PL205314B1 - Urządzenie do obróbki płynów - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy urządzenia do obróbki płynów, przeznaczonego do zastosowania w wydłużonej komorze przepływowej, zawierające jeden lub więcej elementów dostarczających energię ultradźwiękową płynowi wprowadzanemu do wydłużonej komory przepływowej. Urządzenie może być stosowane w szczególności do obróbki ścieków, lecz nie jest to jego jedyne zastosowanie. Pod terminem ścieki rozumieć należy przy tym wody odpływowe czy ścieki oraz szlamy i muły - miejskie, przemysłowe i pochodzące z gospodarstw domowych.

Stwierdzono, że poddawanie ścieków działaniu energii ultradźwiękowej poprawia ich podatność na dalszą obróbkę. Dla przykładu, w europejskim dokumencie patentowym EP 0648531 opisane jest urządzenie do obróbki płynów, zawierające komorę, przez którą przepuszczany ma być obrabiany płyn oraz umieszczony w komorze człon operacyjny o przekroju kołowym, zawierający wiele powierzchni, w tym co najmniej jedną wewnętrzną powierzchnię obwodową, przy czym urządzenie zawiera elementy wywołujące drgania tych powierzchni z częstotliwością ultradźwiękową. Podczas pracy urządzenia, obrabiany płyn przepuszczany jest przez komorę i ponad obwodową powierzchnią, a do przepływającego płynu dostarczana jest energia ultradźwiękowa.

Stwierdzono, że korzystne urządzenie do obróbki płynów, zwłaszcza do obróbki surowych ścieków, powinno zawierać wzdłużną komorę przepływową, dogodnie o przekroju kołowym, przez którą przepuszczany jest obrabiany płyn, wiele rozmieszczonych z osiowymi odstępami członów operacyjnych. Każdy z tych członów zawiera wewnętrzną powierzchnię określającą wewnętrzny kanał, przez który odbywa się przepływ płynu, oraz urządzenie powodujące, że wewnętrzna powierzchnia członu operacyjnego drga z częstotliwością ultradźwiękową, na ogół w kierunku promieniowym. W trakcie pracy, ścieki płyną przez wydłużoną komorę poprzez wewnętrzne kanały, w których zostają poddane działaniu energii ultradźwiękowej uzyskiwanej od drgających wewnętrznych powierzchni członów operacyjnych.

Zostało jednak stwierdzone, że resztki, jakie występują w surowych ściekach, takie jak szmaty, papier, tworzywa sztuczne itp., mają skłonność do gromadzenia się w tych obszarach między członami operacyjnymi, w których prędkość przepływu jest niska (tzw. obszarach martwych), to zaś może prowadzić do ogólnego zmniejszenia prędkości przepływu przez urządzenie, a nawet spowodować blokadę. We wspomnianym korzystnym urządzeniu do obróbki płynów, problem ten może być jeszcze poważniejszy, w którym by do płynu doprowadzać większą ilość energii ultradźwiękowej, przepuszcza się go również ponad zewnętrznymi powierzchniami członów operacyjnych, w szczególności przez zasadniczo pierścieniowy kanał utworzony między wspomnianymi powierzchniami zewnętrznymi i powierzchnią wewnętrzną tworzącą wzdłużną komorę.

Celem przedmiotowego wynalazku jest rozwiązanie problemów występujących w przypadku urządzeń znanych w stanie techniki.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do obróbki płynów, przeznaczone do zastosowania w wydłużonej komorze przepływowej, zawierające jeden lub większą ilość elementów dostarczających energię ultradźwiękową płynowi wprowadzanemu do wydłużonej komory przepływowej, takich jak człony operacyjne, zawierające człon wibracyjny z kanałem wewnętrznym, przez który przepływa płyn, przy czym człon wibracyjny umieszczony jest w wydłużonej komorze przepływowej tak, że pomiędzy wewnętrzną powierzchnią wydłużonej komory przepływowej a zewnętrzną powierzchnią członu wibracyjnego utworzony jest kanał zewnętrzny, charakteryzujące się tym, że wspomniany kanał zewnętrzny jest połączony płynowo z kanałem wewnętrznym w wydłużonej komorze przepływowej, przy czym dodatkowo urządzenie zawiera element wymuszający przepływ, w postaci zwężającego się lejka, umieszczony w wydłużonej komorze przepływowej przed, patrząc w kierunku przepływu, kanałem wewnętrznym oraz w pewnej odległości od niego, wprowadzający płyn do wydłużonej komory przepływowej oraz do kanału wewnętrznego.

Korzystnie, element wymuszający przepływ w postaci zwężającego się lejka zmniejsza co najmniej 4-krotnie pole powierzchni przekroju, przez który przepływa płyn.

W innym korzystnym wariancie według wynalazku, element wymuszają cy przepł yw w postaci zwężającego się lejka zmniejsza, co najmniej 8-krotnie pole powierzchni przekroju, przez który przepływa płyn.

Korzystnie, wydłużona komora przepływowa ma przekrój kołowy.

Korzystnie, podłużna oś kanału wewnętrznego w każdym z członów operacyjnych jest zgodna z podłużną osią wydłużonej komory przepływowej.

PL 205 314 B1

Korzystnie, urządzenie według wynalazku zawiera wiele elementów dostarczających energię ultradźwiękową w postaci członów operacyjnych.

W szczególnie korzystnym wariancie wynalazku, urzą dzenie zawiera cztery elementy dostarczające energię ultradźwiękową w postaci członów operacyjnych.

Korzystnie, w każdym elemencie dostarczającym energię ultradźwiękową, człon operacyjny połączony jest z członem wibracyjnym oraz ze źródłem energii ultradźwiękowej.

Korzystnie, każdy człon wibracyjny stanowi pierścieniowy człon o promieniu wewnętrznym R1 i promieniu zewnę trznym R2.

Korzystnie, dla każdego z członów wibracyjnych spełnione jest równanie (R1+R2)/2 = Κλ, gdzie K oznacza liczbę całkowitą, a λ stanowi długość fali drgań dostarczanych do członu wibracyjnego.

Korzystnie, kanał zewnętrzny stanowi przestrzeń pierścieniową.

Korzystnie, wewnętrzna powierzchnia kanału wewnętrznego stanowi element drgający w kierunku promieniowym.

Dzięki wymuszaniu lub kierowaniu przepływu płynu w kierunku podłużnej osi wydłużonej komory przepływowej lub w stronę wewnętrznego kanału następuje przyrost prędkości przepływu ścieków. W ten sposób, większa część ciał stałych zawartych w ściekach przepływa przez urządzenie wzdłuż lub w pobliżu podłużnej osi komory, albo też bezpośrednio przez wewnętrzny kanał, czyli przepłynie przez obszary wyższej gęstości energii ultradźwiękowej niż miałoby to miejsce w innym rozwiązaniu.

Dodatkowo, dzięki zwiększeniu prędkości przypływu płynu, wytwarzane jest zjawisko kawitacji, które pozwala na wytworzenie drgań ultradźwiękowych także w tych częściach komory przepływowej, które są zlokalizowane między sąsiadującymi z sobą członami operacyjnymi. Zwiększa to sprawność urządzenia.

Również dodatkowo zwiększona prędkość ruchu płynu wzdłuż wydłużonej komory przepływowej zapewnia, że większość zawartych w płynie resztek popłynie bezpośrednio przez komorę. Jakiekolwiek resztki, które oddaliły się od osi lub od wewnętrznego kanału, zostaną wciągnięte dzięki efektowi Venturi'ego z powrotem w stronę podłużnej osi lub wewnętrznego kanału.

Stwierdzono w ten sposób, że zmniejszona zostaje skłonność wtrąceń do gromadzenia się w obszarach niskiej prędkości przepływu między sąsiadującymi z sobą elementami operacyjnymi.

Ponadto, przez zwiększenie ilości resztek, które generalnie płyną wzdłuż podłużnej osi wprost przez urządzenie, zmniejszenie prędkości przepływu płynu opływającego zewnętrzne powierzchnie członów wibracyjnych, wskutek gromadzenia się wspomnianych resztek pomiędzy tymi zewnętrznymi powierzchniami i ścianami tworzącymi wydłużoną komorę przepływową jest zminimalizowane.

Elementy wymuszające przepływ lub kierujące przepływem mogą być wytwarzane niezależnie od wydłużonej komory przepływowej, a więc mogą tym samym być montowane także w istniejących już komorach. W korzystnym wariancie realizacyjnym wspomniane elementy wymuszające przepływ lub kierujące przepływem, zawierają element lejkowy, przez który do urządzenia wpływa płyn poddawany obróbce. Element lejkowy może być wytwarzany z arkusza materiału nieulegającego korozji pod wpływem płynu, na przykład ze stali nierdzewnej lub tworzyw sztucznych. Element lejkowy działa w ten sposób, że zmniejsza powierzchnię przekroju, przez który płynie płyn, co najmniej czterokrotnie. W korzystnym wariancie realizacyjnym urządzenia, ów element lejkowy zmniejsza powierzchnię przekroju, przez który płynie płyn, co najmniej ośmiokrotnie. Jeśli zatem wydłużona komora przepływowa ma przekrój kołowy o średnicy 150 mm, wówczas element lejkowy może zmniejszyć powierzchnię przekroju przepustu do średnicy ok. 50 mm. W korzystnym rozwiązaniu, wydłużona komora przepływowa ma przekrój kołowy. Kanał przepływowy nie ma więc żadnych naroży, w których mogłyby zbierać się resztki. Element lejkowy lokalizowany jest dogodnie w komorze przepływowej przed, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu, jednym lub większą liczbą elementów dostarczających energię ultradźwiękową. A zatem, wymuszony strumień płynu uzyskiwany jest jeszcze przed dotarciem płynu do elementów dostarczających energię ultradźwiękową.

Najkorzystniej jest, jeśli podłużna oś wewnętrznego przepustu każdego z elementów do dostarczania energii ultradźwiękowej pokrywa się w zasadzie z podłużną osią całej wydłużonej komory przepływowej.

Dogodnie, stosuje się wiele elementów dostarczających energię ultradźwiękową. Im więcej jest elementów do dostarczania energii ultradźwiękowej, tym większa ilość płynu zostaje poddana obróbce.

Korzystnie, urządzenie zawiera co najmniej cztery elementy dostarczające energię ultradźwiękową. Stwierdzono, że jeśli zastosowano wymuszanie przepływu obrabianego płynu w kierunku podłużnej osi wydłużonej komory przepływowej, możliwe staje się uzyskanie dobrych charakterystyk

PL 205 314 B1 przepływu płynu przez znacznie większą liczbę ustawionych kolejno członów operacyjnych, niż byłoby to możliwe w innym przypadku. W szczególności, dzięki temu sposobowi stwierdzono, że wewnątrz jednej wydłużonej komory przepływowej można umieścić pięć lub więcej elementów operacyjnych, i tym samym można uzyskać wysoką skuteczność obróbki płynu i to na stosunkowo krótkim dystansie.

W korzystnym wariancie realizacyjnym, każ dy element dostarczają cy energię ultradź wię kową składa się z członu operacyjnego połączonego z członem wibracyjnym, przy czym człon operacyjny jest przyłączony do źródła energii ultradźwiękowej. Korzystnie, wewnętrzna powierzchnia wewnętrznego kanału drga w kierunku promieniowym.

Urządzenie według wynalazku może być wykorzystane w sposobie obróbki płynów, w którym urządzenie do obróbki płynu umieszcza się wewnątrz wydłużonej komory przepływowej, a następnie wywołuje się przepływ płynu przez tę komorę.

Korzystnie, płyn stanowią muły i szlamy ściekowe.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym:

Figura 1 prezentuje schematyczny wygląd tej części instalacji przepływu płynu, w której zainstalowany jest korzystny wariant urządzenia do obróbki płynu według wynalazku.

Figura 2 stanowi przekrój przedstawiający podłużny człon elementu do dostarczania energii ultradźwiękowej,

Figura 3 jest widokiem z boku korzystnego wariantu elementu dostarczającego energię ultradźwiękową,

Figura 4 pokazuje w powiększeniu zamocowanie elementów dostarczających energię ultradźwiękową, a

Figura 5 pokazuje w powiększeniu korzystny wariant elementu lejkowego.

Urządzenie do obróbki płynu jest, w korzystnym wariancie niniejszego wynalazku, przeznaczone w szczególności do zastosowania przy obróbce surowych ścieków. Przewidziane jest ono do umieszczenia w kanale przepływowym 5, stanowiącym odgałęzienie głównego kanału 4, przy czym przepływ jest kontrolowany zaworami V1, V2, V3 i V4 (patrz rysunek Fig. 1). Korzystne rozwiązanie zawiera podłużny człon zawierający rurę czy komorę przepływową 10 o przekroju kołowym, przez który podczas pracy dostarczane są surowe ścieki.

Na podłużnym odcinku komory przepływowej 10 znajduje się wiele, w tym przypadku pięć, członów operacyjnych 12, przy czym każdy z tych członów operacyjnych 12 zawiera człon wibracyjny 14 oraz połączone z nim źródło energii ultradźwiękowej 16 (generator ultradźwięków). Każde źródło energii ultradźwiękowej zawiera przetwornik 24, zaopatrzony w kołnierz buster 26 oraz przedłużacz 28.

Człon wibracyjny 14 ma zasadniczo przekrój pierścieniowy i zawiera zewnętrzną powierzchnię 18 oraz wewnętrzną powierzchnię 20. Na członie wibracyjnym 14 jest zamocowana stycznie płaska płytka 22, do której, przy pomocy spawu, przymocowany jest przedłużacz 28 źródła energii ultradźwiękowej 16 (generatora), przy czym źródło energii ultradźwiękowej przenika przez ścianę komory przepływowej 10. W alternatywnym rozwiązaniu przedłużacz 28 i człon wibracyjny 14 mogą być złączone przy pomocy śruby.

W prezentowanym przykładzie, w komorze przepływowej 10 zamontowanych jest pięć członów operacyjnych 12. Zainstalowanych członów operacyjnych może być jednak dowolna pożądana liczba.

Tym, co określa wewnętrzny kanał o przekroju kołowym, przez który przepływa płyn wędrujący przez urządzenie, jest wewnętrzna powierzchnia 20 każdego z członów wibracyjnych. Zewnętrzny kanał 19, przez który również może płynąć płyn, jest określany dodatkowo przez pierścieniową przestrzeń między zewnętrzną powierzchnią 18 członu wibracyjnego 14 i wewnętrzną ścianą 11 komory przepływowej 10.

W czasie pracy uruchamiane jest każde ze źródeł energii ultradźwiękowej 16, co powoduje, że z przedłużacza 28 podłużne drgania o częstotliwości ultradźwiękowej przenoszone są na płaską powierzchnię jego mocowania do członu wibracyjnego 14. W konkretnym rozwiązaniu człon wibracyjny 14 ma wewnętrzny promień R1 i promień zewnętrzny R2, przy czym zależność między nimi ma być taka, aby (R1 + R2) / 2 = KX gdzie K jest liczbą całkowitą a λ długością fali drgań dostarczanych przez źródło energii ultradźwiękowej do członu wibracyjnego 14. W tej konfiguracji, obie powierzchnie członu wibracyjnego, zewnętrzna powierzchnia 18 i wewnętrzna powierzchnia 20, przemiennie rozszerzają się i kurczą z częstotliwością ultradźwiękową przekazując energię ultradźwiękową do płynu przepływającego przez komorę przepływową 10.

W początkowej, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu, części komory przepływowej 10 zamontowany jest element wymuszający przepływ 30 w postaci lejka (rysunek Fig. 4), wpasowany suwPL 205 314 B1 liwie w końcu komory przepływnej 10, przy czym element ten posiada kołnierze 32 służące do umieszczenia tego elementu wymuszającego przepływ 30 w pożądanym miejscu wewnątrz rury. Element wymuszający przepływ 30 w postaci lejka ma powierzchnię 34 ściętego stożka, która redukuje efektywny promień komory przepływowej 10 z typowej dla niej wielkości 75 mm do zaledwie 25 mm, tj. w przybliżeniu do promienia R1. Zmniejsza to powierzchnię przekroju kanału przepływu przez urządzenie od 8 do 10 razy.

W ten sposób jest wymuszany przepływ płynu przez urządzenie w stronę jego podłużnej osi, wzrasta prędkość przepływu i uzyskuje się pewność, że większa część zawartych w płynie resztek stałych znajduje się na podłużnej osi lub w jej bezpośredniej bliskości. Ponadto, wyższa prędkość przepływu zwiększa zjawisko kawitacji wewnątrz strumienia płynu, dzięki czemu skuteczne drgania ultradźwiękowe będą występować także w tych odcinkach wydłużonej komory przepływowej, które znajdują się pomiędzy sąsiadującymi członami wibracyjnymi. Dodatkowo, ponieważ płyn przepływa przez urządzenie z wyższą prędkością, niżby miało to miejsce w innym przypadku, większość resztek przepływa bezpośrednio przez wewnętrzny kanał, jaki tworzony jest przez wewnętrzne powierzchnie 20 członów wibracyjnych 14. W ten sposób redukowane jest wpływanie resztek do względnie martwych obszarów między sąsiadującymi członami wibracyjnymi 14, przez co zmniejszana jest skłonność takich wtrąceń do zatykania zewnętrznego kanału 19.

Co więcej, istnieć będzie tendencja, aby te resztki, które mogłyby „wypaść ze strumienia płynącego po podłużnej osi, były przyciągane ponownie do głównego strumienia działaniem efektu dyszy Venturi'ego, wywołującego stosunkowo wysoką prędkość przepływu płynu przez urządzenie.

W ten sposób, osiągnięte zostaje to, że możliwe jest stosowanie wysokiego zagęszczenia elementów dostarczających do przepływającego przez urządzenie strumienia płynu dużej ilości energii ultradźwiękowej, i to na stosunkowo krótkim odcinku. Zmniejsza to znacznie tendencję do występowania blokad przepływu.

Na podkreślenie zasługuje to, że choć wynalazek odnosi się w szczególności do obróbki surowych ścieków, znaleźć może zastosowanie również przy postępowaniu z innymi płynami, w których ma się do czynienia z problemami podobnymi lub analogicznymi, a zwłaszcza tam, gdzie wymaga się, aby w sposób skuteczny do płynu dostarczana była energia ultradźwiękowa.

Rozumie się, że pokazany wariant realizacyjny wynalazku stanowi jedynie ilustrację możliwego zastosowania. W praktyce, wynalazek może być użyty w wielu różnych konfiguracjach. Stworzenie innych szczegółowych wariantów realizacyjnych nie powinno stanowić problemu dla znawców dziedziny.

Element wymuszający przepływ, w postaci lejka może stanowić integralną część rury.

Element wymuszający przepływ, może być jednak ukształtowany również w taki sposób, że będzie mieć wewnętrzny przepust o powierzchni ściętego stożka. Zewnętrzna powierzchnia urządzenia może mieć dowolny pożądany kształt.

W wydłużonej komorze przepływowej umieszczona może być dowolna stosowna liczba elementów dostarczających energię ultradźwiękową, na przykład 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15 lub 20.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do obróbki płynów, przeznaczone do zastosowania w wydłużonej komorze przepływowej (10), zawierające jeden lub większą ilość elementów dostarczających energię ultradźwiękową płynowi wprowadzanemu do wydłużonej komory przepływowej (10), takich jak człony operacyjne (12), zawierające człon wibracyjny (14) z kanałem wewnętrznym, przez który przepływa płyn, przy czym człon wibracyjny (14) umieszczony jest w wydłużonej komorze przepływowej (10) tak, że pomiędzy wewnętrzną powierzchnią (11) wydłużonej komory przepływowej (10) a zewnętrzna powierzchnią (18) członu wibracyjnego (14) utworzony jest kanał zewnętrzny (19), znamienne tym, że wspomniany kanał zewnętrzny (19) jest połączony płynowo z kanałem wewnętrznym w wydłużonej komorze przepływowej (10), przy czym dodatkowo urządzenie zawiera element wymuszający przepływ (30), w postaci zwężającego się lejka, umieszczony w wydłużonej komorze przepływowej (10) przed, patrząc w kierunku przepływu, kanałem wewnętrznym oraz w pewnej odległości od niego, wprowadzający płyn do wydłużonej komory przepływowej (10) oraz do kanału wewnętrznego.

   PL 205 314 B1
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że element wymuszający przepływ (30) w postaci zwężającego się lejka zmniejsza co najmniej 4-krotnie pole powierzchni przekroju, przez który przepływa płyn.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że element wymuszający przepływ (30) w postaci zwężającego się lejka zmniejsza co najmniej 8-krotnie pole powierzchni przekroju przez który przepływa płyn.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że wydłużona komora przepływowa (10) ma przekrój kołowy.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że podłużna oś kanału wewnętrznego w każdym z członów operacyjnych (12) jest zgodna z podłużną osią wydłużonej komory przepływowej (10).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że zawiera wiele elementów dostarczających energię ultradźwiękową w postaci członów operacyjnych (12).
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że zawiera cztery elementy dostarczające energię ultradźwiękową w postaci członów operacyjnych (12).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że w każdym elemencie dostarczającym energię ultradźwiękową, człon operacyjny (12) połączony jest z członem wibracyjnym (14) oraz ze źródłem energii ultradźwiękowej (16).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że każdy człon wibracyjny (14) stanowi pierścieniowy człon o promieniu wewnętrznym R1 i promieniu zewnętrznym R2.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że dla każdego z członów wibracyjnych (14) spełnione jest równanie (R1+R2)/2 = KX, gdzie K oznacza liczbę całkowitą, a λ stanowi długość fali drgań dostarczanych do członu wibracyjnego.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że kanał zewnętrzny (19) stanowi przestrzeń pierścieniową.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 10, albo 11, znamienne tym, że wewnętrzna powierzchnia (20) kanału wewnętrznego stanowi element drgający w kierunku promieniowym.