SK46795A3 - Device for gas dissolving - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka zariadenia na rozpúšťanie plynov v kvapalinách, a predovšetkým, avšak nie výlučne, s využitím ultrazvuku kvôli uľahčeniu rozpustenia plynov v kvapalinách.

Doterajší stav techniky

Jeden zo známych spôsobov rozpúšťania plynov v kvapalinách je napríklad systém VITOX_TM spoločnosti BOC Group. Tento systém obsahuje Venturiho trubicu, ktorou sa preháňa kvapalina, ktorá má byt obohatená kyslíkom, a množstvo malých otvorov v oddiele hrdla, ktorými sa privádza kyslík do kvapaliny. Kyslík vo forme bublín difunduje do kvapaliny za Venturiho trubicou v smere prúdu, čím sa kvapalina nasycuje kyslíkom.

Je dobre známe, že čím sú bubliny menšie, tým vyššia je rýchlosť a úplnosť procesu rozpúšťania. Avšak v súčasnosti známe systémy tvorby bublín sú prevažne mechanické zariadenia, ktoré spravidla nie sú schopné vytvárať bubliny požadovaných malých rozmerov bez nadmernej, a teda nehospodárnej spotreby energie.

Úlohou predloženého vynálezu teda je znížiť a pokiaľ možno vylúčiť problémy vyššie uvedených usporiadaní vytvorením zariadenia na rozpúšťanie plynov v kvapalinách, ktoré by využívalo ultrazvuk na štiepenie bublín plynov na vyvíjanie bublín o veľkosti oveľa výhodnejšej pre v podstate úplné rozpustenie plynu obsiahnutého v kvapaline.

Podstata vynálezu

Vynález rieši úlohu tým, že vytvára zariadenia na rozpúšťanie plynov v kvapalinách, ktorého podstata spočíva v tom, že obsahuje potrubie pre prietok kvapaliny, prívodnú rúrku plynu na zavádzanie bublín plynu do kvapaliny vedenej potrubím, generátor ultrazvuku a mechanizmus na smerovanie ultrazvuku do kvapaliny pretekajúcej potrubím na vyvíjanie zvukom indukovanej kavitácie bublín v ňom pre štiepenie bublín na menšie bubliny lahšie rozpúšťané v kvapaline.

Generátor ultrazvuku je s výhodou navrhnutý na vyvíjanie ultrazvuku na alebo nad kmitočtom rezonancie bublín rozpúšťaného plynu.

Generátor ultrazvuku s výhodou obsahuje piezoelektrický mechanizmus.

Ďalej je výhodné, keď mechanizmus na smerovanie ultrazvuku obsahuje zvukový lievik na zaostrenie ultrazvuku v určenom mieste v potrubí.

Je výhodné, keď mechanizmus na smerovanie ultrazvuku má tvar na smerovanie ultrazvuku v podstate naprieč potrubím a naprieč dráhy pretekajúcej kvapaliny.

Podlá ďalšieho výhodného vyhotovenia vynálezu mechanizmus na smerovanie ultrazvuku má tvar na smerovanie ultrazvuku v podstate pozdĺž potrubia a v smere alebo proti smeru prúdu pretekajúcej kvapaliny.

Podlá ďalšieho výhodného vyhotovenia predloženého vynálezu zariadenie podlá vynálezu obsahuje generátor turbulencie v kvapaline pretekajúcej potrubím kvôli ďalšiemu ulahčeniu rozpustenia plynu v kvapaline.

Podlá ďalšieho výhodného vyhotovenia predloženého vynálezu je generátor ultrazvuku umiestnený na zavádzanie ultrazvuku do potrubia v mieste pred, za alebo priamo súmiestne s prívodnou rúrkou plynu vzhladom k smeru prúdu kvapaliny.

Podlá ďalšieho výhodného vyhotovenia predloženého vynálezu zariadenie podlá vynálezu obsahuje difuzér na difúziu zmesi plynu a kvapaliny kvôli uľahčeniu ďalšieho rozpustenia bublín plynu v kvapaline.

Podlá ďalšieho výhodného vyhotovenia predloženého vynálezu zariadenie podlá vynálezu obsahuje Venturiho trubicu uloženú v potrubí pre prietok kvapaliny.

Podlá ďalšieho výhodného vyhotovenia vynálezu zariadenie podlá vynálezu obsahuje ejektor alebo trysku na zavádzanie zmesi plynu a kvapaliny z potrubia do velkého objemu kvapaliny na ďalšie rozpúšťanie plynu v kvapaline.

Prehlad obrázkov na výkresoch

Vynález je znázornený na výkresoch, kde:

obr. 1 až 3 znázorňujú priečne rezy alternatívnymi vyhotoveniami zariadenia podlá vynálezu, obr. 4 až 7 znázorňujú zmrštenie bubliny vystavenej pôsobeniu ultrazvuku podlá predloženého vynálezu, obr. 8 je tabulka závislosti povrchovej energie bublín od ich velkosti.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Podlá obr. 1 zariadenie 10 na rozpúšťanie plynov v kvapalinách obsahuje potrubie 12 pre prietok kvapaliny, prívodnú rúrku 14 vyčnievajúcu do potrubia 12 alebo zakončenú pri jednom alebo niekoľkých otvoroch 16 vytvorených v jej stene 18 a generátor 20 ultrazvuku napríklad vo forme ultrazvukového meniča. Alternatívne môže generátor 20 ultrazvuku byť magnetostatický menič, elektrostatický menič alebo niektorý mechanický prístroj ako píšťala Galton, Generátor Hartman alebo píšťala Janovski-Pohlman. Smerovací mechanizmus buď tvorí samotný generátor 20 ultrazvuku, keď je správne umiestnený, alebo je vytvorený zaostrovací mechanizmus 24 na smerovanie vyvíjania ultrazvukového signálu do žiadaného miesta v potrubí. Zaostrovací mechanizmus 24 . označovaný aj ako zvukový lievik, obsahuje kuželovitý člen majúci rozšírený koniec 24a pre príjem ultrazvukového signálu, zúženú čast 24b na smerovanie signálu k zúženému vysielaciemu koncu 24c, z ktorého je signál vysielaný v žiadanom smere.

Generátor 20 ultrazvuku má tvar na vyvíjanie ultrazvuku na alebo nad kmitočtom rezonancie bublín rozpúšťaného plynu. V praxi sú dostatočné kmitočty od 20 do 53 kHz na riadenie velkosti bublín pre väčšinu vodných systémov, prítomnosť solí alebo organických látok však môže vyžadovať odlišné kmitočty. Zvláštny kmitočet sa volí na dosiahnutie maximálneho prenosu hmôt a tento bude v spojení s amplitúdou závisieť od hustoty, viskozity a teploty kvapaliny, jej pohybového stavu a zloženia pevných látok inertných alebo organických v zmesi, spolu s uvažovaním pomeru plynu ku kvapaline požadovaného na dosiahnutie maximálneho prenosu hmôt. V praxi je volba kmitočtu a amplitúdy vecou pokusu.

Zaostrovací mechanizmus 24 môže byt umiestnený na smerovanie vyvíjaného ultrazvuku naprieč alebo pozdĺž potrubia ako je znázornené na obr. 1 až 3, a môže byt pred, za alebo súmiestne vzhíadom k smeru prietoku s prívodnou rúrkou 14 plynu. Môže byť usporiadaný generátor 26 turbulencie na vyvíjanie turbulencie v kvapaline pre ďalšie zvýšenie zmiešania bublín plynu s kvapalinou. Generátor 26 turbulencie môže byt umiestnený kdekoívek v potrubí 12 alebo môže byt tvorený výstupnou tryskou 28.

Vynález môže z ktorých niektoré vytvorené potrubie byt vytvorený mnohými rôznymi spôsobmi, sú znázornené na obr. 1 až 3. Na obr. 1 je v podstate stáleho prierezu s generátorom 26 turbulencie pred miestom prívodu plynu, prívodnou rúrkou 14 plynu vyčnievajúceho do kvapaliny prúdiacej potrubím 12 a s generátorom 20 ultrazvuku umiestneným na smerovanie ultrazvuku naprieč potrubím 12 za miestom prívodu plynu. Tryská 28 pri výstupnom konci potrubia 12 môže byt obvyklého typu alebo môže byt opatrená neznázorneným víričom. Vírič môže byt uložený v ktoromkolvek mieste potrubia 12,. Obr. 2 znázorňuje usporiadanie, kde časť potrubia 12 tvorí Venturiho trubica 17 a plyn sa privádza pred generátorom 20 ultrazvuku v hrdle Venturiho trubice 17 naprieč potrubím 12. Obr. 3 znázorňuje ďalšiu alternatívu zariadenia podlá vynálezu podobnú vyhotoveniu pódia obr. 2 až na to, že generátor 20 ultrazvuku je umiestnený pred Venturiho trubicou 17 a spôsobuje smerovanie ultrazvuku skôr pozdĺž potrubia 12 ako naprieč. Sú možné i iné usporiadania, ktoré budú odborníkovi školenému v odbore zrejmé a predložený vynález nie je obmedzený tu popísanými príkladmi vyhotovenia. Je výhodné, keď generátor 20 ultrazvuku je čo najbližšie k výstupnému konci potrubia 12. čím sa obmedzí možné spájanie bublín pred vypustením.

Autori A.T.S. Pandit a J.F. Davidson ukázali v publikácii Bubble Break-up in Turbulent Flow, že energia požadovaná na zmenu veikosti bublín závisí od zmeny povrchovej energie, t.j. od rastu povrchového napätia. V systémoch s vodou sú účinky viskozity zanedbateiné. Ultrazvuk zaisťuje alternatívny zdroj energie, ktorý, ak je účinne využitý, dáva rádové zmenšenie veikosti bublín nevyhnutné na spôsobenie významnej zmeny prenosu hmôt systému. Veikosť bublín vyvíjaných vo Venturiho trubici VITOX_TM je rádovo 1,5 až 2,5 mm v mieste hrdla. Použitie ultrazvuku vytvára mechanizmus na zníženie veikosti bublín približne o rád. Ak sa vhodným umiestnením Venturiho trubice 17 vytvorí takéto uloženie, že pri dynamických podmienkach existuje takýto gradient tlaku, že bubliny sú podrobené zvýšenému tlaku, potom sa ich veikost zmenšuje. U trysky VITOX_TM by zvláštna šmyková energia podporila ďalšie zmenšovanie bublín, hlavne väčších bublín vznikajúcich zhlukovaním, ktoré je výsledkom výstupu dvoch fáz prúdu do zásobnej nádrže, kde stredná veikosť bublín by bola od 0,15 do 0,25 mm. Ak sú vhodné miešacie usporiadania, bubliny tejto veikosti nebudú vyvíjať dostatočný vztlak na unikanie k povrchu a teda sa rýchlo rozpustia. Tento účinok je zvyšovaný použitím ejektorových vírivých trysiek.

Tlak privádzaného kyslíka môže byt prispôsobený správne navrhnutej hydraulike systému. Ultrazvuk by mohol pracovať rovnako dobre s podtlakom ako v samonasávacích prístrojoch i v tlakových systémoch, napríklad ponorných jednotkách.

Zariadenie môže byt nastavené na fyzikálne vlastnosti, ktoré sú závislé od rozličných fyzikálnych charakteristík ultrazvukových mechanizmov používaných vo väčšine systémov styku plynu a kvapaliny, napríklad ozónu a vody, oxidu uhličitého a vody, hoci oxid uhličitý je menej vhodný s ohľadom na tlmenie zvuku. Systémy vzduch/voda sa chovajú podobne ako systémy kyslík/voda. Rozličné patenty chránia spôsoby na rozpúšťanie plynov v kvapalinách, každý tento spôsob vyžaduje použitie vonkajšej energie na využitie vonkajšej energie na vyvíjanie pohybu kvapaliny, typicky čerpadla, kombináciou prúdu tlakovej kvapaliny vyvíjajúceho strih bublín podporujúcej rozpúšťanie privádzaného plynu v prúde kvapaliny. Použitie ultrazvuku vo všetkých zmienených spôsoboch zlepšuje ich chovanie pokiaľ ide o prenos hmôt plynu do roztoku.

V prevádzke sa kvapalina ako voda alebo splašky vedie potrubím 12, do ktorého sa v bublinách vháňa plyn, napríklad kyslík. Na tieto bubliny sa pôsobí, napríklad ultrazvukom, aby sa spôsobilo ich rozdelenie. Toto rozdelenie je najlepšie zrejmé na obr. 4 až 7, ktoré znázorňujú jednu bublinu prechádzajúcu pásmom, v ktorom je vo styku s ultrazvukom. Počiatočná velká bublina 30. je podrobená akustickej kavitácii, to znamená, rastu a zmršteniu bubliny spôsobenému energiou privedenou ultrazvukom. Za určitých okolností je známe, že sa bubliny rozpínajú na dvojnásobok pôvodnej velkosti a potom sa zmršťujú na polovicu svojej pôvodnej velkosti. Toto zmrštenie môže byt dosiahnuté použitím ultrazvuku na vybudenie bublín 30 mimo ich rezonančný kmitočet, čím sa spôsobí nerovnomerné zrýchlenie steny bubliny, takže stena vytvorí lúč kvapaliny, ktorý cestuje naprieč bublinou a rozdelí ju na množstvo menších bublín počas zmrštenia, ako je znázornené na obr. 6 a 7. Je jasné, že čím nepravidelnejši je tvar bubliny, tým ľahšie je zaistené rozdelenie, ako každá nepravidelná časť javí prirodzený sklon oddeliť sa od susednej časti. Bolo zistené, že pozdĺžne bubliny sa íahšie rozdeľujú ako dokonale guľovité bubliny. Tlak zvuku vyvíjaný na bubliny by mohol byt až 110 dB, keby bol počutelný. Vyvíjače turbulencie alebo vírenia napomáhajú vytváraniu ďalšieho zmiešavania zmesi kvapaliny a plynu spôsobom odborníkom popisovaný zásobníka. podstatne školeným v odbore Nakoniec sa zmes

Zmenšenie velkosti obmedzuje vztlak, dobre známym, ktorý tu nebude kvapaliny a plynu vstrekuje do bublín na rozsah tu uvedený a teda schopnost bublín vystúpit k povrchu pred úplným rozpustením.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zariadenie na rozpúšťanie plynov v kvapalinách, vyznačujúce sa tým, že obsahuje potrubie pre prietok kvapaliny, prívodnú rúrku plynu na zavádzanie bublín plynu do kvapaliny vedenej potrubím, generátor ultrazvuku a smerovací mechanizmus na smerovanie ultrazvuku do kvapaliny pretekajúcej potrubím na vyvíjanie zvukom indukovanej kavitácie bublín v ňom pre štiepenie bublín na menšie bubliny lahšie rozpúšťané v kvapaline.
2. 2. Zariadenie podlá nároku 1, vyznačujúce sa tým, že generátor ultrazvuku má usporiadanie na vyvíjanie ultrazvuku na alebo nad kmitočtom rezonancie bublín rozpúšťaného plynu.
3. 3. Zariadenie podlá nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že generátor ultrazvuku obsahuje piezoelektrický mechanizmus.
4. 4. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúce sa tým, že smerovací mechanizmus ultrazvuku obsahuje zvukový lievik na zaostrenie ultrazvuku v určenom mieste v potrubí.
5. 5. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúce sa tým, že smerovací mechanizmus je usporiadaný na smerovanie ultrazvuku v podstate naprieč potrubím a naprieč dráhou pretekajúcej kvapaliny.
6. 6. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúce sa tým, že smerovací mechanizmus je usporiadaný na smerovanie ultrazvuku v podstate pozdĺž potrubím a v smere alebo proti smeru prúdu pretekajúcej kvapaliny.
7. 7. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6, vyznačujúce sa tým, že obsahuje generátor turbulencie v kvapaline pretekajúcej potrubím na dalšie uľahčenie rozpúšťania plynu v kvapaline.
8. 8. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúce sa tým, že generátor ultrazvuku je umiestnený na zavádzanie ultrazvuku do potrubia v mieste pred, za alebo priamo súmiestne s prívodnou rúrkou plynu vzhladom k smeru prúdu kvapaliny.
9. 9. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 8, vyznačujúce sa tým, že obsahuje difuzér pre difúziu zmesi plynu a kvapaliny na ulahčenie ďalšieho rozpúšťania bublín plynu v kvapaline.
10. 10. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, vyznačujúce sa tým, že obsahuje Venturiho trubicu usporiadanú v potrubí pre prietok kvapaliny.
11. 11. Zariadenie podlá ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 10, vyznačujúce sa tým, že obsahuje ejektor alebo trysku na zavádzanie zmesi plynu a kvapaliny z potrubia do velkého objemu kvapaliny pre ďalšie rozpustenie plynu v kvapaline.