RU2286205C1 - Cavitation reactor - Google Patents
Cavitation reactor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2286205C1 RU2286205C1 RU2005103977/15A RU2005103977A RU2286205C1 RU 2286205 C1 RU2286205 C1 RU 2286205C1 RU 2005103977/15 A RU2005103977/15 A RU 2005103977/15A RU 2005103977 A RU2005103977 A RU 2005103977A RU 2286205 C1 RU2286205 C1 RU 2286205C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- cavitation
- resonators
- liquid
- industry
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Physical Water Treatments (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к аппаратам для трансформации в жидкости энергии акустического поля кавитации, возникающей в пространстве распространяемых в жидкости упругих волн, с целью диспергирования, гомогенизации и дезинтеграции находящихся в ней твердых и жидких фаз. Такой механизм рассеяния энергии в жидкости является надтепловым и реализует в ней процессы, свойственные физике и химии высоких энергий, которые сопровождаются возникновением термодинамически неравновесных состояний. Это позволяет, например, аккумулировать в воде определенное количество энергии за счет изотермического разрушения ее внутренней структуры, образованной водородными связями отдельных молекул между собой и в последствии при релаксации этого неравновесного состояния либо при соединении воды с другими веществами высвобождать эту энергию в виде тепла гидратации.The invention relates to apparatuses for transforming in a liquid the energy of an acoustic cavitation field arising in a space of elastic waves propagating in a liquid in order to disperse, homogenize and disintegrate the solid and liquid phases contained therein. Such a mechanism of energy dissipation in a liquid is suprathermal and implements processes in it that are characteristic of high-energy physics and chemistry, which are accompanied by the appearance of thermodynamically nonequilibrium states. This allows, for example, to accumulate a certain amount of energy in water due to the isothermal destruction of its internal structure formed by hydrogen bonds of individual molecules with each other and subsequently, when this nonequilibrium state is relaxed or when water is combined with other substances, this energy is released in the form of heat of hydration.
Изобретение может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине и энергетике.The invention can be used in the chemical, food, pharmaceutical and perfume industries, as well as in medicine and energy.
Известен кавитационный реактор для обработки жидких сред, представляющий собой заполненную обрабатываемой жидкостью камеру, внутреннее пространство которой ограничено поверхностями корпуса, излучателей упругих акустических волн и отражающих эти волны стенок. Колебания всех излучателей, сколько бы их ни было в реакторе, образуют единую акустическую волну, в зависимости от профиля и размеров фронта которой выбраны внутренние размеры корпуса реактора [Патент RU 2209112, 04.06.2002]. Распределение плотности потенциальной энергии кавитации в жидкости внутри реактора имеет глобальный максимум и локальные минимумы. Внутренние размеры корпуса выбираются из условия размещения поверхности его стенок в области минимума плотности потенциальной энергии, с целью предотвратить их эрозионное разрушение и загрязнение обрабатываемой жидкости продуктами эрозии. Зависящее от размеров реактора среднее значение плотности энергии в объеме камеры здесь нельзя увеличить изменением площади излучающей поверхности, так как это повлечет за собой смещение экстремумов плотности энергии и потребует изменения размеров корпуса. Увеличение же с этой целью статического давления внутри реактора приведет к потребности увеличения мощности излучателей. Поэтому достижение указанного ниже технического результата в таком реакторе невозможно.A cavitation reactor for processing liquid media is known, which is a chamber filled with the liquid being processed, the inner space of which is limited by the surfaces of the casing, emitters of elastic acoustic waves and walls reflecting these waves. Oscillations of all emitters, no matter how many there are in the reactor, form a single acoustic wave, depending on the profile and dimensions of the front of which the internal dimensions of the reactor vessel are selected [Patent RU 2209112, 04.06.2002]. The density distribution of the potential energy of cavitation in the liquid inside the reactor has a global maximum and local minima. The internal dimensions of the body are selected from the condition of placing the surface of its walls in the region of the minimum density of potential energy, in order to prevent their erosive destruction and contamination of the treated fluid with erosion products. Here, the average value of the energy density in the chamber volume, which depends on the size of the reactor, cannot be increased here by changing the area of the radiating surface, since this will entail a shift in the extrema of the energy density and require a change in the size of the vessel. For this purpose, an increase in the static pressure inside the reactor will lead to a need for increasing the power of the emitters. Therefore, achieving the technical result indicated below in such a reactor is impossible.
Существуют устройства с несколькими излучателями и отражателями образуемых ими волн, в совокупности представляющими собой акустические резонаторы [Заявка РСТ/АТ88/00034, 19.05.1987, Заявка PCT/GB99/03857, 12.12.1998, Патент US 4618263, 21.10.86]. Требования к соотношениям фаз колебаний, образующих эти волны, в них отсутствуют. Поэтому управление ими в этих реакторах не осуществляется, что не позволяет добиться требуемого технического результата. Кроме того, в реакторе по патенту US 4618263, 21.10.86 плотность энергии кавитации нельзя увеличить и за счет увеличения статического давления в нем, так как он представляет собой открытую негерметичную емкость.There are devices with several emitters and reflectors of the waves formed by them, in the aggregate representing acoustic resonators [Application PCT / AT88 / 00034, 05.19.1987, Application PCT / GB99 / 03857, 12.12.1998, Patent US 4618263, 21.10.86]. There are no requirements for the ratios of the phases of the oscillations that form these waves. Therefore, they are not controlled in these reactors, which does not allow achieving the required technical result. In addition, in the reactor according to the patent US 4618263, 10.21.86, the energy density of cavitation cannot be increased by increasing the static pressure in it, since it is an open leaky tank.
Известны кавитационные реакторы для воздействия энергией кавитации на поток жидкости, которые также содержат резонансные ячейки - резонаторы [Патент RU 2226428, 17.04.2003, Заявка PCT/RU 2004/000275, 25.02.2005]. Эти реакторы имеют устройства для диафрагмирования потока жидкости в сечении, где плотность потенциальной энергии кавитации, зависящая от акустической мощности резонаторов, имеет некий заданный уровень. Вид распределения плотности энергии в первом из этих реакторов определяется посредством распределения эрозионного коэффициента, во втором - непосредственно. В этих реакторах есть возможность увеличить абсолютное значение плотности потенциальной энергии в объеме реактора путем увеличения площади излучателей и/или гидростатического давления в рабочих камерах. Однако реализация этих возможностей не позволяет обеспечить технический результат изобретения, так как при этом потребуется увеличить мощность излучателей.Known cavitation reactors for exposure to cavitation energy on a fluid flow that also contain resonant cells - resonators [Patent RU 2226428, 04.17.2003, Application PCT / RU 2004/000275, 02.25.2005]. These reactors have devices for diaphragming a fluid flow in a section, where the density of potential cavitation energy, depending on the acoustic power of the resonators, has a certain predetermined level. The type of energy density distribution in the first of these reactors is determined by the distribution of the erosion coefficient, in the second - directly. In these reactors, it is possible to increase the absolute value of the potential energy density in the reactor volume by increasing the area of the emitters and / or hydrostatic pressure in the working chambers. However, the implementation of these capabilities does not allow to provide a technical result of the invention, since this will require increasing the power of the emitters.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному является кавитационный реактор [Патент RU 2228217, 21.05.2003] для обработки жидких сред, представляющий собой заполненную обрабатываемой жидкостью герметичную камеру. Реактор может быть снабжен несколькими излучателями. Вместе со специально оборудованными стенками, отражающими порождаемые их колебаниями упругие волны в жидкости, и самой жидкостью они представляют собой акустические резонаторы, в которых устанавливается стоячая волна. Заданное распределение плотности потенциальной энергии в реакторе при заданном среднем ее значении устанавливается путем подбора величины дисперсии этого распределения относительно ее среднего значения за счет изменения мощности и площади излучателей и размеров камеры. То есть здесь увеличить значение плотности потенциальной энергии во внутреннем объеме реактора можно как изменением размеров резонаторов, изменяя площадь излучателей и отражающих стенок в пределах заданного диапазона дисперсии ее распределения по объему, так и повышением гидростатического давления в реакторе.The closest device of the same purpose to the claimed one is a cavitation reactor [Patent RU 2228217, 05.21.2003] for processing liquid media, which is a sealed chamber filled with the liquid being processed. The reactor can be equipped with several emitters. Together with specially equipped walls that reflect the elastic waves generated by their vibrations in the liquid, and the liquid itself, they are acoustic resonators in which a standing wave is established. A predetermined distribution of the density of potential energy in the reactor at a given average value is established by selecting the dispersion value of this distribution relative to its average value by changing the power and area of the emitters and the size of the chamber. That is, here it is possible to increase the value of the density of potential energy in the internal volume of the reactor both by changing the dimensions of the resonators, changing the area of the emitters and reflecting walls within a given range of dispersion of its volume distribution, and by increasing the hydrostatic pressure in the reactor.
Этот реактор принят за прототип.This reactor is taken as a prototype.
Прототип обладает недостатками, препятствующими достижению указанного ниже технического результата. Эти недостатки заключаются в следующем. Во-первых, оба возможных способа увеличения абсолютного значения плотности потенциальной энергии во внутреннем объеме реактора требуют соответствующего изменения мощности излучателей. Во-вторых, изменение фаз колебаний в отдельных резонаторах здесь нельзя осуществить, так как требуемое значение дисперсии устанавливается из условия действия внутри реактора одной волны или нескольких волн с одинаковыми фазами колебаний, что следует из математических выражений, посредством которых охарактеризован главный отличительный признак этого устройства.The prototype has disadvantages that impede the achievement of the following technical result. These disadvantages are as follows. First, both possible methods of increasing the absolute value of the potential energy density in the internal volume of the reactor require a corresponding change in the power of the emitters. Secondly, the change of the phases of the oscillations in individual resonators cannot be carried out here, since the required dispersion value is established from the condition of the action of one wave or several waves with the same oscillation phases inside the reactor, which follows from the mathematical expressions by which the main distinguishing feature of this device is characterized.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что в пространстве упругих волн кавитация возникает в виде так называемых стационарных кавитационных областей, состоящих из отдельных кавитационных пузырьков и располагающихся в узлах колебаний. Каким бы ни было искажение профиля возмущения давления, распространяющегося от каждого из кавитационных пузырьков, связанное с изменением величины модуля и направления вектора скорости его пульсации, средняя за период гармонической волны скорость распространения этого возмущения в среднем по кавитационной области должна быть равна скорости звука в жидкости. В противном случае будет нарушен закон сохранения импульса давления. Поэтому можно считать, что возмущения давления от кавитационных пузырьков за период гармонической волны в среднем будут проходить в жидкости расстояние, равное длине этой волны в этой жидкости. Фазы этих возмущений давления от распределенных в пространстве кавитационных областей пузырьков в любой точке пространства не будут совпадать по той же причине - существовании константы скорости распространения упругих возмущений в жидкости. Этот факт приводит к известному явлению взаимного гашения возмущений давления вследствие их интерференции и не позволяет усиливать эти возмущения давления, распространяющиеся от отдельных пузырьков путем наложения друг на друга отдельных разрежений или сжатий в произвольной точке внутри кавитирующей жидкости без управления фазами пульсаций каждого отдельного пузырька. Ясно, что такое управление технически неосуществимо. Однако можно управлять фазами отдельных волн, содержащих в узлах колебаний кавитационные области, состоящие из конечного числа пузырьков. То есть можно осуществить фазовое управление интерференцией акустического поля кавитации, порождаемой совокупностью плоских упругих волн, распространяющихся параллельно и независимо друг от друга в одном общем объеме жидкости с целью сложения с одинаковыми знаками, то есть усиления возмущений давления кавитации.The invention consists in the following. It is known that in the space of elastic waves, cavitation occurs in the form of the so-called stationary cavitation areas, consisting of separate cavitation bubbles and located at the vibration nodes. Whatever the distortion of the profile of the pressure perturbation propagating from each of the cavitation bubbles associated with a change in the magnitude of the module and the direction of the velocity vector of its pulsation, the average propagation velocity of this perturbation over the period of the harmonic wave on average over the cavitation region should be equal to the speed of sound in the liquid. Otherwise, the law of conservation of the pressure pulse will be violated. Therefore, we can assume that pressure perturbations from cavitation bubbles during the period of a harmonic wave on average will travel a distance equal to the length of this wave in this liquid in a liquid. The phases of these pressure perturbations from cavitational regions of bubbles distributed in space at any point in space will not coincide for the same reason - the existence of a constant of the propagation velocity of elastic perturbations in the liquid. This fact leads to the well-known phenomenon of mutual damping of pressure perturbations due to their interference and does not allow amplifying these pressure perturbations propagating from individual bubbles by superimposing on each other separate rarefaction or compression at an arbitrary point inside the cavitating fluid without controlling the pulsation phases of each individual bubble. It is clear that such a management is not technically feasible. However, it is possible to control the phases of individual waves containing cavitation regions consisting of a finite number of bubbles at the vibration nodes. That is, it is possible to carry out phase control of the interference of the acoustic cavitation field generated by a set of plane elastic waves propagating in parallel and independently from each other in the same total volume of the liquid with the aim of adding with the same signs, that is, amplifying the cavitation pressure disturbances.
Технический результат - увеличение максимального значения плотности потенциальной энергии кавитации путем ее перераспределения в объеме кавитационного реактора при неизменном объеме этого реактора, независимо от гидростатического давления внутри реактора и без соответствующего ему изменения объемной плотности акустической мощности порождающих кавитацию гармонических волн.The technical result is an increase in the maximum density of the potential energy of cavitation by redistributing it in the volume of the cavitation reactor with a constant volume of this reactor, regardless of the hydrostatic pressure inside the reactor and without a corresponding change in the volume density of the acoustic power of harmonic waves generating cavitation.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кавитационном реакторе для обработки жидких сред, содержащем источники гармонических колебаний в виде резонаторов одинаковой частоты, образующих упругие стоячие волны в жидкости, отличие состоит в том, что фазы резонаторов сдвинуты на опережение по мере удаления резонаторов от центра реактора.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known cavitation reactor for processing liquid media containing sources of harmonic oscillations in the form of resonators of the same frequency, forming elastic standing waves in a liquid, the difference is that the phases of the resonators are advanced ahead of the distance resonators from the center of the reactor.
Еще одно отличие состоит в том, что величина сдвига фазы каждого резонатора равна отношению расстояния от узлов колебаний резонатора до центра реактора к длине волны в жидкости.Another difference is that the phase shift of each resonator is equal to the ratio of the distance from the oscillation nodes of the resonator to the center of the reactor to the wavelength in the liquid.
При реализации этого отличия импульсы давления, генерируемые кавитационными областями, образованными каждой из упругих волн по мере приближения к центру реактора, в любой момент времени будут иметь одинаковый знак и максимально возможное абсолютное значение, что приведет к увеличению там плотности потенциальной энергии. Как известно, это значение будет пропорциональным квадрату, в данном случае, суммарного возмущения давления от всех кавитационных областей всех резонаторов. Следовательно, и интенсивность воздействия кавитации на поток жидкости будет также максимальной. Размеры реактора и площади стенок резонаторов при этом останутся неизменными, а увеличивать мощность излучателей не потребуется.When this difference is realized, pressure pulses generated by cavitation regions formed by each of the elastic waves as they approach the center of the reactor will have the same sign and maximum absolute value at any time, which will lead to an increase in the potential energy density there. As is known, this value will be proportional to the square, in this case, of the total pressure perturbation from all cavitation regions of all resonators. Consequently, the intensity of the effect of cavitation on the fluid flow will also be maximum. The dimensions of the reactor and the area of the walls of the resonators will remain unchanged, and you will not need to increase the power of the emitters.
Таким образом, сравнение заявленного кавитационного реактора с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный кавитационный реактор обладает существенными по отношению к техническому результату отличительными признаками.Thus, a comparison of the claimed cavitation reactor with the prototype, which is the closest analogue of the technical solutions characterizing the prior art known to the applicant in the field of the subject invention, shows that the claimed cavitation reactor has significant distinguishing features with respect to the technical result.
При анализе этих признаков не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к фазам колебаний отдельных резонаторов, входящих в состав кавитационного реактора в качестве устройств для образования в жидкости акустических волн, с целью увеличения плотности потенциальной энергии кавитации внутри него.An analysis of these signs did not reveal any known similar solutions regarding the establishment of requirements for the oscillation phases of individual cavities that are part of a cavitation reactor as devices for generating acoustic waves in a liquid in order to increase the density of potential cavitation energy inside it.
На фиг.1 показан разрез вдоль в диаметральной плоскости корпуса круглого в плане кавитационного реактора с тремя акустическими резонаторами, каждый из которых состоит из двух твердотельных волноводов. Узлы колебаний в жидкости, видимые на разрезе сбоку, показаны пунктирными линиями. Нулем обозначена точка, являющаяся центром реактора.Figure 1 shows a section along in the diametrical plane of the casing round in terms of a cavitation reactor with three acoustic resonators, each of which consists of two solid-state waveguides. The vibrational nodes in the liquid, visible in the section from the side, are shown by dashed lines. Zero denotes the point that is the center of the reactor.
На фиг.2 показан разрез реактора изображенного на фиг.1 в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний. Вид на волноводы резонаторов на чертеже совпадает с проекциями на них узлов колебаний.Figure 2 shows a section of the reactor depicted in figure 1 in the plane to which the vibration nodes belong. The view of the resonator waveguides in the drawing coincides with the projections of the vibration nodes on them.
На фиг.3 показан разрез в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний, реактора аналогичного изображенному на фиг.1, но содержащего семь акустических резонаторов.Figure 3 shows a section in the plane to which the vibration nodes belong, a reactor similar to that shown in figure 1, but containing seven acoustic resonators.
На фиг.4 показан разрез в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний, реактора аналогичного изображенному на фиг.1, но содержащему два резонатора. Один из них, расположенный на оси симметрии, аналогичен по форме и размерам резонатору 2 на фиг.1-2, а волноводы второго выполнены в виде труб, охватывающих с зазором волноводы первого и имеющих толщину стенок, равную их диаметрам.Figure 4 shows a section in the plane to which the vibration nodes belong, a reactor similar to that shown in figure 1, but containing two resonators. One of them, located on the axis of symmetry, is similar in shape and size to the
На фиг.5 показан разрез вдоль в диаметральной плоскости корпуса прямоугольного в плане кавитационного реактора с четырьмя акустическими резонаторами, каждый из которых состоит из двух твердотельных волноводов.Figure 5 shows a section along the diametrical plane of the body of a rectangular cavitation reactor with four acoustic resonators, each of which consists of two solid-state waveguides.
На фиг.6 показан разрез реактора, изображенного на фиг.5, в плоскости, которой принадлежат узлы колебаний.Figure 6 shows a section of the reactor depicted in figure 5, in the plane to which the vibration nodes belong.
Заявленный кавитационный реактор, например, изображенный на фиг.1 и 2, в котором реализованы отличительные признаки изобретения, содержит три акустических резонатора, каждый из которых состоит из пары твердотельных волноводов 1, 1'; 2, 2'; и 3, 3', расположенных напротив друг друга. Они приводятся в действие электроакустическими преобразователями (на чертеже не показаны) путем трансформации электрической энергии в механическую энергию колебаний и передачи этих колебаний посредством волноводов в жидкость. Расстояние между поверхностями волноводов в резонаторах равно, например, как показано на фиг.1, половине длины упругой волны в обрабатываемой жидкости. С преобразователем может быть соединен как один из волноводов, составляющих резонатор и называемый в этом случае активной стенкой, так и оба. В первом случае условие установления резонанса в жидкости между волноводами обеспечивается само собой, так как второй волновод - пассивная стенка, в который колебания передаются через резонансное же расстояние в жидкости, будет колебаться с частотой первого. Во втором случае резонанс должен быть обеспечен установлением равенства частот колебаний преобразователей. Это известно и может быть сделано путем получения питания ими от общего для них силового источника, управляемого общим задающим генератором частоты. Поскольку резонаторы 1-1' и 3-3' удалены от центра реактора на одинаковые расстояния, фазы колебаний в них, удовлетворяющие признаку изобретения, должны быть одинаковыми. Поэтому преобразователи, приводящие в действие волноводы 1, 1', 3 и 3', могут управляться одним задающим генератором частоты. Таким образом, резонаторами реактора управляют два генератора частоты: один - преобразователями, приводящими в действие волноводы 2 и 2', другой - 1, 1', 3 и 3'. Для осуществления признаков изобретения требуется также устройство, задающее фазу колебаний. Конструкция, схемотехника и функционирование таких устройств не требуют изобретательских решений и являются с точки зрения современного уровня техники тривиальными. Для этого могут быть использованы соответствующие устройства, описанные, например, в [US 4556467, 03.12.1985].The claimed cavitation reactor, for example, shown in figures 1 and 2, which implements the distinguishing features of the invention, contains three acoustic resonators, each of which consists of a pair of solid-
Волноводы в реакторе и узлы колебаний находящейся между ними жидкости имеют в плане форму кругов радиуса r, который составляет четверть длины волны в резонаторе. Волноводы соединены с корпусом реактора 4 посредством обеспечивающих герметичность корпуса эластичных уплотняющих прокладок 5. Это крепление выполнено известным образом в узлах собственных колебаний волноводов, то есть так, чтобы обеспечить возможность устанавливать посредством образуемых ими резонаторов акустические волны с разными, не зависящими друг от друга, фазами без рассеяния мощности колебаний корпусом. Обрабатываемая жидкость пропускается через реактор посредством патрубков 5 и 6. Точка 0 - центр реактора.The waveguides in the reactor and the vibration nodes of the liquid between them are in the form of circles of radius r, which is a quarter of the wavelength in the resonator. The waveguides are connected to the
Параметры реактора, обеспечивающие реализацию признаков изобретения, рассчитываются следующим образом.The parameters of the reactor, ensuring the implementation of the features of the invention are calculated as follows.
Пусть обрабатываемой жидкостью является вода, в которой звук распространяется со скоростью 1450 м/с, а частота колебаний преобразователей равна 20 кГц. Тогда длина волны этих колебаний в воде λ=1450 : 20=72,5 мм. Диаметр волноводов и узлов колебаний в жидкости составляет 0,5λ=36,3 мм, а зазор между волноводами в плане пусть будет равным 3,6 мм.Let the liquid to be treated be water, in which sound propagates at a speed of 1450 m / s, and the oscillation frequency of the transducers is 20 kHz. Then the wavelength of these oscillations in water is λ = 1450: 20 = 72.5 mm. The diameter of the waveguides and vibration nodes in the liquid is 0.5λ = 36.3 mm, and let the gap between the waveguides in plan be 3.6 mm.
Среднее расстояние от произвольной точки пространства до всех точек круга, лежащего с ней в одной плоскости, как известно, равноThe average distance from an arbitrary point in space to all points of a circle lying with it in the same plane, as is known, is
где: х - расстояние между этой точкой и центром круга радиуса г.where: x is the distance between this point and the center of the circle of radius r.
Используя этот двойной интеграл и тот факт, что расстояния между геометрическими центрами резонаторов 1-1', 3-3' и центром реактора равны и составляют 36,3+3,6=39,9 мм, можно вычислить расстояние от этого центра до узла колебаний, принадлежащего резонатору 2-2' и узлов, принадлежащих резонаторам 1-1' и 3-3'. Они составляют 12,1 мм и 41,0 мм соответственно. Таким образом, чтобы удовлетворять первому отличительному признаку изобретения, фазы колебаний резонаторов 1-1', 3-3' и 2-2' относительно начала отсчета фаз должны быть сдвинуты на опережение. А чтобы удовлетворять второму признаку, сдвиг должен составлять 41,0 : 72,5=0,566 и 12,1 : 72,5=0,167 периода волны. То есть фазы волны в резонаторах 1-1' и 3-3' в любой момент времени должны опережать фазу волны в резонаторе 2-2' на величину, составляющую 0,566-0,167=0,399 периода волны. Поскольку период волны равен 106:20000=50 мкс, то сдвиг фаз на опережение в периферийных резонаторах по отношению к центральному в абсолютных единицах составит 50·0,399=20 мкс.Using this double integral and the fact that the distances between the geometric centers of the resonators 1-1 ', 3-3' and the center of the reactor are 36.3 + 3.6 = 39.9 mm, the distance from this center to the node can be calculated oscillations belonging to the resonator 2-2 'and nodes belonging to the resonators 1-1' and 3-3 '. They are 12.1 mm and 41.0 mm, respectively. Thus, in order to satisfy the first distinguishing feature of the invention, the oscillation phases of the resonators 1-1 ', 3-3' and 2-2 'relative to the reference phase must be advanced. And in order to satisfy the second feature, the shift should be 41.0: 72.5 = 0.566 and 12.1: 72.5 = 0.167 of the wave period. That is, the phases of the wave in the resonators 1-1 'and 3-3' at any time should be ahead of the phase of the wave in the resonator 2-2 'by an amount of 0.566-0.167 = 0.399 wave periods. Since the wave period is 10 6 : 20000 = 50 μs, the phase shift in the lead in the peripheral resonators relative to the central one in absolute units will be 50 · 0.399 = 20 μs.
Реактор, изображенный на фиг.1 и 2, работает следующим образом.The reactor depicted in figures 1 and 2, operates as follows.
При приведении в действие электроакустических преобразователей внутри каждого резонатора в жидкости устанавливаются упругие стоячие полуволны, причем их фазы в периферийных резонаторах 1-1' и 3-3' опережают фазу в резонаторе 2-2', расположенном в центре. А это опережение составляет на 20 микросекунд. Поэтому возмущения давления, генерируемые кавитационными областями в реакторе, приходят в центр его внутреннего объема в одинаковой фазе, а по мере удаления от центра на периферию они складываются с минимальной разностью фаз. То есть явление интерференции здесь проявляется не во взаимном гашении акустических волн, порождаемых отдельными кавитационными областями, а в их взаимном усилении. Поэтому суммарное мгновенное значение давления в центре реактора в любой момент времени по абсолютной величине будет максимальным. Следовательно, и плотность потенциальной энергии, пропорциональная квадрату давления, также будет максимальной. Для этого не понадобится увеличивать площадь излучения волн, статическое давление в жидкости и соответственно мощность излучателей. Жидкость, находящаяся в реакторе, при этом будет подвергаться наиболее интенсивному воздействию кавитации. То есть технический результат будет достигнут.When electro-acoustic transducers are activated, elastic standing half-waves are installed in the liquid inside each resonator, and their phases in the peripheral resonators 1-1 'and 3-3' are ahead of the phase in the resonator 2-2 'located in the center. And this lead is 20 microseconds. Therefore, pressure perturbations generated by cavitation regions in the reactor come to the center of its internal volume in the same phase, and as they move away from the center to the periphery, they add up with a minimum phase difference. That is, the phenomenon of interference here is manifested not in the mutual damping of acoustic waves generated by individual cavitation areas, but in their mutual amplification. Therefore, the total instantaneous value of the pressure in the center of the reactor at any time in absolute value will be maximum. Consequently, the density of potential energy, proportional to the square of the pressure, will also be maximum. For this, it is not necessary to increase the area of wave radiation, the static pressure in the liquid, and accordingly the power of the emitters. The liquid in the reactor will be subjected to the most intense exposure to cavitation. That is, a technical result will be achieved.
Используя известную «закономерность распределения плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны» [научное открытие №288, 28.01.2005], можно сравнить между собой описанный выше пример конкретной реализации изобретения с прототипом, имеющим такую же конструкцию и размеры реактора, но не имеющим сдвига фаз колебаний резонаторов. В соответствии с этой закономерностью средняя по внутреннему объему реактора плотность потенциальной энергии кавитации, вычисленная для заявленного реактора, в 3,2 раза превышает ее в прототипе.Using the well-known “regularity of the distribution of the potential energy density of multibubble cavitation relative to the harmonic wave generating it” [scientific discovery No. 288, 01/28/2005], one can compare the above-described example of a specific implementation of the invention with a prototype having the same design and dimensions of the reactor, but not having a phase shift oscillation resonators. In accordance with this pattern, the average average density of the potential cavitation energy calculated for the claimed reactor by 3.2 times the average density in the internal volume of the reactor exceeds that in the prototype.
Реактор, соответствующий признакам изобретения, может иметь любое количество резонаторов и произвольное их размещение. В качестве примера на фиг.5, 6 показан прямоугольный в плане реактор с четырьмя резонаторами 1-1', 2-2', 3-3' и 4-4'.The reactor corresponding to the features of the invention may have any number of resonators and their arbitrary placement. As an example, figure 5, 6 shows a rectangular in plan reactor with four resonators 1-1 ', 2-2', 3-3 'and 4-4'.
Для практического подтверждения возможности осуществления заявленного изобретения и достижения с его помощью технического результата был поставлен натурный эксперимент. В качестве излучателей в резонаторах использовались излучатели аппаратов для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред типа «СИРИНКС» СИТБ.443146.002ТУ с электроакустическими магнитострикционными преобразователями частотой 22 кГц. Эксперимент был поставлен по методике исследования влияния интенсивности кавитационного воздействия на степень диссоциации электролитов с ионным типом связи, описанной в работе д.т.н. Рогова и д.т.н. Шестакова «Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов» и опубликованной в теоретическом журнале РАСХН «Хранение и переработка сельхозсырья» №10 за 2004 г.To practically confirm the feasibility of the claimed invention and achieve the technical result with its help, a full-scale experiment was performed. As the emitters in the resonators, we used emitters of cavitation disintegration of liquid food media of the SIRINKS type SITB.443146.002TU with electroacoustic magnetostrictive transducers with a frequency of 22 kHz. The experiment was carried out according to the method of studying the influence of the intensity of cavitation effects on the degree of dissociation of electrolytes with an ionic type of bond, described in the work of Doctor of Technical Sciences Rogova and Doctor of Technical Sciences Shestakova “Superthermal change in the thermodynamic equilibrium of water and aqueous solutions” and published in the theoretical journal of RAAS “Storage and processing of agricultural raw materials” No. 10 for 2004
Три полуволновых резонатора, состоящие из твердотельных волноводов лабораторных аппаратов «СИРИНКС» диаметром 38 мм и эластичных отражателей из вакуумной резины были размещены на одной прямой с расстоянием между осями волноводов 74 мм в открытой цилиндрической емкости (реактора), заполненной 1400 мл протекающей через нее жидкости. Сдвиг фаз магнитострикционных преобразователей периферийных резонаторов относительно центрального осуществлялся посредством линии задержки, выполненной на схемах регулируемых одновибраторов. При воспроизведении режима работы, соответствующего заявленному изобретению, сдвиг фаз на опережение между колебаниями в резонаторах составлял 43 мкс, при воспроизведении работы прототипа - 0 мкс. Подводимая к источникам питания преобразователей аппаратов «СИРИНКС» электрическая мощность в ходе эксперимента оставалась неизменной, статическое давление в реакторе, поскольку он представлял собой открытую емкость, также не менялось и было равно атмосферному. Температура окружающей среды была равна +20°С и поддерживалась с точностью ±1°С.Three half-wave resonators, consisting of solid-state waveguides of SIRINX laboratory devices with a diameter of 38 mm and elastic reflectors made of vacuum rubber, were placed on one straight line with a distance between the axes of the waveguides of 74 mm in an open cylindrical container (reactor) filled with 1400 ml of fluid flowing through it. The phase shift of the magnetostrictive transducers of the peripheral resonators relative to the central one was carried out by means of a delay line made on adjustable single-vibrator circuits. When reproducing the operating mode corresponding to the claimed invention, the phase shift in the lead between oscillations in the resonators was 43 μs, while reproducing the prototype - 0 μs. The electrical power supplied to the power sources of the SIRINX apparatus converters remained unchanged during the experiment, the static pressure in the reactor, since it was an open tank, also did not change and was equal to atmospheric pressure. The ambient temperature was + 20 ° C and was maintained with an accuracy of ± 1 ° C.
Через реактор в направлении, перпендикулярном оси, на которой были установлены резонаторы, со скоростью 500±10 мл/мин при помощи лабораторного насоса и регулируемого дросселя пропускался сантинормальный раствор натрия хлорида. Позади резонатора, расположенного в центре реактора, по направлению потока раствора электролита был установлен кондуктометрический датчик прибора «Анион 7051» (ИНФРАСПАК, Новосибирск). В установившемся режиме работы экспериментальной установки в каждом из вариантов фазового сдвига при пяти повторениях опыта были получены следующие среднестатистические показания прибора.Through the reactor in the direction perpendicular to the axis on which the resonators were mounted, a sane-normal sodium chloride solution was passed with a laboratory pump and an adjustable throttle at a speed of 500 ± 10 ml / min. Behind the resonator located in the center of the reactor, in the direction of flow of the electrolyte solution, a conductivity sensor of the Anion 7051 device was installed (INFRASPAK, Novosibirsk). In the steady-state mode of operation of the experimental setup in each of the phase shift variants with five repetitions of the experiment, the following average statistical readings of the device were obtained.
Из таблицы видно, что степень диссоциации натрия хлорида на ионы, определяющая проводимость раствора, во втором случае выше. Этот говорит о более интенсивном воздействии кавитации на раствор, что приводит к практически стопроцентной диссоциации NaCl.The table shows that the degree of dissociation of sodium chloride into ions, which determines the conductivity of the solution, is higher in the second case. This suggests a more intense effect of cavitation on the solution, which leads to almost one hundred percent dissociation of NaCl.
Таким образом, вышеизложенные сведения, включая результаты натурного эксперимента, свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке и известных ранее средств и методов, а также о безусловном факте достижения при его осуществлении указанного выше технического результата.Thus, the above information, including the results of a full-scale experiment, indicate the possibility of implementing the claimed invention using the means and methods described previously in the application, as well as the unconditional fact of achieving the above technical result during its implementation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005103977/15A RU2286205C1 (en) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | Cavitation reactor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005103977/15A RU2286205C1 (en) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | Cavitation reactor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2286205C1 true RU2286205C1 (en) | 2006-10-27 |
Family
ID=37438610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005103977/15A RU2286205C1 (en) | 2005-02-16 | 2005-02-16 | Cavitation reactor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2286205C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD3859G2 (en) * | 2007-04-23 | 2009-11-30 | Институт Сельскохозяйственной Техники "Mecagro" | Device for homogenization and cavitational dispersion of liquid mixtures |
| RU2708050C1 (en) * | 2019-03-12 | 2019-12-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Акопласт" | Apparatus for mixing and dispersing various components in liquid media |
-
2005
- 2005-02-16 RU RU2005103977/15A patent/RU2286205C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD3859G2 (en) * | 2007-04-23 | 2009-11-30 | Институт Сельскохозяйственной Техники "Mecagro" | Device for homogenization and cavitational dispersion of liquid mixtures |
| RU2708050C1 (en) * | 2019-03-12 | 2019-12-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Акопласт" | Apparatus for mixing and dispersing various components in liquid media |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lemlich | Effect of vibration on natural convective heat transfer | |
| Gallego-Juárez et al. | Recent developments in vibrating-plate macrosonic transducers | |
| CN103118776B (en) | Method for ultrasonic cavitation treatment of liquid media | |
| US20120121469A1 (en) | Pressurized Acoustic Resonator With Fluid Flow-Through Feature | |
| GB2538276A (en) | Cleaning apparatus and method | |
| Rajabi et al. | Acoustic radiation force control: Pulsating spherical carriers | |
| RU2286205C1 (en) | Cavitation reactor | |
| CN111346292B (en) | Microfluidic system and method of operating the same | |
| CN104093480A (en) | Method for simultaneous cavitation treatment of liquid media varying in composition | |
| Rajabi et al. | Acoustic manipulation of a liquid-filled spherical shell activated with an internal spherical oscillator | |
| WO2007120067A1 (en) | Cavitation reactor | |
| WO2016004437A1 (en) | Method and apparatus for effecting alternating ultrasonic transmissions without cavitation | |
| Ramble et al. | On the relation between surface waves on a bubble and the subharmonic combination-frequency emission | |
| RU2290990C1 (en) | Cavitation reactor | |
| RU2422371C2 (en) | Method of reducing water temporary hardness in flow and cavitation reactor to this end | |
| JP2012239928A (en) | Ultrasonic fluid activation apparatus | |
| CN107899526B (en) | Sonochemistry processing device for weakening standing wave effect based on reflecting plate topological structure | |
| RU2446874C2 (en) | Ultrasonic cavitation flow reactor | |
| RU2309008C1 (en) | Cavitational reactor | |
| Hasheminejad et al. | Energy distribution and radiation loading of a cylindrical source suspended within a nonconcentric fluid cylinder | |
| RU2254912C1 (en) | Cavitation reactor | |
| RU2540608C1 (en) | Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media | |
| RU2442640C1 (en) | The rotary device | |
| GB2592450A (en) | Microfluidic system and operating method therefor | |
| RU2392047C1 (en) | Acoustic cell of acousticchemistry reactor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110217 |