RU197601U1

RU197601U1 - PHYSICAL AND CHEMICAL REACTOR WITH VORTEX LAYER

Info

Publication number: RU197601U1
Application number: RU2019126759U
Authority: RU
Inventors: Аркадий Владимирович Владимирцев; Анатолий Николаевич Снежин; Андрей Евгеньевич Терентьев
Original assignee: Аркадий Владимирович Владимирцев; Анатолий Николаевич Снежин
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-05-15

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для активации процессов обработки материалов и текучих сред в вихревом слое электромагнитного поля с использованием ферромагнетиков в области энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и к другим областям промышленности, а также может использоваться для обработки различных жидких сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков.Физико-химический реактор с вихревым слоем (ФХР) содержит трубчатую реакционную камеру из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц, охваченную снаружи индуктором вращающегося электромагнитного поля. Реакционная камера содержит расположенный вдоль ее оси по существу цилиндрический стержень. Согласно полезной модели оба конца стержня имеют аэродинамическую форму. Предполагаемая полезная модель позволяет снизить удельное энергопотребление и повысить эффективность при обработке текучей среды в ФХР. 2 ил.The utility model relates to devices for activating the processing of materials and fluids in the vortex layer of an electromagnetic field using ferromagnets in the field of energy, oil and gas, metallurgy, chemical industry, agriculture and urban economy, environmental protection and other industries, and can also It can be used to process various liquid media and, in particular, to treat industrial and domestic wastewater. A vortex-layer physical-chemical reactor (PCR) contains a tubular reaction chamber made of non-magnetic material to accommodate ferromagnetic particles, enveloped externally by a rotating electromagnetic field inductor. The reaction chamber comprises a substantially cylindrical rod located along its axis. According to a utility model, both ends of the shaft are aerodynamically shaped. The proposed utility model allows to reduce specific energy consumption and increase efficiency when processing fluid in FHR. 2 ill.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH A USEFUL MODEL IS

Полезная модель относится к устройствам для обработки материалов, в частности к физико-химическому реактору (далее ФХР) с вихревым слоем, который может использоваться в областях энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и в других областях промышленности для активации процессов обработки материалов, а также для обработки различных жидких сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков. The utility model relates to devices for processing materials, in particular to a physicochemical reactor (hereinafter FHR) with a vortex layer, which can be used in the fields of energy, oil and gas, metallurgy, chemical industry, agriculture and urban economy, environmental protection and others industries for the activation of material processing processes, as well as for the treatment of various liquid media and, in particular, for the treatment of industrial and domestic wastewater.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Практически все известные аппараты с вихревым слоем и их модификации состоят из внешнего кольцевого индуктора, генерирующего вращающееся электромагнитное поле (далее ЭМП), в полость которого вставлена труба из немагнитного материала, во внутренней полости которой, представляющей собой реакционную рабочую зону с повышенными значениями индукции ЭМП, находится дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц, являющееся аналогом сплошного рабочего тела, такого как, например, ротор асинхронного двигателя или сплошной сердечник. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы вызывает интенсивное вращательное и поступательное движение указанных частиц, образующих так называемый «вихревой слой», взаимодействие с которым существенно влияет на обрабатываемую среду, пропускаемую через трубу. Под воздействием ЭМП и вихревого слоя в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде возникают явления магнитострикции ферромагнитных частиц, кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.Almost all known devices with a vortex layer and their modifications consist of an external ring inductor generating a rotating electromagnetic field (hereinafter EMF), into the cavity of which a tube of non-magnetic material is inserted, in the inner cavity of which is a reaction working zone with increased EMF induction values, there is a discrete working fluid in the form of many ferromagnetic particles, which is an analogue of a continuous working fluid, such as, for example, an induction motor rotor or a solid core. The effect of a rotating EMF on ferromagnetic particles causes intense rotational and translational motion of these particles, forming the so-called "vortex layer", the interaction with which significantly affects the medium being processed through the pipe. Under the influence of the electromagnetic field and the vortex layer, many physical and chemical processes are manifested in PCR, while all known processes are accelerated many times. In particular, magnetostriction phenomena of ferromagnetic particles, cavitation appear in the medium being treated, acoustic waves appear, electrolysis occurs, mixing, mixing and grinding processes are intensified, and as a result, chemical reactions are accelerated, etc.

Из RU 2170707 [1] известно устройство для обработки материалов - Аппарат активации процессов для обработки материалов, представляющее собой трубчатую реакционную камеру с охватывающим ее индуктором вращающегося ЭМП. Реакционная камера снабжена ограничивающей решёткой для удерживания ферромагнитных частиц и полой трубкой с заваренным торцом, расположенной вдоль оси рабочего пространства, внутри которой расположен нагреватель или охлаждающее устройство, причём трубка выполнена с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси рабочего пространства.From RU 2170707 [1] a device for processing materials is known — an apparatus for activating processes for processing materials, which is a tubular reaction chamber with a rotating EMF inductor surrounding it. The reaction chamber is equipped with a confining grid for holding ferromagnetic particles and a hollow tube with a welded end located along the axis of the working space, inside which a heater or cooling device is located, and the tube is made with the possibility of reciprocating movement along the axis of the working space.

Недостатком решения, известного из [1], является нахождение в высокоскоростном потоке обрабатываемой жидкости, проходящей через магистральную трубу и цилиндрическую реакционную камеру, коаксиально расположенной по центру камеры полой трубки с заваренным концом, форма которой в [1] не раскрыта, существенно повышает гидродинамическое сопротивление реакционной камеры движущемуся потоку обрабатываемой среды и, соответственно, существенно повышает нагрузку на двигатель насоса, поддерживающего заданный поток, или расход жидкости через реакционную камеру. Поскольку обработка жидкости с помощью ФХР обычно происходит непрерывно и круглосуточно, то энергозатраты на создание и поддержание заданного потока жидкости через реакционную камеру значительно возрастают вследствие такого дополнительного гидродинамического сопротивления.A disadvantage of the solution known from [1] is the presence in the high-speed flow of the treated fluid passing through the main pipe and the cylindrical reaction chamber, coaxially located in the center of the chamber of the hollow tube with a welded end, the shape of which in [1] is not disclosed, significantly increases the hydrodynamic resistance reaction chamber to the moving flow of the medium to be treated and, accordingly, significantly increases the load on the pump motor supporting the specified flow, or the flow rate of the liquid through the reaction chamber. Since liquid processing with the help of PCR usually occurs continuously and around the clock, the energy consumption for creating and maintaining a given liquid flow through the reaction chamber increases significantly due to such an additional hydrodynamic resistance.

В качестве прототипа полезной модели выбран аппарат для проведения физико-химических процессов, известный из RU 2224589 [2].As a prototype of a useful model, an apparatus for carrying out physicochemical processes, known from RU 2224589 [2], was selected.

Известное из [2] устройство содержит трубчатую реакционную камеру смешения из немагнитного материала со статорной обмоткой на ее внешней поверхности и размещенный внутри нее вместо ротора рабочий орган, выполненный в виде неподвижного сердечника из магнитоактивного материала, заключенного в цилиндрическую оболочку из немагнитного и неэлектропроводящего материала. Оболочка снабжена средствами крепления и центрирования, а на торце оболочки закреплён сепаратор с отверстиями в виде решётки, удерживающий ферромагнитные частицы в реакционной камере, пространство которой снаружи ограничено трубчатой оболочкой реакционной камеры, а изнутри - наружной оболочкой цилиндрического сердечника. Форма неподвижного сердечника в [2] не раскрыта.The device known from [2] comprises a tubular reaction chamber for mixing non-magnetic material with a stator winding on its outer surface and a working body located inside it instead of a rotor, made in the form of a fixed core of magnetically active material enclosed in a cylindrical shell of non-magnetic and non-conductive material. The shell is equipped with fastening and centering means, and a separator with holes in the form of a lattice is fixed at the end of the shell, which holds ferromagnetic particles in the reaction chamber, the space of which is externally limited by the tubular shell of the reaction chamber, and from the inside by the outer shell of the cylindrical core. The shape of the fixed core in [2] is not disclosed.

Недостатком устройства, известного из [2], является плохо обтекаемая форма неподвижного сердечника, расположенного по центру трубчатой реакционной камеры, имеющая высокое гидродинамическое сопротивление высокоскоростному потоку обрабатываемой жидкости, проходящей через указанную камеру, что существенно повышает гидродинамическое сопротивление движущемуся потоку и, соответственно, нагрузку на двигатель насоса, поддерживающего заданный поток, или расход обрабатываемой текучей среды. Поскольку обработка жидкости с помощью ФХР обычно происходит непрерывно и круглосуточно, то энергозатраты на создание и поддержание заданного потока жидкости значительно возрастают вследствие такого дополнительного гидродинамического сопротивления.A disadvantage of the device known from [2] is the poorly streamlined shape of the fixed core located in the center of the tubular reaction chamber, which has high hydrodynamic resistance to the high-speed flow of the processed fluid passing through this chamber, which significantly increases the hydrodynamic resistance of the moving stream and, accordingly, the load on the engine of the pump supporting a given flow, or the flow rate of the processed fluid. Since liquid processing with the help of PCR usually occurs continuously and around the clock, the energy consumption for creating and maintaining a given liquid flow increases significantly due to such an additional hydrodynamic resistance.

Цилиндрический стержень, расположенный в реакционной камере ФХР, может выполнять разные функции в зависимости от его назначения: в него могут быть вставлены нагревательные или охладительные элементы, как в [1], магнитный сердечник, как в [2]. Кроме того, указанный стержень может быть выполнен подвижным, например, с возможностью возвратно-поступательного движения, как в [1].A cylindrical rod located in the PCR reaction chamber can perform different functions depending on its purpose: heating or cooling elements can be inserted into it, as in [1], and a magnetic core, as in [2]. In addition, the specified rod can be made movable, for example, with the possibility of reciprocating motion, as in [1].

Таким образом, актуальной является проблема снижения расхода потребляемой насосом энергии для поддержания высокоскоростного потока обрабатываемой жидкости через реакционную камеру в случае размещения в ней стержня, расположенного вдоль ее оси. Thus, the urgent problem is to reduce the consumption of energy consumed by the pump to maintain a high-speed flow of the processed fluid through the reaction chamber if a rod is placed in it located along its axis.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИDISCLOSURE OF THE ESSENCE OF A USEFUL MODEL

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергозатрат при обработке пропускаемого через реакционную камеру ФХР потока обрабатываемой текучей среды.The technical result of the proposed utility model is to reduce energy consumption when processing the flow of the processed fluid passed through the reaction chamber of the FHR.

Указанный технический результат достигается ФХР с вихревым слоем, который содержит трубчатую реакционную камеру из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц, охваченную снаружи индуктором вращающегося электромагнитного поля и содержащую расположенный вдоль ее продольной оси по существу цилиндрический стержень, причем оба конца стержня имеют аэродинамическую форму.The indicated technical result is achieved by FHR with a vortex layer, which contains a tubular reaction chamber made of non-magnetic material to accommodate ferromagnetic particles, enveloped outside by a rotating electromagnetic field inductor and containing an essentially cylindrical rod located along its longitudinal axis, both ends of the rod having an aerodynamic shape.

В одном из вариантов реализации один конец стержня, расположенный выше по потоку, выполнен каплевидным, а второй конец стержня, расположенный ниже по потоку, имеет по существу форму, близкую к конической, но с выпуклой относительно продольной оси конуса боковой поверхностью, т.е. имеет по существу форму выпуклого конуса. In one embodiment, one end of the rod located upstream is made drop-shaped, and the second end of the rod located downstream has a substantially conical shape, but with a side surface convex relative to the longitudinal axis of the cone, i.e. has a substantially convex cone shape.

Аэродинамическая форма обоих концов внутреннего стержня реакционной камеры позволяет существенно снизить гидродинамическое сопротивление непрерывному высокоскоростному потоку обрабатываемой текучей среды, обтекающей внутренний стержень, и, соответственно, уменьшить энергозатраты на создание и поддержание обрабатываемого потока насосом.The aerodynamic shape of both ends of the inner rod of the reaction chamber can significantly reduce the hydrodynamic resistance of the continuous high-speed flow of the processed fluid flowing around the inner rod, and, accordingly, reduce the energy consumption for creating and maintaining the processed flow by the pump.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР с вихревым слоем, Figure 1 presents a General diagram in longitudinal section of the proposed FHR with a vortex layer,

где 1 - индуктор, 2 - корпус индуктора, 3 - трубчатая реакционная камера, 4 - ферромагнитные частицы, 5 - внутренний стержень, 6 - крепления стержня, 7 - удерживающая решётка, 8 - верхний по потоку конец стержня, 9 - нижний по потоку конец стержня.where 1 is the inductor, 2 is the body of the inductor, 3 is the tubular reaction chamber, 4 is the ferromagnetic particles, 5 is the inner rod, 6 is the rod mount, 7 is the retaining lattice, 8 is the upstream end of the rod, 9 is the downstream end the rod.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение реакционной камеры.In FIG. 2 shows a cross section of a reaction chamber.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИIMPLEMENTATION OF A USEFUL MODEL

Работает ФХР по настоящей полезной модели следующим образом. ФХР содержит трубчатую реакционную камеру 3, в которой размещено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4, выполненных в виде удлиненных стержней. Рабочая зона реакционной камеры 3 ограничена с двух сторон удерживающими решетками 7. Электромагнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в рабочей зоне реакционной камеры 3 вращающееся ЭМП. Множество ферромагнитных частиц 4 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа - дискретного рабочего тела, в частности перемешивающего или измельчающего/ размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Множество ферромагнитных частиц 4 под воздействием вращающегося ЭМП совершают интенсивное движение в окружном направлении вокруг продольной оси реакционной камеры 3 и вокруг своей поперечной оси. Вдоль продольной оси реакционной камеры 3 расположен по существу цилиндрический внутренний стержень 5. Внутренний стержень 5 удерживается вдоль продольной оси реакционной камеры с помощью креплений 6, предусмотренных в удерживающих решетках 7. FHR works according to this utility model as follows. PCR contains a tubular reaction chamber 3, in which a discrete working fluid is placed in the form of a plurality of ferromagnetic particles 4, made in the form of elongated rods. The working zone of the reaction chamber 3 is limited on both sides by holding grids 7. An electromagnetic inductor 1 connected to an alternating current network creates a rotating EMF in the working zone of the reaction chamber 3. Many ferromagnetic particles 4 essentially perform in PCF the function of a working medium or a working body - a discrete working fluid, in particular a mixing or grinding / grinding element, and is an integral part of PCR. Many ferromagnetic particles 4 under the influence of a rotating EMF make intensive movement in the circumferential direction around the longitudinal axis of the reaction chamber 3 and around its transverse axis. A substantially cylindrical inner rod 5 is located along the longitudinal axis of the reaction chamber 3. The inner rod 5 is held along the longitudinal axis of the reaction chamber by means of fasteners 6 provided in the holding grids 7.

Внутренний стержень 5 имеет расположенный выше по потоку текучей среды конец 8 стержня и расположенный ниже по потоку текучей среды конец 9 стержня. Оба конца 8, 9 стержня 5 имеют аэродинамическую форму. Под аэродинамической формой понимается форма оконечности стержня, при которой поперечное сечение стержня по существу постоянно сужается в направлении от средней части стержня 5 к соответствующему концу (оконечности) 8, 9 стержня 5, при этом образующиеся аэродинамические поверхности обоих концов стержня являются выпуклыми по отношению к продольной оси стержня 5, т.е. обладают положительной во всех направлениях кривизной. В качестве аэродинамической формы может быть использована, в частности каплевидная, т.е. выпуклая сферообразная форма для расположенного выше по течению конца 8 стержня 5, и форма по существу выпуклого конуса, т.е. конусообразная форма с выпуклой относительно продольной оси стержня образующей поверхностью, для расположенного ниже по течению конца 9 стержня 5. Таким образом, форму оконечностей стержня 5 можно рассматривать как «разорванную» каплю, сферообразная часть которой расположена на размещенном выше по потоку конце 8 стержня, а сужающаяся хвостовая часть которой расположена на размещенном ниже по потоку конце 9 стержня. Однако могут быть использованы также другие формы оконечностей стержня, обеспечивающие минимизацию гидродинамического сопротивления, создаваемого стержнем потоку обрабатываемой текучей среды. The inner shaft 5 has an upstream end 8 of the rod and an downstream end 9 of the rod. Both ends 8, 9 of the rod 5 have an aerodynamic shape. Under the aerodynamic shape refers to the shape of the tip of the rod, in which the cross section of the rod essentially constantly narrows in the direction from the middle part of the rod 5 to the corresponding end (end) 8, 9 of the rod 5, while the resulting aerodynamic surfaces of both ends of the rod are convex with respect to the longitudinal axis of the rod 5, i.e. positive curvature in all directions. As an aerodynamic form, in particular, teardrop-shaped, i.e. a convex spherical shape for the upstream end 8 of the shaft 5, and a substantially convex cone shape, i.e. a conical shape with a forming surface convex relative to the longitudinal axis of the rod, for the end 9 of the rod 5 located downstream. Thus, the shape of the ends of the rod 5 can be considered as a “torn” drop, the sphere-shaped part of which is located on the rod end 8 located upstream, and the tapering tail portion of which is located at the downstream end 9 of the shaft. However, other shapes of the extremities of the rod can also be used to minimize the hydrodynamic drag created by the rod to the flow of the treated fluid.

Размещение внутреннего стержня 5 вдоль оси реакционной камеры позволяет перекрыть его сечением центральную зону реакционной камеры, и, таким образом, по существу исключить т.н. «мёртвую зону» реакционной камеры, расположенную вдоль ее продольной оси, в которой при работе ФХР по существу отсутствуют ферромагнитные частицы, и через которую обрабатываемая текучая среда при отсутствии стержня может проходить по существу без обработки. При этом аэродинамическая форма концов 8, 9 стержня 5 обеспечивает минимизацию гидродинамического сопротивления стержня 5 потоку обрабатываемой текучей среды. Placing the inner rod 5 along the axis of the reaction chamber allows it to cross-section the central zone of the reaction chamber, and thus essentially eliminate the so-called The “dead zone" of the reaction chamber, located along its longitudinal axis, in which during the operation of the PCF there are essentially no ferromagnetic particles, and through which the processed fluid in the absence of a rod can pass essentially without treatment. Moreover, the aerodynamic shape of the ends 8, 9 of the rod 5 minimizes the hydrodynamic resistance of the rod 5 to the flow of the processed fluid.

Текучая среда, под напором насоса поступающая в реакционную камеру 3, обтекает внутренний стержень 5, ориентированный вдоль направления движения потока, показанного стрелкой на фиг. 1, и проходит через торцевые удерживающие решетки 7, расположенные с торцов рабочей зоны реакционной камеры 3. Аэродинамическая форма концов 8, 9 стержня позволяет существенно снизить гидродинамическое сопротивление потоку обрабатываемой текучей среды через реакционную камеру 3.The fluid, under the pressure of the pump entering the reaction chamber 3, flows around the inner rod 5, oriented along the direction of flow, shown by the arrow in FIG. 1, and passes through the end holding grids 7 located at the ends of the working zone of the reaction chamber 3. The aerodynamic shape of the ends 8, 9 of the rod can significantly reduce the hydrodynamic resistance to the flow of the treated fluid through the reaction chamber 3.

В предпочтительном варианте реализации расположенный выше по потоку конец 8 стержня 5 имеет каплевидную форму, а расположенный ниже по потоку конец 9 стержня 5 имеет выпукло-коническую форму.In a preferred embodiment, the upstream end 8 of the shaft 5 has a teardrop shape, and the downstream end 9 of the shaft 5 has a convex conical shape.

Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 4, размещенные в реакционной камере 3, приводит их к интенсивному вращению и поступательному круговому движению, что образует вихревой слой ферромагнитных частиц, создающий турбулентность жидкости. Кроме того, в ферромагнитных частицах удлинённой формы возникает магнитострикция и электрическая поляризация, совместное действие которых вызывает в обрабатываемой среде кавитацию, распространение акустических волн и электролиз. Всё это, в свою очередь, приводит к размолу твёрдых частиц и примесей в обрабатываемой среде, ее интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации химических реакций, коагуляции, флокуляции, что, в частности способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости.The effect of a rotating EMF on ferromagnetic particles 4, placed in the reaction chamber 3, leads to intense rotation and translational circular motion, which forms a vortex layer of ferromagnetic particles, creating fluid turbulence. In addition, magnetostriction and electric polarization arise in elongated ferromagnetic particles, the combined action of which causes cavitation, propagation of acoustic waves and electrolysis in the processed medium. All this, in turn, leads to the grinding of solid particles and impurities in the treated medium, its intensive mixing and mixing, intensification of chemical reactions, coagulation, flocculation, which, in particular, promotes salt formation and aggregation of impurities and facilitates their subsequent separation from the liquid.

Предлагаемая полезная модель позволяет снизить удельное энергопотребление при обработке текучей среды в ФХР, а также повысить ее эффективность за счет перекрытия стержнем «мёртвой зоны» реакционной камеры. В частности, полезная модель позволяет использовать в ФХР насосы текучей среды меньшей мощности, или обеспечить бóльшую производительность ФХР при неизменных энергозатратах.The proposed utility model allows to reduce specific energy consumption when processing a fluid in FHR, as well as to increase its efficiency due to the core blocking the "dead zone" of the reaction chamber. In particular, the utility model makes it possible to use lower-power fluid pumps in FHR, or to provide higher FHR performance with constant energy consumption.

Claims

1. Physico-chemical reactor with a vortex layer, containing a tubular reaction chamber for accommodating ferromagnetic particles, covered outside the inductor of a rotating electromagnetic field and containing essentially cylindrical rod located along its longitudinal axis, characterized in that both ends of the rod have an aerodynamic shape.

2. The physicochemical reactor according to claim 1, characterized in that the end of the rod located upstream is drop-shaped and the end of the rod located downstream has a substantially convex cone shape with a lateral surface convex relative to its longitudinal axis.