WO2013039429A2 - Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления - Google Patents

Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2013039429A2
WO2013039429A2 PCT/RU2012/000748 RU2012000748W WO2013039429A2 WO 2013039429 A2 WO2013039429 A2 WO 2013039429A2 RU 2012000748 W RU2012000748 W RU 2012000748W WO 2013039429 A2 WO2013039429 A2 WO 2013039429A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
acoustic vibrations
resonators
vibrations
cavitation
Prior art date
Application number
PCT/RU2012/000748
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013039429A3 (ru
Inventor
Дмитрий Михайлович ПАСТУХОВ
Вячеслав Павлович ТЕРЕХИН
Михаил Евгеньевич ПАСТУХОВ
Original Assignee
Pastukhov Dmitri Mikhailovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pastukhov Dmitri Mikhailovich filed Critical Pastukhov Dmitri Mikhailovich
Publication of WO2013039429A2 publication Critical patent/WO2013039429A2/ru
Publication of WO2013039429A3 publication Critical patent/WO2013039429A3/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B01F31/81—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations by vibrations generated inside a mixing device not coming from an external drive, e.g. by the flow of material causing a knife to vibrate or by vibrating nozzles

Definitions

  • the claimed group of inventions relates to the field of hydrodynamics, in particular, to methods and equipment for acoustic treatment of a heterogeneous fluid, for example, liquid, pulp, suspension, paste, and its activation, and can be used in many sectors of the economy, mainly in the construction industry hydrometallurgical, chemical, fuel, cement industries.
  • a heterogeneous fluid for example, liquid, pulp, suspension, paste, and its activation
  • CTS chemical-technological systems
  • Each of the intensification methods is based on specific physicochemical effects.
  • the method of intensification of CTP due to discrete-pulse energy input is based on the beneficial use of physical effects that occur in vapor-liquid media with a rapid change in external pressure.
  • the implementation of this method involves the existence or creation of a large number of bubbles uniformly distributed in the liquid phase. With a sharp increase in pressure in the system, each bubble contracts and then collapses, releasing a high-pressure pulse in the form of a spherical shock wave, or, if a rigid
  • Intense microcurrents arise between the bubbles with high instantaneous values of the local velocity, acceleration, and pressure.
  • Cavitation in a liquid is understood to mean the formation of cavities or bubbles filled with steam and gas with a local decrease in pressure in the liquid to a saturated vapor pressure.
  • the ratio of gas and vapor content in the cavity can be different (theoretically from zero to unity). Depending on the concentration of steam or gas in the cavity, they are called steam or gas.
  • a cavitation cavity filled with steam and gas in various sources is called a cavity, bubble, bubble, sphere, etc.
  • Acoustic cavitation is an effective means of concentrating the energy of a low-density sound wave into a high energy density associated with pulsations and collapse of cavitation bubbles.
  • the general picture of the formation of a cavitation bubble is as follows. In the rarefaction phase of an acoustic wave in a liquid, a gap forms in the form of a cavity, which is filled with saturated vapor of a given liquid. In the compression phase, under the influence of increased pressure and surface tension forces, the cavity collapses, and the vapor condenses at the interface. Dissolved in liquid gas, which is then subjected to strong adiabatic compression.
  • Collapse, collapse, annihilation, collapse, etc. 95 denote one phenomenon - a decrease in the radius of the bubble R to a minimum Rmin or a decrease in the radius of the cavity, its deformation and decay into several bubbles.
  • cavitation or supercavitation in which, when a body flows around the body, a single cavity is formed - a cavity containing, as a rule, gases and vapors.
  • the mechanism of flow around a body with a cavity formed behind it can be represented as follows: particles of a liquid under the influence of a rapidly moving body are forced to "part", i.e. acquire radial velocities directed from the axis of the body to the periphery. The resulting fluid movement corresponds to an expanding
  • Ra is the pressure of the flow at infinity
  • p is the density of the fluid
  • Pk is the pressure in the cavity.
  • the amplitude of the reflected wave (such waves are called the wave trace) has zero values in the coordinates
  • n 0, 1, 2 ... any integer
  • ⁇ is the wavelength in a given medium
  • liquids dissipate acoustic power with a given average value of the bulk density, which causes cavitation in it in the form of at least one stationary cavitation region, while the bulk density of the potential energy of the resulting cavitation is distributed over the reactor volume with
  • 155 standard deviation from the average value is not greater than 0.862 of this average value (see RF patent for invention N ° 2228217 "Method for cavitation treatment of liquid media and the reactor for its implementation", filing date 05/21/2003, published 05/10/2004, .).
  • a known method of producing cavitation including the creation of two hydrodynamic regimes in a fluid, the first one providing cavitation by accelerating the fluid to a speed at which the static pressure in it is equal to the saturated vapor pressure, and the second, which ensures the braking of the cavitating fluid by
  • a known method of exposure to cavitation energy on a fluid flow in which a fluid with a speed providing a given processing time is passed through a cavitation reactor, where a standing half-wave, which excites
  • the closest technical solution to the claimed method is a method of processing a heterogeneous fluid, including
  • each jet has a plane-parallel shape with hydrodynamic pulsations excited in it, while in the treatment zone each obstacle plate is placed opposite each of the formed
  • oscillation is generated by leakage of a fluid formed by nozzles with a three-fold reduction in width onto a flexible plate.
  • the oscillations of the plate arise when pulsations coincide, breaking off the vortices from the nozzle edge and the natural frequency of the plate.
  • the prior art device which is used to create artificial cavitation in liquid media to intensify various physico-chemical processes, containing a housing with inlet and outlet openings, forming a working chamber,
  • a rotor and a stator are installed on the drive shaft, consisting of alternating disks, the first rotor disk having radial blades, the front part of which is made in the form of a wedge, the rear part is in the form of a parallelepiped, the second rotor disk has radial slots, the third rotor disk is made
  • stator disks installed between the rotor disks have radial slots (see RF patent for the invention N ° 2166987 “Cavitation apparatus”, filing date 01/10/2002, publication date 05/20/2001).
  • an acoustic activation generator containing a housing in which a guiding apparatus and resonating elements are installed, the cantilever part of which is facing the guiding apparatus, the resonating elements are made in the form of rods with an asymmetric 260 wedge-shaped sharpening with the formation of larger and smaller faces on the cantilever end, and the guiding apparatus contains nozzles with outlet openings, the rods being located opposite the nozzle outlet openings (see RF Patent for Utility Model N ° 99086 " Acoustic Activation Generator ”, submission date 06/15/2010 p. 265 published 10/11/2010).
  • a disadvantage of the known device is the low efficiency of processing a fluid, for example, dispersion and homogenization of suspensions, due to the impossibility of creating intensive hydrodynamic processes, including a significant zone of 270 cavitation.
  • frequency-setting devices mainly rods.
  • frequency-setting devices resonators
  • subject to wear are not directly emitters and therefore are not subject to abrasive wear.
  • the technical result, to which the claimed group of inventions is directed, is to increase efficiency excitation and generation of fluid vibrations, expansion of the cavitation zone, as well as obtaining stable abrasive media in time, including dispersions, suspensions, emulsions, suitable for long-term storage without deterioration of the properties obtained during processing due to the use of a fluid as an acoustic oscillator .
  • harmonic acoustic vibrations with the formation of a cavitation zone are excited by the movement of the fluid relative to flexible obstacles equipped with cavitators mounted on mechanical resonators or made in the form of convex towards the incident flow of the ends of the resonators, while the flow of flexible obstacles around the fluid occurs in the developed cavitation mode flow with the formation of a pulsating cavitation zone (cavity), the surface of which serves as a
  • the distance between the surfaces of the caverns that are the signal sources is a multiple of ⁇ / 4, where ⁇ is the wavelength in the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular 325 medium.
  • ⁇ is the wavelength in the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular 325 medium.
  • the acoustic properties of the medium depend on many factors (temperature, amount of dissolved gases, amount of dissolved and undissolved impurities, pressure, previous processing, etc.).
  • the velocity, and accordingly the wavelength in the medium is not constant and 330 is chosen for practical reasons.
  • the more accurate the selected value of ⁇ with respect to ⁇ of the medium being processed the higher the efficiency of the device.
  • the optimal 335 distance between the rods should be a multiple of ⁇ 4, but no less than ⁇ / 2, and between reflectors a multiple of ⁇ / 2.
  • the wedge-shaped end of the plate can be made only on one side and, accordingly, a cavity forms on the plate only on one side, and the distance between the 340 plates should be a multiple of ⁇ / 4.
  • Reflectors can be made in the form of a separate structural element, and can be the walls of the housing of the device in which the inventive method is carried out.
  • the reflector should be a hard surface 345 onto which a sound wave falls at an angle and practically without loss reflected from it. If reflectors are made in the form of flat plates located with a larger surface parallel to each other and, accordingly, perpendicular to the direction of propagation of the sound wave,
  • the walls of the housing in the cross section which is, for example, a circle, you can get not only two-row, but also a multi-row arrangement of resonators, which ensures the compactness of the device.
  • 360 should be located as close as possible to the antinodes of pressure or velocity of the resulting standing wave, which, in turn, are located at distances that are multiples of Y along the wave propagation path, both from each other and from the reflectors.
  • a device for exciting acoustic vibrations in a fluid comprising a housing in which a guide apparatus comprising nozzles with outlet openings and
  • the housing is made of at least two flat or curved plates, performing 375 function of reflectors, mechanical resonators are made with the end convex towards the incoming flow or equipped with cavitators mounted at their ends, while the distance from the reflection points located on the reflectors to the mechanical resonators and the distance between the mechanical resonators is a multiple of
  • ⁇ is the wavelength of the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular medium.
  • a device for exciting acoustic vibrations in a fluid comprising a housing in which a guide apparatus comprising nozzles with outlet openings and
  • the housing includes at least one flat or curved plate and located opposite it
  • a device for exciting acoustic vibrations in a fluid according to the third embodiment comprising mechanical resonators in the form of rods with asymmetric wedge-shaped sharpening with the formation of larger and smaller faces, and a housing, according to the invention, a housing
  • ⁇ 405 between the walls of the tank and the resonators is a multiple of ⁇ /, where ⁇ is the wavelength of the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular medium.
  • Such cavities have characteristic high-frequency pulsations caused by pulsation processes created by vortex bundles formed at the end of the cavity, as well as by the compressibility of the gases and vapors contained in it.
  • the amplitude of such cavities have characteristic high-frequency pulsations caused by pulsation processes created by vortex bundles formed at the end of the cavity, as well as by the compressibility of the gases and vapors contained in it. The amplitude of such
  • the air supply to the cavitator region can be carried out in several ways. In particular, in
  • the gas phase in the case of the formation of a high-speed flow using a nozzle and, for example, a pump, the gas phase is supplied directly to the slurry pipeline, and due to the increased pressure and turbulence the gas phase is mixed.
  • the supply of the gas mixture can be performed using installed
  • the “resonators - cavity” system generates broadband radiation.
  • cavitators use, for example, a disk, or a body convex in the direction of movement of the fluid flow, including wedge-shaped, spherical, parabolic, elliptical.
  • packages of mechanical resonators flexible obstacles
  • cavitators installed from each other at a distance multiple of ⁇ / 4, where ⁇ is the wavelength of the fluid, 490 corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a certain environment.
  • a reflector is placed at such a distance from the extreme resonator, which is either a separate structural element or the walls of the device body and 495 directing the acoustic vibrations either towards the mechanical resonators that formed it or towards adjacent resonators.
  • a large number of synchronously operating resonators are concentrated in a small volume, and, accordingly, a high 500 process intensity can be achieved in this volume.
  • the selected distance between flexible obstacles a multiple of ⁇ / 4, is the most optimal in terms of resonance.
  • the reflector which, as a rule, is used as the device’s body
  • a solid 505 case for example, a pipe
  • a case consisting of two side walls or with one side wall acoustic “gun”.
  • These designs allow you to increase the volume of sound, which is most effective when processing large volumes of fluid.
  • devices without reflectors are known, and in this 510 case, the process of entering the self-oscillation mode is slowed down.
  • FIG. 1 is a general view of the device according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a general view of the device according to the second embodiment
  • FIG. 3 is a top view of the device according to the third embodiment.
  • a device for acoustic excitation of vibrations in a fluid consists of a housing comprising at least two flat or curved plates 1 and 2, a plate 3 containing nozzles with outlet openings, and a guide apparatus 4, in which in the form of a package console installed 520 mechanical resonators 5.1 - 5.p, made in the form of rods, for example, with asymmetric wedge-shaped sharpening, or with a convex end towards the incoming flow, or equipped with cavitators (not shown in the drawing).
  • the walls of the body serve as reflectors.
  • each of the resonators 5.1 - 5.p is located
  • the inlet pipe 6 which connects the pumping device, for example, a pump, with the inlet chamber 7, is equipped with a pipe 8 to which a pressure sensor or pressure gauge is mounted (not shown in the drawing). Distance from reflection points,
  • ⁇ is the wavelength of the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular medium.
  • This device is installed in a container (in the drawing).
  • the device operates as follows.
  • the pressure in the slurry line is pumped up and the fluid passes into the inlet chamber 7, while the guide nozzles
  • apparatus 4 is formed to create developed cavitation stream jets that flow around mechanical resonators 5.1 - 5.p, for example, equipped with cavitators.
  • a cavitation zone is formed - a cavity in which high-frequency pulsations arise, due to the pulsation processes of the formed vortex bundles at the end
  • the oscillation amplitude of the resonators at a given frequency increases, which, in turn, leads to an increase in the amplitude of the cavity vibrations at a given frequency.
  • the inventive device according to the first embodiment can be used for processing a fluid containing aggressive ingredients with a ratio of liquid and solid phases equal to not less than
  • the inventive device according to the second embodiment (Fig. 2) is similar to 560 of the construction of the first.
  • the difference is the execution of the housing, namely, at least one of the walls is made in the form of a flat or curved plate 1, opposite which there are racks 9.1 and 9.2
  • Operation of this device is similar to operation 565 described above for the first embodiment device except that L acoustic energy is focused in the direction of uprights 9.1 and 9.2.
  • the advantage of this design is the ability to concentrate acoustic energy in one direction and, thus, 570 allows processing not only the fluid, but also the materials placed in it, for example, metal parts.
  • the inventive device for exciting acoustic vibrations in a fluid consists of a housing 10, the function of which is performed by the tank itself, in which the motor shaft 1 1 575 is located, having an elongated shape.
  • Mechanical holders 12.1 - 12.p are mounted on the shaft 11 with mechanical resonators 5.1 - 5.p placed on them provided with convex cavitators 13.1 - 13.n, while the distance from the walls of the tank to the resonators and between the resonators is a multiple of ⁇ 4.
  • a housing 10 the function of which is performed by the tank itself, in which the motor shaft 1 1 575 is located, having an elongated shape.
  • Mechanical holders 12.1 - 12.p are mounted on the shaft 11 with mechanical resonators 5.1 - 5.p placed on them provided with convex cavitators 13.1 - 13.n, while the distance from the walls of the tank to the resonators and between the resonators is a multiple of ⁇ 4.
  • This design eliminates the need for a pumping device to disperse the fluid. In addition, during the process, additional mixing occurs, not only due to rotation
  • Periodic pulses modulate the vibrations of each jet, providing feedback and undamped acoustic vibrations. The result is an increase in the amplitude of the excited
  • a protective layer is formed that protects the surface of mechanical resonators, pumping equipment and pipelines from corrosion.
  • pH value of the medium equal to 1.0 -12.0, with the content of an aggressive agent.

Abstract

Заявляемая группа изобретений относится к области гидродинамики, в частности, к способам и оборудованию акустического воздействия на обрабатываемую неоднородную текучую среду, например, жидкость, пульпу, суспензию, пасту, и ее активацию, и может быть использовано во многих отраслях народного хозяйства, преимущественно в строительной, гидрометаллургической, химической, топливной, цементной промышленности. Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений является повышение эффективности возбуждения и генерирования колебаний текучей среды, расширение кавитационной зоны, а также получение стабильных во времени абразивных сред, в том числе дисперсий, суспензий, эмульсий, пригодных для длительного хранения без ухудшения полученных в процессе обработки свойств за счет использования в качестве излучателя акустических колебаний текучую среду.

Description

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ЕГО
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ОПИСАНИЕ
Заявляемая группа изобретений относится к области гидродинамики, в частности, к способам и оборудованию акустического воздействия на обрабатываемую неоднородную текучую среду, например, жидкость, пульпу, суспензию, пасту, и ее активацию, и может быть использовано во многих отраслях народного хозяйства, преимущественно в строительной, гидрометаллургической, химической, топливной, цементной промышленности.
В настоящее время одним из перспективных методов интенсификации химико-технологических процессов и повышения эффективности технологического оборудования признаются методы, основанные на импульсных энергетических воздействиях с применением различных физико-химических эффектов, использующих внутренние и внешние источники энергии.
Различают два вида задач интенсификации:
1) совершенствование существующих химико-технологических систем (ХТС);
2) разработка принципиально новых ХТС.
Под химико-технологической системой понимают химико- технологические процессы, реализуемые в технологическом оборудовании.
Каждый из методов интенсификации основывается на определенных физико-химических эффектах.
Необходимо отметить, что три метода интенсификации предполагают какие- либо периодические процессы, протекающие в ХТС. Наложение колебаний возможно как на элементы технологического оборудования (ТО), так и на обрабатываемую среду. Колебания элементов технологического оборудования часто называют вибрациями, колебания в обрабатываемой среде - акустическими колебаниями или волнами.
Метод интенсификации ХТП за счет дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) базируется на полезном использовании физических эффектов, возникающих в парожидкостных средах при быстром изменении внешнего давления. Реализация этого метода предполагает существование или создание большого количества пузырьков, равномерно распределенных в жидкой фазе. При резком повышении давления в системе каждый пузырек сжимается, а потом схлопывается, выделяя импульс высокого давления в форме сферической ударной волны, или, если вблизи находится жесткая
поверхность, образует кумулятивную микроструйку в направлении этой поверхности. В процессе схлопывания пузырька возможна его высокочастотная осцилляция с излучением в окружающую жидкость акустической энергии в ультразвуковом диапазоне. При быстром сбросе внешнего давления возникает эффект взрывного вскипания, сопровождающийся излучением импульса давления большой амплитуды и турбулизацией прилегающих слоев жидкости. Как следствие, в пространстве
между пузырьками возникают интенсивные микротечения с высокими мгновенными значениями локальной скорости, ускорения и давления.
Множество динамически развивающихся пузырьков можно рассматривать как своего рода микротрансформаторы, преобразующие аккумулированную в системе потенциальную энергию в кинетическую энергию жидкости, распределенную дискретно в пространстве и во времени (см., например, М.А. Промтов, Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. Учебное пособие, Москва, «Издательство машиностроение- 1», 2004).
Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми.
Понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно также при кипении или вакуумировании жидкости. Но эти процессы распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая имеет ограниченную область. Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость акустических колебаний.
Кавитационная каверна, заполненная паром и газом в различных источниках, называется полостью, пузырем, пузырьком, сферой и т.п.
Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию.
90 В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000 °С). После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве.
Захлопывание, схлопывание, аннигиляция, коллапс и т.п. 95 обозначают одно явление - уменьшение радиуса пузырька R до минимального Rmin или уменьшение радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков.
Чтобы в жидкости образовалась полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстояние не менее удвоенной длины 100 промежутка между ними.
Одной из форм кавитационных течений является развитая кавитация или суперкавитация, при которой при обтекании тела за телом образуется единая полость - каверна, содержащая, как правило, газы и пары.
105 Механизм обтекания тела с образующейся за ним каверной можно представить следующим образом: частицы жидкости под воздействием быстро движущегося тела вынуждены «расступиться», т.е. приобретают радиальные скорости, направленные от оси тела к периферии. Возникшему движению жидкости соответствует расширяющийся
ПО участок каверны. Эффекты, возникающие при обтекании профилей в текучей средах, хорошо изучены с точки зрения защиты деталей судов от кавитационной (газовой) эрозии и использование режима суперкавитации для улучшения ходовых характеристик судов (см. Пирсол И. под ред. Л.А. Эпштейна., М.. «Мир», 1975, 95 с. с илл.).
1 15 Кавитационное обтекание профилей с использованием полученных эффектов в технологических процессах изучено слабо. В качестве основного параметра, характеризующего кавитацию, принимают число кавитации σ = ^-^ (1), где
2
Ра, - давление потока на бесконечности;
Voo - скорость потока на бесконечности;
р - плотность текучей среды;
Рк - давление в каверне.
Из источников информации известно, что амплитуда, отраженной от абсолютно твердой поверхности при наклонном падении звука волны, равна амплитуде падающей волне, а угол отражения равен углу падения.
(см. Лепедин Л.Ф. акустика: учеб. Пособие для втузов.- М.: Высш.
Школа, 1978.- 448 с, ил.) При этом амплитуда отраженной волны (такие волны называются волновым следом) имеет нулевые значения в координатах
λ
х„ = (2п + 1)- (2), где
4 cos©
хп - координата точки по оси перпендикулярной поверхности отражения;
n=0, 1 ,2... любое целое число;
λ - длина волны в данной среде;
Θ - угол падения/отражения;
Максимумы амплитуд наблюдаются в точках
*п = 2"-^— (3).
4 cos©
Таким образом, максимумы, так же как и минимумы амплитуды
λ
повторяются каждые по оси перпендикулярной поверхности
2 cos©
падения. При уменьшении угла падения до нуля, места нулевых амплитуд обращаются в узлы, а места максимумов - в пучности стоячей волны. При углах падения отличных от нуля образуется «псевдостоячая» волна. Если с помощью нескольких отражений от
145 жесткой поверхности замкнуть траекторию распространения звука получим стоячую волну.
Из уровня техники известен способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления, при котором жидкость с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в
150 жидкости рассеивают акустическую мощность с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение в ней кавитации в виде, как минимум, одной стационарной кавитационной области, при этом объемную плотность потенциальной энергии возникающей кавитации распределяют по объему реактора со
155 среднеквадратичным отклонением от среднего значения не большим, чем 0,862 этого среднего значения (см. патент РФ на изобретение N° 2228217 «Способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления», дата подачи 21.05.2003 г., опубликовано 10.05.2004 г.).
160 Известен способ получения кавитации, включающий создание в жидкости двух гидродинамических режимов, первого, обеспечивающего кавитацию путем разгона жидкости до скорости, при которой статическое давление в ней равно давлению насыщенного пара, и второго, обеспечивающего торможение кавитирующей жидкости путем
165 повышения статического давления до величины прекращения в ней кавитации, последующий отвод жидкости, при этом из жидкости создают парные торообразные потоки, в каждом из которых жидкость одновременно вращают вокруг центральной и кольцевой осей, при этом вращением жидкости вокруг центральной оси создают в каждом
170 торообразном потоке во внутренней области первый гидродинамический режим, а на периферии - второй гидродинамический режим, а вращением жидкости в торообразных потоках вкруг их кольцевых осей перемещают жидкость с периферии во внутреннюю область и обратно (см. патент РФ на изобретение N° 2235223 «Способ получения
175 кавитации», дата подачи 21.11.2002 г., опубликовано 27.08.2004 г.).
Известен способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости, при котором жидкость с обеспечивающей заданное время обработки скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости устанавливают стоячую полуволну, которая возбуждает в
180 жидкости кавитацию с соответствующим средним значением эрозионного коэффициента, на периметре плоского сечения потока жидкости, содержащего максимальное значение эрозионного коэффициента, значения которого устанавливают не меньшими, чем его среднее значение в кавитационном реакторе (см. патент РФ на
185 изобретение N° 2226428 «Способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости и кавитационный реактор для его осуществления», дата подачи 17.04.2003 г., опубликовано 10.04.2004 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ обработки неоднородной текучей среды, включающий
190 формирование потока текучей среды в виде струи путем уменьшения его поперечного сечения, введение под действием избыточного давления сформированной струи в зону обработки, содержащую гибкое консольно закрепленное, размещенное напротив сформированной струи препятствие ее движению в виде пакета параллельных упругих пластин
195 для осуществления столкновения струи с их свободными концами, возбуждение в текучей среде гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны, воздействующей на ингредиенты текучей среды и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, при этом поток разбивают на N плоских струй, при формировании
200 каждой из которых троекратно изменяют форму и площадь ее поперечного сечения так, что на выходе в зону обработки каждая струя имеет плоскопараллельную форму с возбужденными в ней гидродинамическими пульсациям, при этом в зоне обработки каждую пластину препятствия размещают напротив каждой из сформированных
205 струй для их столкновения с последующим формированием в каждой точке текучей среды параметрических резонансных колебаний, создания параметрических резонансных колебаний, систем одно гибкое препятствие - текучая среда - другое гибкое препятствие, одновременного увеличения амплитуды колебаний каждого гибкого
210 препятствия в условиях резонанса с параметрическими резонансными колебаниями, что расширяет кавитационную зону на всю зону обработки (см. патент РФ на изобретение N° 2177824 «Способ обработки неоднородной текучей среды и устройство для его осуществления», дата подачи 02.04.2001 г., опубликовано 10.01.2002 г.).
215 В известном способе генерация колебаний производится путем натекания текучей среды, сформированной соплами с трехкратным уменьшением ширины на гибкую пластину. В этом случае колебания пластины возникают при совпадении пульсаций, срывающихся с кромки сопла вихрей и собственной частотой пластины. Недостатки известного
220 способа обусловлены низким КПД, геометрической зависимостью условий возбуждения колебаний, невозможностью использования высоких скоростей потока для обработки сред из-за быстрого износа пластин, служащих для возбуждения колебаний. При этом способ ограничен в своем применении и может быть осуществлен только в
225 чистых средах, так как в абразивной среде происходит быстрый износ пластинчатого излучателя колебаний, нарушаются условия генерации акустических колебаний и излучатель в этом случае перестает выполнять свою работу.
Кроме того, при больших амплитудах, при которых в текучей 230 среде возникает развитая кавитация, падает акустический импеданс пластинчатых излучателей и также происходит их кавитационный износ. Следовательно, в данном способе невозможно достижение высоких интенсивностей излучения, а значит его применение в химико- технологических системах, связанных с диспергацией материалов,
235 обработке вязких и абразивных сред и т.п., невозможно.
Из уровня техники известно устройство, служащее для создания искусственной кавитации в жидких средах с целью интенсификации различных физико-химических процессов, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, образующий рабочую камеру, в
240 которой установлены на приводном валу ротор и статор, состоящие из чередующихся между собой дисков, при этом первый диск ротора имеет радиальные лопасти, передняя по ходу вращения часть которых выполнена в виде клина, задняя - в виде параллелепипеда, второй диск ротора имеет радиальные прорези, третий диск ротора выполнен
245 перфорированным, диски статора, установленные между дисками ротора, имеют радиальные прорези (см. патент РФ на изобретение N° 2166987 «Кавитационный аппарат», дата подачи 10.01.200 г., дата публикации 20.05.2001 г.).
Известно устройство, содержащее источники гармонических
250 колебаний в виде резонаторов одинаковой частоты, внутри которых колебания жидкости образуют упругие стоячие волны, при этом фазы резонаторов сдвинуты на опережение по мере их удаления от центра реактора (см. патент РФ на изобретение Ν° 2286205 «Кавитационный реактор», дата подачи 16.02.2005 г., опубликовано 27.10.2006 г.).
255 Наиболее близким к заявляемому устройству является акустический активационный генератор, содержащий корпус, в котором установлены направляющий аппарат и резонирующие элементы, консольная часть которых обращена к направляющему аппарату, причем резонирующие элементы выполнены в виде стержней с ассиметричной 260 клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней на консольном торце, а направляющий аппарат содержит сопла с выходными отверстиями, при этом стержни расположены напротив выходных отверстий сопел (см. патент РФ на полезную модель N° 99086 «Акустический активационный генератор», дата подачи 15.06.2010 г.. 265 опубликовано 10.11.2010 г.).
Недостатком известного устройства является низкая эффективность обработки текучей среды, например, диспергирования и гомогенизации суспензий, из-за невозможности создания интенсивных гидродинамических процессов, в том числе значительной зоны 270 кавитации.
Предлагаемая к защите группа изобретений, способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления, устраняет вышеперечисленные недостатки прототипа за счет использования в качестве излучателя акустических
275 колебаний непосредственно саму текучую среду, а в заявляемых устройствах для осуществления способа применяют в качестве частотно задающих устройств, преимущественно, стержни. При этом частотно задающие устройства (резонаторы) не являются напрямую излучателями и поэтому не подвергаются абразивному износу. Износу подвергается
280 лишь передняя часть выпуклого в сторону набегающего потока конца кавитатора, установленного или совмещенного с резонатором. В результате сроки эксплуатации оборудования при абразивном износе значительно увеличиваются, а также устраняется геометрическая зависимость от расстояния от сопла до гибкого препятствия для
285 возбуждения колебаний, как указано в прототипе.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений является повышение эффективности возбуждения и генерирования колебаний текучей среды, расширение кавитационной зоны, а также получение стабильных во времени абразивных сред, в том числе дисперсий, суспензий, эмульсий, пригодных для длительного хранения без ухудшения полученных в процессе обработки свойств за счет использования в качестве излучателя акустических колебаний текучую среду.
В заявляемом способе возбуждения акустических колебаний в текучей среде, включающем формирование потока текучей среды и введение ее в зону обработки, содержащую отражатели и гибкие препятствия в виде механических резонаторов, формирование в каждой точке текучей среды параметрических резонансных колебаний, одновременное увеличение амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с параметрическими резонансными колебаниями, возбуждение в текучей среде гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны, воздействующей на ингредиенты текучей среды, и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, согласно изобретению возбуждение гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны осуществляют за счет движения текучей среды относительно гибких препятствий, снабженных кавитаторами, установленными на механических резонаторах или выполненных в виде выпуклых в сторону набегающего потока концов резонаторов, при этом обтекание гибких препятствий текучей средой происходит в режиме развитого кавитационного течения с образованием пульсирующей кавитационной зоны (каверны), поверхность которой служит источником акустических колебаний, а условия резонанса определенного обертона гибких препятствий создаются за счет их размещения относительно отражателей и друг друга на расстоянии, определяемом в зависимости от акустических свойств текучей среды; Гибкие препятствия размещают относительно друг друга и относительно отражателей на расстоянии, кратном λ/4, а отражатели отстоят друг от друга на расстоянии кратном λ/2, где λ - длина волны в 320 текучей, среде соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
При этом расстояние между поверхностями каверн, являющимися источниками сигналов кратно λ/4, где λ - длина волны в текучей среде, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной 325 среде. Надо понимать, что акустические свойства среды зависят от многих факторов (температуры, количества растворенных газов, количества растворенных и не растворенных примесей, давления, предшествующей обработке и т.п.). Вследствие этого скорость, а соответственно и длина волны в среде величина не постоянная и 330 выбирается из практических соображений. При этом, чем точнее выбранное значение λ по отношению к λ обрабатываемой среды, тем выше КПД устройства.
У стержня с выпуклым в сторону набегающего потока концом каверна образуется с обеих сторон и в связи с этим оптимальное 335 расстояние между стержнями должно быть кратно λ 4, но не менее λ/2, а между отражателями - кратно λ/2.
У пластины из-за ее малой толщины клиновидный конец можно выполнить только с одной стороны и, соответственно, у пластины каверна образуется только с одной стороны, при этом расстояние между 340 пластинами должно быть кратно λ/4.
Отражатели могут быть выполнены как в виде отдельного конструктивного элемента, так и являться стенками корпуса устройства, в котором осуществляется заявляемый способ.
В любом случае отражатель должен представлять собой жесткую 345 поверхность, на которую под углом падает звуковая волна и практически без потерь отражается от нее. В случае выполнения отражателей в виде плоских пластин, расположенных большей поверхностью параллельно друг другу и, соответственно, перпендикулярно направлению распространения звуковой волны,
350 обеспечивается работа однорядного расположения резонаторов или одиночного резонатора. При использовании в качестве отражателей стенок корпуса в сечении представляющего собой, например, круг, можно получить не только двухрядное, но и многорядное расположение резонаторов, благодаря чему обеспечивается компактность устройства.
355 Например, если звуковая волна отражается под углом 45°, то она будет циркулировать по траектории прямоугольника.
Для обеспечения условий акустического резонанса для устройств с отражателями, расположенными с обеих сторон, расстояние между ними должно быть кратным У 2. При этом гибкие препятствия должны
360 располагаться максимально близко к пучностям давления или скорости образовавшейся стоячей волны, которые, в свою очередь, располагаются на расстояниях, кратных У по траектории распространения волны, как друг от друга, так и от отражателей.
Для облегчения создания режима развитого кавитационного
365 течения осуществляют дополнительную подачу воздушной или газовой смеси в образовавшуюся кавитационную зону.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по первому варианту, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и
370 расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней с в виде стержней с ассиметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, согласно изобретению установлено в емкость, корпус изготовлен, по меньшей мере, из двух плоских или изогнутых пластин, выполняющих 375 функцию отражателей, механические резонаторы выполнены с выпуклым в сторону набегающего потока концом или снабжены установленными на их концах кавитаторами, при этом расстояние от точек отражения, расположенных на отражателях, до механических резонаторов и расстояние между механическими резонаторами кратно
380 λ 4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по второму варианту, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и
385 расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней с ассиметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, согласно изобретению установлено в емкость, корпус включает в себя, по меньшей мере, одну плоскую или изогнутую пластину и расположенные напротив нее
390 стойки, механические резонаторы выполнены с выпуклым в сторону набегающего потока концом или снабжены установленными на их концах кавитаторами, при этом расстояние от точек отражения до резонаторов и расстояние между резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний
395 в определенной среде.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по третьему варианту, включающее механические резонаторы в виде стержней с ассиметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, и корпус, согласно изобретению корпус
400 представляет собой емкость, в которой механические резонаторы, выполненные с выпуклым в сторону набегающего потока концом или оснащенные установленными на их концах кавитаторами, закреплены на держателях, смонтированных на валу электродвигателя, размещенного внутри емкости, при этом расстояние между резонаторами, а также
405 между стенками емкости и резонаторами кратно λ/ , где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Осуществление заявляемого способа подтверждается примерами конкретного выполнения.
410 С помощью технических средств создают условия для натекания текучей среды на кавитатор, при этом натекание может быть осуществлено либо за счет разгона текучей среды, либо за счет движения самого кавитатора в этой среде. В результате происходит обтекание установленных на гибких препятствиях кавитаторов, при этом
415 препятствия совмещены или установлены на механическом резонаторе.
При значении числа кавитации δ < 0,3 начинается переход в режим развитого кавитационного течения, при котором за кавитатором образуется единая полость— кавитационная зона (каверна), заполненная парами и газами, при этом значительно снижается коэффициент
420 сопротивления кавитатора и повышается коэффициент подъемной силы.
У таких каверн возникают характерные высокочастотные пульсации, обусловленные пульсационными процессами, создаваемыми образующимися в конце каверны вихревыми жгутами, а также сжимаемостью газов и паров, находящихся в ней. Амплитуда таких
425 пульсаций растет от точки отрыва к пульсирующему хвосту каверны, причем эти пульсации, а также подъемная сила возбуждают колебания механического резонатора на своей собственной частоте и обертонах и создают акустические колебания в текучей среде. Благодаря созданным для определенного обертона условиям резонанса, в частности, обратной
430 связи возникающей за счет отраженной волны от отражателя, расположенного на расстоянии, кратном λ/4, где λ - длина волны, соответствующая частоте акустических колебаний в данной текучей среде от механических резонаторов, амплитуда колебаний резонатора на данной частоте увеличивается, что, в свою очередь способствует
435 увеличению амплитуды колебания каверны на данной частоте.
Из приведенной формулы (1) следует, что для возникновения развитой кавитации необходимо либо увеличить скорость потока, либо повысить давление в каверне. Оба варианта работоспособны в равной мере. Однако с точки зрения КПД второй вариант, а именно, повышение
440 давления, более целесообразен, т.к. в случае дополнительного введения в область кавитатора или перед ним газовой фазы - создание искусственной кавитации, развитая кавитация начинает проявляться уже при скорости 5 - 7 м/с. Причем подача воздуха в область кавитатора может быть осуществлена несколькими способами. В частности, в
445 случае формирования скоростного потока с помощью сопла и, например, насоса, подача газовой фазы происходит непосредственно в пульпопровод, при этом за счет созданного повышенного давления и турбулентности происходит перемешивание газовой фазы. Кроме того, подача газовой смеси может быть выполнена с помощью установленных
450 перед входом дросселя или эжектора. Возможно применение барботажа, или подача газовой (воздушной) смеси по выполненным внутри резонатора и кавитатора полостям.
Механические резонаторы, с которыми или совмещают гибкие препятствия, или устанавливают на них кавитаторы, используют в
455 качестве частотно определяющего устройства, усиливающего резонансные свойства и способствующего генерации акустических колебаний текучей среды на заданной частоте. В случае отсутствия отражателей система «резонаторы - каверна» формирует широкополосное излучение.
460 В качестве кавитаторов используют, например, диск, или выпуклое в сторону движения потока текучей среды тело, в том числе, клинообразной, сферической, параболической, эллиптической формы.
Помимо этого, для осуществления заявляемого способа используют механические резонаторы, обладающие собственными 465 частотами колебаний в поперечном направлении, например, стержень, пластину с консольным или концевым креплением.
Для упрощения конструкции устройства, применяемого для осуществления заявляемого способа, механические резонаторы и кавитатор совмещают.
470 При формировании потока текучей среды с использованием сопла, происходит преобразование давления (напора) текучей среды перед собой в скорость после себя.
В этом случае скорость высчитывают по следующей формуле
Figure imgf000019_0001
475 φ - коэффициент скорости;
Н - падение напора на сопле.
Примером формирования потока текучей среды за счет движения самого кавитатора и резонатора относительно потока служит обтекание потоком закрепленных на лопастях винта резонатора и кавитатора. При 480 вращении винта происходят те же процессы, что и при натекании текучей струи на неподвижный кавитатор. В этом случае скорость потока высчитывают по формуле
Figure imgf000019_0002
г - расстояние от кавитатора да центра вала вращения, 485 со - частота вращения вала.
Для увеличения интенсивности акустических колебаний применяют пакеты механических резонаторов (гибких препятствий), снабженных кавитаторами и установленных друг от друга на расстоянии, кратном λ/4, где λ — длина волны текучей среды, 490 соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде. Для концентрирования энергии акустических колебаний и увеличения обратной связи, на таком расстоянии от крайнего резонатора размещают отражатель, представляющий собой или отдельный конструктивный элемент, или стенки корпуса устройства и 495 направляющий акустические колебания либо в сторону сформировавших его механических резонаторов, либо в сторону соседних резонаторов. В результате в малом объеме сконцентрировано большое количество синхронно работающих резонаторов, и, соответственно, в данном объеме возможно достижение высокой 500 интенсивности протекания процесса.
Выбранное расстояние между гибкими препятствиями, кратное λ/4, является наиболее оптимальным с точки зрения резонанса.
По конструкции отражателя, в качестве которого, как правило, используют корпус устройства, различают конструкции с цельным 505 корпусом, например, труба, с корпусом, состоящим из двух боковых стенок или с одним боковой стенкой (акустическая «пушка»). Данные конструкции позволяют увеличить объем озвучивания, что является наиболее эффективным при обработке больших объемов текучей среды. Кроме того, известны устройства без отражателей, причем в данном 510 случае процесс вхождения в режим автоколебаний замедляется.
Заявляемая группа изобретения поясняется чертежами, где
Фиг. 1 - общий вид устройства по первому варианту;
Фиг. 2 - общий вид устройства по второму варианту;
Фиг. 3— вид сверху устройства по третьему варианту.
515 Устройство для акустического возбуждения колебаний в текучей среде по первому варианту (фиг. 1) состоит из корпуса, включающего, по меньшей мере, две плоские или изогнутые пластины 1 и 2, пластину 3, содержащую сопла с выходными отверстиями, и направляющий аппарат 4, в котором в виде пакета консольно установлены 520 механические резонаторы 5.1 - 5.п, выполненные в виде стержней, например, с ассиметричной клиновидной заточкой, или с выпуклым в сторону набегающего потока концом, или снабженных кавитаторами (на чертеже не показаны). Стенки корпуса выполняют функцию отражателей. При этом каждый из резонаторов 5.1 - 5.п расположен
525 напротив сформированной соответствующим соплом струи текучей среды. Для контроля давления входной патрубок 6, связывающий нагнетающее устройство, например, насос, с входной камерой 7, снабжен патрубком 8, к которому монтируют датчик давления или манометр (на чертеже не показаны). Расстояние от точек отражения,
530 расположенных на отражателях до механических резонаторов и расстояние между резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.
Данное устройство устанавливают в емкость (на чертеже не
535 показана), за счет чего увеличивается объем озвучивания, а соответственно и эффективность обработки текучей среды.
Устройство работает следующим образом.
С помощью насоса нагнетают давление в пульпопроводе и текучая среда проходит во входную камеру 7, при этом сопла направляющего
540 аппарата 4 формируют для создания развитой кавитации струи потока, которые обтекают механические резонаторы 5.1 - 5.п, например, снабженные кавитаторами. Образуется кавитационная зона - каверна, у которой возникают высокочастотные пульсации, обусловленные пульсационными процессами образующихся вихревых жгутов в конце
545 каверны и сжимаемостью находящихся в ней газов и паров. Эти пульсации, а также подъемная сила возбуждают колебания механических резонаторов 5.1 - 5.п на собственной частоте и обертонах, а также создают акустические колебания в самой текучей среде. За счет созданных условий резонанса для определенного обертона, а именно, 550 обратной связи создаваемой за счет отраженной волны от стенок корпуса, расположенных на расстоянии, кратном λ/4 от резонаторов.
Амплитуда колебаний резонаторов на данной частоте увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению амплитуды колебания каверны на данной частоте.
555 Заявляемое устройство по первому варианту может быть применено для обработки текучей среды, содержащей агрессивные ингредиенты, с соотношением жидкой и твердой фаз, равным не менее
1 :3, значением рН от 1,0 до 13,0.
Заявляемое устройство по второму варианту (фиг. 2) аналогично 560 конструкции первого. Отличием является выполнение корпуса, а именно, по меньшей мере, одна из стенок выполнена в виде плоской или изогнутой пластины 1, напротив которой расположены стойки 9.1 и 9.2
(поз. 9.2 на чертеже не видна).
Работа данного устройства осуществляется аналогично 565 вышеописанной работе устройства по первому варианту, за исключением тогоЛ что акустическая энергия фокусируется в направлении стоек 9.1 и 9.2.
Преимуществом данной конструкции является возможность концентрировать акустическую энергию в одном направлении и, таким 570 образом, позволяет обрабатывать не только текучую среду, но и помещенные в нее материалы, например, металлические детали.
Заявляемое устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по третьему варианту (фиг. 3) состоит из корпуса 10, функцию которого выполняет сама емкость, в которой размещен вал 1 1 575 двигателя, имеющий удлиненную форму. На валу 11 закрепляют механические держатели 12.1 - 12.п с размещенными на них механическими резонаторами 5.1 - 5.п снабженными выпуклыми кавитаторами 13.1 - 13.n, при этом расстояние от стенок емкости до резонаторов и между резонаторами кратно λ 4. В случае выполнения
580 корпуса с вогнутой или выпуклой поверхностью его стенки будут являться отражателями. В противном случае функцию отражателей выполняет установленная перпендикулярно держателям 13.1 - 13.п на расстоянии, кратном λ/4, от них пластина (на чертеже не показана).
Работа данного устройства осуществляется следующим образом.
585 При вращении вала двигателя и резонаторов, снабженных кавитаторами, образуется каверна, у которой возникают высокочастотные пульсации, которые совместно с подъемной силой возбуждают колебания механических резонаторов на собственной частоте и обертонах, а также создают колебания в текучей среде. За счет
590 созданных условий резонанса для определенного обертона, а именно, обратной связи, образуемой благодаря отраженной от стенок емкости или пластины-отражателя, амплитуда колебаний резонатора на данной частоте увеличивается, что, в свою очередь приводит к увеличению амплитуды самой каверны на данной частоте. Для снижения скорости
595 текучей среды, при которой возникают акустические колебания, в емкость с помощью барботажа подают газовую или воздушную смесь.
Данная конструкция позволяет не применять нагнетающее устройство для разгона текучей среды. Кроме того, во время процесса происходит дополнительное перемешивание не только за счет вращения
600 поперечно смонтированных держателей, но и с помощью установленных для этих целей насадок, в том числе, лопаток, импеллеров и т.п.
Срывающиеся с поверхностей механических резонаторов завихрения текучей среды и собственные колебания резонаторов возбуждают в текучей среде гармонические акустические колебания в
605 виде периодических импульсов давления. При этом происходит интенсивное перемешивание текучей среды во всем объеме обработки. Периодические импульсы модулируют колебания каждой струи, обеспечивая обратную связь и незатухающие акустические колебания. Результатом является увеличение амплитуды возбужденных
610 гармонических акустических колебаний в условиях резонанса с колебаниями механических резонаторов. Происходит образование расширенной по зоне обработки кавитационной области, которая воздействует на ингредиенты среды. Под воздействием акустических и ультразвуковых волн в текучей среде возникают избыточные давления и
615 напряжения растяжения, вследствие чего на границе раздела жидкой и твердой фаз имеют место явления окислительно-восстановительного действия, благодаря которым получают стойкую эмульсию и суспензию с размерами частиц достаточно высокой дисперсности. Кроме того, повышается образование и растворение коллоидных частиц, в том числе
620 гидроокиси железа. Образуется защитный слой, предохраняющий поверхность механических резонаторов, насосного оборудования и трубопроводов от коррозии.
Заявляемая группа изобретений может быть использована как на подготовительных, так и на основных операциях технологических
625 процессов диспергирования, измельчения твердых частиц в жидкой фазе суспензий с одновременной ее акустической активацией и достижении высокой степени однородности многофазных жидких, жидко-твердых или жидко-твердо-газовых систем, а также для эмульгирования жидких примесей при соотношении жидкой и твердой фазы, равном не менее 1 :3
630 значением рН среды, равным 1,0 -12,0, с содержанием агрессивного агента.

Claims

ФОРМУЛА
1. Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде, включающий формирование потока текучей среды и введение ее в зону обработки, содержащую отражатели и гибкие препятствия в виде механических резонаторов, формирование в каждой точке текучей среды параметрических резонансных колебаний, одновременное увеличение амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с параметрическими резонансными колебаниями, возбуждение в текучей среде гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны, воздействующей на ингредиенты текучей среды, и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, отличающийся тем, что возбуждение гармонических акустических колебаний с образованием кавитационной зоны осуществляют за счет движения текучей среды относительно гибких препятствий, снабженных кавитаторами, установленными на механических резонаторах или выполненных в виде выпуклых в сторону набегающего потока концов резонаторов, при этом обтекание гибких препятствий текучей средой происходит в режиме развитого кавитационного течения с образованием пульсирующей кавитационной зоны (каверны), поверхность которой служит источником акустических колебаний, а условия резонанса определенного обертона гибких препятствий создаются за счет их размещения относительно отражателей и друг друга на расстоянии, определяемом в зависимости от акустических свойств текучей среды;
2. Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде по п. 1, отличающийся тем, что гибкие препятствия размещают относительно друг от друга и относительно отражателей на расстоянии, кратном λ/4, а отражатели отстоят друг от друга на расстоянии, кратном λ/2, где λ - длина волны в текучей, среде соответствующая частоте акустических колебаний в текучей среде;
3. Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде по п. 1, отличающийся тем, что для создания режима развитого кавитационного течения осуществляют дополнительную подачу воздушной или газовой смеси в образовавшуюся кавитационную зону;
4. Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней с в виде стержней с ассиметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, отличающееся тем, что установлено в емкость, корпус изготовлен, по меньшей мере, из двух плоских или изогнутых пластин, выполняющих функцию отражателей, механические резонаторы выполнены с выпуклым в сторону набегающего потока концом или снабжены установленными на их концах кавитаторами, при этом расстояние от точек отражения, расположенных на отражателях, до механических резонаторов и расстояние между механическими резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в текучей среде;
5. Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по п. 4, отличающееся тем, что механические резонаторы выполнены в виде пластин;
6. Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней с ассиметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, отличающееся тем, что установлено в емкость, корпус включает в себя, по меньшей мере, одну плоскую или изогнутую пластину и расположенные напротив нее стойки, механические резонаторы выполнены с выпуклым в сторону набегающего потока концом или снабжены кавитаторами, при этом расстояние от точек отражения до резонаторов и расстояние между резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в текучей среде;
7. Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по п. 6, отличающееся тем, что механические резонаторы выполнены в виде пластин;
8. Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде, включающее механические резонаторы в виде стержней с ассиметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней, отличающееся тем, что корпус представляет собой емкость, в которой механические резонаторы, выполненные с выпуклым в сторону набегающего потока концом или оснащенные кавитаторами, закреплены на держателях, смонтированных на валу электродвигателя, размещенного внутри емкости, при этом расстояние между резонаторами, а также между стенками емкости и резонаторами кратно λ/4, где λ— длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в текучей среде;
9. Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по п. 8, отличающееся тем, что механические резонаторы выполнены в виде пластин.
PCT/RU2012/000748 2011-09-15 2012-09-11 Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления WO2013039429A2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011138018/05A RU2476261C1 (ru) 2011-09-15 2011-09-15 Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления
RU2011138018 2011-09-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013039429A2 true WO2013039429A2 (ru) 2013-03-21
WO2013039429A3 WO2013039429A3 (ru) 2013-05-16

Family

ID=47883907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2012/000748 WO2013039429A2 (ru) 2011-09-15 2012-09-11 Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2476261C1 (ru)
WO (1) WO2013039429A2 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2708050C1 (ru) * 2019-03-12 2019-12-03 Общество с ограниченной ответственностью "Акопласт" Установка для смешивания и диспергирования различных компонентов в жидких средах

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1082143A (en) * 1964-09-02 1967-09-06 Ultrasonics Ltd Improvements relating to apparatus for the mechanical production of acoustic vibrations for use in dispersion or like processes
RU2166987C1 (ru) * 2000-01-10 2001-05-20 ООО "Альфа-Компани" Кавитационный аппарат
RU2177824C1 (ru) * 2001-04-02 2002-01-10 Наборщиков Иван Петрович Способ обработки неоднородной текучей среды и устройство для его осуществления
US6361747B1 (en) * 1998-05-26 2002-03-26 Sonertec Inc. Reactor with acoustic cavitation
RU2228217C1 (ru) * 2003-05-21 2004-05-10 Шестаков Сергей Дмитриевич Способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления
RU99086U1 (ru) * 2010-06-15 2010-11-10 Вячеслав Павлович Терехин Акустический активационный генератор

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1082143A (en) * 1964-09-02 1967-09-06 Ultrasonics Ltd Improvements relating to apparatus for the mechanical production of acoustic vibrations for use in dispersion or like processes
US6361747B1 (en) * 1998-05-26 2002-03-26 Sonertec Inc. Reactor with acoustic cavitation
RU2166987C1 (ru) * 2000-01-10 2001-05-20 ООО "Альфа-Компани" Кавитационный аппарат
RU2177824C1 (ru) * 2001-04-02 2002-01-10 Наборщиков Иван Петрович Способ обработки неоднородной текучей среды и устройство для его осуществления
RU2228217C1 (ru) * 2003-05-21 2004-05-10 Шестаков Сергей Дмитриевич Способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления
RU99086U1 (ru) * 2010-06-15 2010-11-10 Вячеслав Павлович Терехин Акустический активационный генератор

Also Published As

Publication number Publication date
RU2476261C1 (ru) 2013-02-27
WO2013039429A3 (ru) 2013-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9011698B2 (en) Method and devices for sonicating liquids with low-frequency high energy ultrasound
RU2325959C2 (ru) Гидродинамический генератор акустических колебаний ультразвукового диапазона и способ создания акустических колебаний ультразвукового диапазона
US9932246B2 (en) Pulse cavitation processor and method of using same
Vainshtein et al. The effect of centreline particle concentration in a wave tube
Lei et al. Transducer-plane streaming patterns in thin-layer acoustofluidic devices
JP2014198327A (ja) 微細気泡製造方法及び製造装置
EP2195122B1 (en) High capacity ultrasonic reactor system
RU2476261C1 (ru) Способ возбуждения акустических колебаний в текучей среде и устройство (варианты) для его осуществления
JP2009022941A (ja) 液状物質を処理する噴気式超音波照射装置及びシステム
CN108160601B (zh) 一种超声波清洗方法
RU2357791C1 (ru) Роторный гидродинамический кавитационный аппарат
RU2392046C2 (ru) Устройство деструкции углеводородов и его применение
RU141803U1 (ru) Аппарат ультразвуковой проточной обработки
US10233097B2 (en) Liquid treatment apparatus with ring vortex processor and method of using same
Hasaounia et al. Physical effects and associated energy release
RU2646270C1 (ru) Способ инициирования кавитационно-гидродинамической микродезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси
RU2177824C1 (ru) Способ обработки неоднородной текучей среды и устройство для его осуществления
CN107649063B (zh) 一种纳米材料超声共振乳化混配装置
RU99086U1 (ru) Акустический активационный генератор
RU2434674C1 (ru) Устройство для физико-химической обработки жидкой среды
RU74317U1 (ru) Гидродинамический диспергатор и резонансная пластина для него
RU2503896C2 (ru) Устройство для нагрева жидкости
RU2442641C1 (ru) Устройство для физико-химической обработки жидкой среды
RU2442640C1 (ru) Роторный аппарат
RU85838U1 (ru) Эжектор с газоструйными ультразвуковыми генераторами

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 02/09/2014)

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12832266

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12832266

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2