л.Е. - М.: Машиностроение, 1975.