RU2476261C1 - Method of exciting acoustic vibrations in fluid medium and apparatus (versions) for realising said method - Google Patents
Method of exciting acoustic vibrations in fluid medium and apparatus (versions) for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2476261C1 RU2476261C1 RU2011138018/05A RU2011138018A RU2476261C1 RU 2476261 C1 RU2476261 C1 RU 2476261C1 RU 2011138018/05 A RU2011138018/05 A RU 2011138018/05A RU 2011138018 A RU2011138018 A RU 2011138018A RU 2476261 C1 RU2476261 C1 RU 2476261C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fluid
- vibrations
- resonators
- acoustic vibrations
- fluid medium
- Prior art date
Links
Images
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
Abstract
Description
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 использована во многих отраслях народного хозяйства, преимущественно в строительной, гидрометаллургической, химической, топливной, цементной промышленности.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 construction, hydrometallurgical , chemical, fuel, cement industry.
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.Currently, one of the promising methods of intensifying chemical-technological processes and increasing the efficiency of technological equipment is recognized as methods based on pulsed energy influences using various physicochemical effects using internal and external energy sources.
Различают два вида задач интенсификации:There are two types of intensification tasks:
1) совершенствование существующих химико-технологических систем (ХТС);1) improvement of existing chemical-technological systems (CTS);
2) разработка принципиально новых ХТС.2) development of fundamentally new CTS.
Под химико-технологической системой понимают химико-технологические процессы, реализуемые в технологическом оборудовании. Каждый из методов интенсификации основывается на определенных физико-химических эффектах.Under the chemical-technological system understand the chemical-technological processes implemented in the technological equipment. Each of the intensification methods is based on specific physicochemical effects.
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.It should be noted that the three methods of intensification suggest any periodic processes occurring in the CTS. The imposition of oscillations is possible both on the elements of technological equipment (TO), and on the medium being processed. Fluctuations in the elements of technological equipment are often called vibrations, vibrations in the processed medium - acoustic vibrations or waves.
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.The method of intensification of CTP due to discrete-pulse energy input (DIVE) 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 hard surface is near, forms a cumulative microjet in the direction of this surface. During the collapse of a bubble, its high-frequency oscillation is possible with the emission of acoustic energy into the surrounding liquid in the ultrasonic range. With a rapid release of external pressure, an explosive boiling effect occurs, accompanied by the emission of a large-amplitude pressure pulse and turbulence of the adjacent fluid layers. As a result, intense microflows arise in the space between the bubbles with high instantaneous values of local velocity, acceleration, and pressure.
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. М., Издательство машиностроение-1, 2004).Many dynamically developing bubbles can be considered as a kind of microtransformers that convert the potential energy accumulated in the system into the kinetic energy of a liquid, distributed discretely in space and time (see, for example, M.A. Prromtov. Machines and apparatuses with pulsed energy effects on processed substances. Textbook. M., Publishing house engineering-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.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.
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.Lowering the pressure in the liquid to the pressure of saturated vapor is also possible when boiling or evacuating the liquid. But these processes spread throughout the entire volume of the liquid, in contrast to cavitation, which has a limited area. There are hydrodynamic cavitation, which arises due to local decrease in pressure in the fluid flow during flow around a solid body, and acoustic cavitation, which arises when acoustic vibrations pass through a fluid.
Кавитационная каверна, заполненная паром и газом в различных источниках, называется полостью, пузырем, пузырьком, сферой и т.п.A cavitation cavity filled with steam and gas in various sources is called a cavity, bubble, bubble, sphere, etc.
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.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. The gas dissolved in the liquid diffuses into it through the walls of the cavity, which is then subjected to strong adiabatic compression.
В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000°C). После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве.At the time of collapse, the gas pressure and temperature reach significant values (according to some reports, up to 100 MPa and 1000 ° C). After the cavity collapses, a spherical shock wave propagates quickly in the surrounding fluid.
Захлопывание, схлопывание, аннигиляция, коллапс и т.п. обозначают одно явление - уменьшение радиуса пузырька R до минимального Rmin или уменьшение радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков.Collapse, collapse, annihilation, collapse, etc. 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.
Чтобы в жидкости образовалась полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстояние не менее удвоенной длины промежутка между ними.In order for a cavity to form in the liquid, it is necessary to push its neighboring molecules to a distance of at least twice the gap between them.
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.One of the forms of cavitation flows is developed cavitation or supercavitation, in which, when a body flows around the body, a single cavity-cavity is formed, which usually contains gases and vapors.
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 участок каверны. Эффекты, возникающие при обтекании профилей в текучей средах, хорошо изучены с точки зрения защиты деталей судов от кавитационной (газовой) эрозии и использования режима суперкавитации для улучшения ходовых характеристик судов (см. Пирсол И. под ред. Л.А.Эпштейна. М., Мир, 1975, 95 с. с ил.).The mechanism of flow around a body with a cavity formed behind it can be represented as follows: particles of a fluid under the influence of a fast 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 section of the cavity. The effects that occur during the flow around profiles in fluids are well studied in terms of protecting ship parts from cavitation (gas) erosion and using the supercavitation mode to improve the running characteristics of ships (see I. Pirsol, edited by L.A. Epstein. M. , Mir, 1975, 95 pp. With ill.).
Кавитационное обтекание профилей с использованием полученных эффектов в технологических процессах изучено слабо.Cavitational flow around profiles using the obtained effects in technological processes is poorly studied.
В качестве основного параметра, характеризующего кавитацию, принимают число кавитацииThe cavitation number is taken as the main parameter characterizing cavitation.
где Р∞ - давление потока на бесконечности;where P ∞ is the pressure of the flow at infinity;
V∞ - скорость потока на бесконечности;V ∞ is the flow velocity at infinity;
ρ - плотность текучей среды;ρ is the density of the fluid;
PK - давление в каверне.P K - pressure in the cavity.
Из источников информации известно, что амплитуда отраженной от абсолютно твердой поверхности при наклонном падении звука волны равна амплитуде падающей волны, 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 координатахFrom sources of information it is known that the amplitude of a wave reflected from an absolutely solid surface with an inclined sound incidence is equal to the amplitude of the incident wave, and the reflection angle is equal to the angle of incidence (see Lepedin L.F. Acoustics: textbook for technical colleges. - M .: Higher. school, 1978. - 448 pp., ill.) In this case, the amplitude of the reflected wave (such waves are called the wave trace) has zero values in the coordinates
где xn - координата точки по оси перпендикулярной поверхности отражения;where x n is the coordinate of the point along the axis of the perpendicular reflection surface;
n=0, 1, 2 … любое целое число;n = 0, 1, 2 ... any integer;
λ - длина волны в данной среде;λ is the wavelength in a given medium;
Θ - угол падения/отражения.Θ - angle of incidence / reflection.
Максимумы амплитуд наблюдаются в точкахAmplitude maxima are observed at points
Таким образом, максимумы так же, как и минимумы амплитуды повторяются каждые 
Из уровня техники известны способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления, при котором жидкость с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в 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 среднеквадратичным отклонением от среднего значения, не большим, чем 0,862 этого среднего значения (см. патент РФ на изобретение №2228217, «Способ кавитационной обработки жидких сред и реактор для его осуществления», дата подачи 21.05.2003 г., опубл. 10.05.2004 г.).The prior art method of cavitation treatment of liquid media and a reactor for its implementation, in which a fluid with a given speed is passed through a cavitation reactor, where the acoustic power is dissipated in the fluid with a given average bulk density, which causes cavitation in it at least , one stationary cavitation region, while the volume density of the potential energy of the resulting cavitation is distributed over the volume of the reactor with a standard deviation from a single value, not greater than 0.862 of this average value (see RF patent for the invention No. 2228217, “Method of cavitation treatment of liquid media and a reactor for its implementation”, filing date 05/21/2003, publ. 05/10/2004) .
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 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 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 №2235223, «Способ получения кавитации», дата подачи 21.11.2002 г., опубл. 27.08.2004 г.).A known method of producing cavitation, including the creation of two hydrodynamic regimes in a liquid, the first one providing cavitation by accelerating the liquid 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 liquid by increasing the static pressure to the termination value in it cavitation, subsequent drainage of the fluid, in this case, paired toroidal flows are created from the fluid, in each of which the fluid is simultaneously rotated around the central and ring axes, in this case, by rotating the fluid around the central axis, a first hydrodynamic regime is created in each toroidal flow in the inner region, and a second hydrodynamic regime on the periphery, and fluid is moved from the periphery to the inner region and vice versa by rotating the fluid in toroidal flows around their annular axes ( see RF patent for invention No. 2235223, “Method for the production of cavitation”,
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 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 изобретение №2226428, «Способ воздействия энергией кавитации на поток жидкости и кавитационный реактор для его осуществления», дата подачи 17.04.2003 г., опубл. 10.04.2004 г.).A known method of exposure to cavitation energy on a fluid flow, in which a fluid with a speed providing a specified processing time is passed through a cavitation reactor, where a standing half-wave is installed in the fluid, which excites cavitation in the fluid with the corresponding average value of the erosion coefficient, on the perimeter of a flat section of the fluid flow containing the maximum value of the erosion coefficient, the values of which are set not less than its average value in a cavitation reactor (s . RF patent №2226428, «Method cavitation impact energy on the liquid flow and cavitation reactor for its implementation", filing date 17.04.2003, publ. 10.04.2004 g).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ обработки неоднородной текучей среды, включающий 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 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 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 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 препятствия в условиях резонанса с параметрическими резонансными колебаниями, что расширяет кавитационную зону на всю зону обработки (см. патент РФ на изобретение №2177824, «Способ обработки неоднородной текучей среды и устройство для его осуществления», дата подачи 02.04.2001 г., опубл. 10.01.2002 г.).The closest technical solution to the claimed method is a method for processing an inhomogeneous fluid, including forming a fluid stream in the form of a jet by reducing its cross section, introducing under the influence of excess pressure the formed jet into the processing zone, containing a flexible cantilever mounted opposite it movement in the form of a packet of parallel elastic plates for the collision of the jet with their free ends, excitation in fluid de harmonic acoustic vibrations with the formation of a cavitation zone acting on the ingredients of the fluid and the withdrawal of the treated fluid from the treatment zone, while the flow is divided into N flat jets, each of which three times changes its shape and cross-sectional area so that the output in the treatment zone, each jet has a plane-parallel shape with hydrodynamic pulsations excited in it, while in the processing zone each obstacle plate is placed opposite each of the jets for their collision, followed by the formation of parametric resonant vibrations at each point of the fluid, the creation of parametric resonant vibrations, systems, one flexible obstacle — fluid — another flexible obstacle, while increasing the amplitude of oscillations of each flexible obstacle under resonance conditions with parametric resonant vibrations, which extends the cavitation zone to the entire treatment zone (see RF patent for the invention No. 2177824, “A method for processing an inhomogeneous fluid and a device for its implementation”, filing date 02.04.2001, publ. January 10, 2002).
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, с собственной частотой пластины. Недостатки известного 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 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.In the known method, the generation of oscillations is carried out by leakage of a fluid formed by nozzles with a three-fold reduction in width on a flexible plate. In this case, the oscillations of the plate arise when the pulsations that break off the vortex nozzle edge coincide with the natural frequency of the plate. The disadvantages of this method are due to low efficiency, the geometric dependence of the conditions for excitation of vibrations, the inability to use high flow rates for processing media due to the rapid wear of the plates used to excite vibrations. Moreover, the method is limited in its application and can be carried out only in clean environments, since in an abrasive medium there is a rapid wear of the plate oscillator, the conditions for generating acoustic vibrations are violated, and the radiator in this case ceases to do its job.
Кроме того, при больших амплитудах, при которых в текучей 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, обработке вязких и абразивных сред и т.п., невозможно.In addition, at large amplitudes at which developed cavitation develops in the fluid, the acoustic impedance of the plate emitters decreases and cavitation wear also occurs. Therefore, in this method it is impossible to achieve high radiation intensities, and therefore its use in chemical-technological systems associated with the dispersion of materials, processing viscous and abrasive media, etc., is impossible.
Из уровня техники известно устройство, служащее для создания искусственной кавитации в жидких средах с целью интенсификации различных физико-химических процессов, содержащее корпус с входным и выходным отверстиями, образующий рабочую камеру, в 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 перфорированным, диски статора, установленные между дисками ротора, имеют радиальные прорези (см. патент РФ на изобретение №2166987, «Кавитационный аппарат», дата подачи 10.01.2000 г., опубл. 20.05.2001 г.).The prior art device, which is used to create artificial cavitation in liquid media to intensify various physico-chemical processes, comprising a housing with inlet and outlet openings, forming a working chamber in which a rotor and a stator are installed on the drive shaft, consisting of alternating between themselves disks, while the first rotor disk has 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, Tille rotor disc is perforated, the stator discs arranged between the rotor discs have radial slits (see. Russian patent №2166987, «cavitation apparatus", date of filing 10.01.2000, publ. 20.05.2001 g).
Известно устройство, содержащее источники гармонических 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 №2286205, «Кавитационный реактор», дата подачи 16.02.2005 г., опубл. 27.10.2006 г.).A device is known that contains sources of harmonic oscillations in the form of resonators of the same frequency, inside which the oscillations of the liquid form elastic standing waves, while the phases of the resonators are advanced in advance as they move away from the center of the reactor (see RF patent for invention No. 2286205, “Cavitation reactor” , filing date 02.16.2005, publ. 10/27/2006).
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 асимметричной 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 №99086, «Акустический активационный генератор», дата подачи 15.06.2010 г., опубл. 10.11.2010 г.).Closest to the claimed device is 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 being made in the form of rods with asymmetric wedge-shaped sharpening with the formation of larger and smaller faces on the cantilever end and the guiding apparatus contains nozzles with outlet openings, while the rods are located opposite the nozzle outlet openings (see RF patent on the field I know the model No. 99086, “Acoustic Activation Generator”, submission date 06/15/2010, publ. 10.11.2010).
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 кавитации.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 cavitation zone.
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 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 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 возбуждения колебаний, как указано в прототипе.The group of inventions proposed for protection (a method for exciting acoustic vibrations in a fluid and a device (options) for its implementation) eliminates the above-mentioned disadvantages of the prototype by using directly the fluid itself as an acoustic oscillator, and in the inventive devices for implementing the method it is used as a frequency master devices, mainly rods. In this case, frequency-setting devices (resonators) are not directly emitters and therefore are not subject to abrasive wear. Only the front part of the end of the cavitator, which is convex towards the incident flow, is installed, which is mounted or combined with the resonator. As a result, the operating life of the equipment during abrasive wear is significantly increased, and the geometric dependence on the distance from the nozzle to the flexible obstacle to excite vibrations is eliminated, as indicated in the prototype.
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 текучей среды.The technical result, which is achieved by the claimed group of inventions, is to increase the efficiency of excitation and generation of fluctuations in the fluid, the 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 during the processing of properties due to the use of acoustic vibrations of a fluid as a radiator.
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.In the inventive method for exciting acoustic vibrations in a fluid, including forming a fluid flow and introducing it into a treatment zone containing reflectors and flexible obstacles in the form of mechanical resonators, generating parametric resonant vibrations at each point of the fluid, simultaneously increasing the vibration amplitude of each flexible obstacle in resonance conditions with parametric resonant vibrations, excitation in a fluid of harmonic acoustic vibrations with the formation of cavitations the ionic zone acting on the ingredients of the fluid, and the withdrawal of the treated fluid from the treatment zone, according to the invention, 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 source of acoustic vibrations, and the resonance conditions of a certain overtone of flexible obstacles are created due to their location relative to the reflectors and each other at a distance determined depending on the acoustic properties of the fluid.
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 текучей среде, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.Flexible obstacles are placed relative to each other and relative to the reflectors at a distance multiple of λ / 4, and the reflectors are separated from each other at a distance multiple of λ / 2, where λ is the wavelength in the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular medium.
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 среде. Надо понимать, что акустические свойства среды зависят от многих факторов (температуры, количества растворенных газов, количества растворенных и нерастворенных примесей, давления, предшествующей обработки и т.п.). Вследствие этого скорость, а соответственно и длина волны в среде - величина непостоянная и выбирается из практических соображений. При этом, чем точнее выбранное значение λ по отношению к λ обрабатываемой среды, тем выше КПД устройства.The distance between the surfaces of the caverns, which are the sources of signals, is a multiple of λ / 4, where λ is the wavelength in the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular medium. It should be understood that the acoustic properties of the medium depend on many factors (temperature, amount of dissolved gases, amount of dissolved and undissolved impurities, pressure, previous treatment, etc.). As a result of this, the velocity, and, accordingly, the wavelength in the medium, is a variable value and is selected from practical considerations. Moreover, the more accurate the selected value of λ with respect to λ of the medium being processed, the higher the efficiency of the device.
У стержня с выпуклым в сторону набегающего потока концом каверна образуется с обеих сторон, и в связи с этим оптимальное расстояние между стержнями должно быть кратно λ/4, но не менее λ/2, а между отражателями - кратно λ/2.For a rod with a convex end towards the incoming flow, a cavity is formed on both sides, and in this regard, the optimal distance between the rods should be a multiple of λ / 4, but no less than λ / 2, and between the reflectors a multiple of 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 пластинами должно быть кратно λ/4.Due to its small thickness, 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 plates must be a multiple of λ / 4.
Отражатели могут быть выполнены как в виде отдельного конструктивного элемента, так и являться стенками корпуса устройства, в котором осуществляется заявляемый способ.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.
В любом случае отражатель должен представлять собой жесткую 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, 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. Например, если звуковая волна отражается под углом 45°, то она будет циркулировать по траектории прямоугольника.In any case, the reflector should be a rigid surface onto which the sound wave falls at an angle and is reflected from it almost without loss. In the case of reflectors in the form of flat plates arranged with a larger surface parallel to each other and, accordingly, perpendicular to the direction of propagation of the sound wave, a single-row arrangement of resonators or a single resonator is ensured. When using the walls of the housing as reflectors, in the section representing, for example, a circle, it is possible to obtain not only two-row, but also a multi-row arrangement of resonators, which ensures the compactness of the device. For example, if a sound wave is reflected at an angle of 45 °, then it will circulate along the path of the rectangle.
Для обеспечения условий акустического резонанса для устройств с отражателями, расположенными с обеих сторон, расстояние между ними должно быть кратным λ/2. При этом гибкие препятствия должны располагаться максимально близко к пучностям давления или скорости образовавшейся стоячей волны, которые, в свою очередь, располагаются на расстояниях, кратных λ/4, по траектории распространения волны, как друг от друга, так и от отражателей.To ensure acoustic resonance conditions for devices with reflectors located on both sides, the distance between them must be a multiple of λ / 2. In this case, flexible obstacles 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 λ / 4 along the wave propagation path, both from each other and from reflectors.
Для облегчения создания режима развитого кавитационного течения осуществляют дополнительную подачу воздушной или газовой смеси в образовавшуюся кавитационную зону.To facilitate the creation of a regime of developed cavitation current, an additional supply of air or gas mixture to the formed cavitation zone is carried out.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по первому варианту, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней в виде стержней с асимметричной 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 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 определенной среде.A device for exciting acoustic vibrations in a fluid according to the first embodiment, comprising a housing in which a guiding apparatus comprising nozzles with outlet openings and mechanical resonators located opposite the nozzle outlet are installed in the form of rods in the form of rods with asymmetric wedge-shaped sharpening with the formation of larger and smaller faces, according to the invention is installed in a container, the housing is made of at least two flat or curved plates that act as reflectors, mechanically e resonators are made with a convex end towards the incident flow or are equipped with cavitators mounted at their ends, 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 λ / 4, where λ is the wavelength of the fluid, corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular environment.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по второму варианту, включающее корпус, в котором установлены содержащий сопла с выходными отверстиями направляющий аппарат и расположенные напротив выходных отверстий сопел механические резонаторы в виде стержней с асимметричной 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 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 в определенной среде.A device for exciting acoustic vibrations in a fluid according to the second embodiment, comprising a housing in which a guiding apparatus comprising nozzles with outlet openings and mechanical resonators located opposite the nozzle outlet openings in the form of rods with asymmetric wedge-shaped sharpening with the formation of larger and smaller faces are installed, according to the invention into the container, the housing includes at least one flat or curved plate and racks located opposite it, mechanical resonant The rods are made with a convex end towards the incident flow or equipped with cavitators mounted at their ends, while the distance from the reflection points to the resonators and the distance between the resonators is a multiple of λ / 4, where λ is the wavelength of the fluid corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a certain medium.
Устройство для возбуждения акустических колебаний в текучей среде по третьему варианту, включающее механические резонаторы в виде стержней с асимметричной клиновидной заточкой с образованием большей и меньшей граней и корпус, согласно изобретению корпус 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 между стенками емкости и резонаторами кратно λ/4, где λ - длина волны текучей среды, соответствующая частоте акустических колебаний в определенной среде.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, the housing is a container in which mechanical resonators are made with convex towards the incoming flow end or equipped with cavitators mounted on their ends, mounted on holders mounted on the shaft of an electric motor located inside the tank, while the distance between the resonators, and also between the resonators and the walls of the container is a multiple λ / 4, where λ - length of fluid wave corresponding to the frequency of acoustic oscillations in a certain environment.
Осуществление заявляемого способа подтверждается примерами конкретного выполнения.The implementation of the proposed method is confirmed by examples of specific performance.
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 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 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 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 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 увеличению амплитуды колебания каверны на данной частоте.Using technical means, conditions are created for leakage of fluid onto the cavitator, while leakage can be achieved either by accelerating the fluid, or by moving the cavitator itself in this medium. As a result, there is a flow around cavitators installed on flexible obstacles, while the obstacles are combined or mounted on a mechanical resonator. When the cavitation number value δ <0.3, the transition to the developed cavitation flow regime begins, in which a single cavity forms behind the cavitator - a cavitation zone (cavity) filled with vapors and gases, while the cavitator resistance coefficient is significantly reduced and the lifting force coefficient increases. 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 pulsations grows from the separation point to the pulsating tail of the cavity, and these pulsations, as well as the lifting force, excite the vibrations of the mechanical resonator at their own frequency and overtones and create acoustic vibrations in the fluid. Due to the resonance conditions created for a particular overtone, in particular feedback arising due to the reflected wave from the reflector located at a distance multiple of λ / 4, where λ is the wavelength corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a given fluid from mechanical resonators, the oscillation amplitude the resonator at a given frequency increases, which, in turn, contributes to an increase in the amplitude of vibration of the cavity at a given frequency.
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 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 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 перед входом дросселя или эжектора. Возможно применение барботажа, или подача газовой (воздушной) смеси по выполненным внутри резонатора и кавитатора полостям.From the above formula (1) it follows that for the occurrence of developed cavitation it is necessary either to increase the flow rate or increase the pressure in the cavity. Both options work equally. However, from the point of view of efficiency, the second option, namely increasing pressure, is more appropriate, because in the case of an additional introduction of the gas phase into the cavitator region or in front of it, the creation of artificial cavitation, developed cavitation begins to appear even at a speed of 5-7 m / s. Moreover, the air supply to the cavitator region can be carried out in several ways. In particular, 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. In addition, the gas mixture can be supplied by means of a throttle or ejector installed in front of the inlet. It is possible to use bubbling, or supply a gas (air) mixture through the cavities made inside the resonator and cavitator.
Механические резонаторы, с которыми или совмещают гибкие препятствия, или устанавливают на них кавитаторы, используют в 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.Mechanical resonators, with which flexible obstacles are either combined, or cavitators are mounted on them, are used as a frequency-determining device that enhances the resonant properties and helps to generate acoustic vibrations of the fluid at a given frequency. In the absence of reflectors, the “resonators - cavity” system generates broadband radiation.
В качестве кавитаторов используют, например, диск, или выпуклое в сторону движения потока текучей среды тело, в том числе клинообразной, сферической, параболической, эллиптической формы.As cavitators, for example, a disk is used, or a body convex in the direction of fluid flow, including a wedge-shaped, spherical, parabolic, elliptical shape.
Помимо этого для осуществления заявляемого способа используют механические резонаторы, обладающие собственными частотами колебаний в поперечном направлении, например стержень, пластину с консольным или концевым креплением.In addition, for the implementation of the proposed method using mechanical resonators with natural frequencies of vibration in the transverse direction, for example a rod, a plate with a cantilever or end mount.
Для упрощения конструкции устройства, применяемого для осуществления заявляемого способа, механические резонаторы и кавитатор совмещают.To simplify the design of the device used to implement the proposed method, mechanical resonators and cavitator are combined.
При формировании потока текучей среды с использованием сопла происходит преобразование давления (напора) текучей среды перед собой в скорость после себя.When a fluid flow is generated using a nozzle, pressure (pressure) of the fluid in front of itself is converted to velocity after itself.
В этом случае скорость высчитывают по следующей формулеIn this case, the speed is calculated by the following formula
где φ - коэффициент скорости;where φ is the velocity coefficient;
Н - падение напора на сопле.H - pressure drop on the nozzle.
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 вращении винта происходят те же процессы, что и при натекании текучей струи на неподвижный кавитатор. В этом случае скорость потока высчитывают по формулеAn example of the formation of a fluid flow due to the movement of the cavitator and the resonator relative to the flow is the flow around a flow of resonator and cavitator fixed to the rotor blades. When the screw rotates, the same processes occur as when a fluid stream flows onto a stationary cavitator. In this case, the flow rate is calculated by the formula
где r - расстояние от кавитатора до центра вала вращения,where r is the distance from the cavitator to the center of the shaft of rotation,
ω - частота вращения вала.ω is the shaft speed.
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, 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 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 интенсивности протекания процесса.To increase the intensity of acoustic vibrations, packages of mechanical resonators (flexible obstacles) are used, equipped with cavitators and installed from each other at a distance multiple of λ / 4, where λ is the wavelength of the fluid corresponding to the frequency of acoustic vibrations in a particular medium. To concentrate the energy of acoustic vibrations and increase feedback at such a distance from the extreme resonator, a reflector is placed, which is either a separate structural element, or the walls of the device body and directs acoustic vibrations either towards the mechanical resonators that formed it, or towards adjacent resonators. As a result, a large number of synchronously operating resonators are concentrated in a small volume, and, accordingly, a high intensity of the process can be achieved in this volume.
Выбранное расстояние между гибкими препятствиями, кратное λ/4, является наиболее оптимальным с точки зрения резонанса.The selected distance between flexible obstacles, a multiple of λ / 4, is the most optimal in terms of resonance.
По конструкции отражателя, в качестве которого, как правило, используют корпус устройства, различают конструкции с цельным корпусом, например труба, с корпусом, состоящим из двух боковых стенок или с одной 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 случае процесс вхождения в режим автоколебаний замедляется.According to the design of the reflector, which, as a rule, is used as the device’s body, there are distinguished designs with a solid body, for example a pipe, with a body 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. In addition, devices without reflectors are known, and in this case, the process of entering the self-oscillation mode is slowed down.
Заявляемая группа изобретения поясняется чертежами, гдеThe claimed group of inventions is illustrated by drawings, where
фиг.1 - общий вид устройства по первому варианту;figure 1 - General view of the device according to the first embodiment;
фиг.2 - общий вид устройства по второму варианту;figure 2 is a General view of the device according to the second embodiment;
фиг.3 - вид сверху устройства по третьему варианту.figure 3 is a top view of the device according to the third embodiment.
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 механические резонаторы 5.1-5.n, выполненные в виде стержней, например с асимметричной 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.n расположен 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, 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.The device for acoustic excitation of vibrations in a fluid according to the first embodiment (Fig. 1) consists of a housing comprising at least two flat or
Данное устройство устанавливают в емкость (на чертеже не показана), за счет чего увеличивается объем озвучивания, а соответственно, и эффективность обработки текучей среды.This device is installed in a container (not shown in the drawing), thereby increasing the volume of scoring, and, accordingly, the efficiency of processing the fluid.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
С помощью насоса нагнетают давление в пульпопроводе, и текучая среда проходит во входную камеру 7, при этом сопла направляющего аппарата 4 формируют для создания развитой кавитации струи потока, которые обтекают механические резонаторы 5.1-5.n, например, снабженные кавитаторами. Образуется кавитационная зона - каверна, у которой возникают высокочастотные пульсации, обусловленные пульсационными процессами образующихся вихревых жгутов в конце каверны и сжимаемостью находящихся в ней газов и паров. Эти пульсации, а также подъемная сила возбуждают колебания механических резонаторов 5.1-5.n на собственной частоте и обертонах, а также создают акустические колебания в самой текучей среде. За счет созданных условий резонанса для определенного обертона, а именно 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.Using a pump, the pressure in the slurry pipeline is pumped, and the fluid passes into the
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.The inventive device according to the first embodiment can be used to process a fluid containing aggressive ingredients, with a ratio of liquid and solid phases equal to at least 1: 3, pH value from 1.0 to 13.0.
Заявляемое устройство по второму варианту (фиг.2) аналогично 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).The inventive device according to the second embodiment (figure 2) is similar to the design of the first. The difference is the execution of the body, 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 (pos. 9.2 is not visible in the drawing).
Работа данного устройства осуществляется аналогично вышеописанной работе устройства по первому варианту, за исключением того, что акустическая энергия фокусируется в направлении стоек 9.1 и 9.2.The operation of this device is carried out similarly to the above operation of the device according to the first embodiment, except that the acoustic energy is focused in the direction of the racks 9.1 and 9.2.
Преимуществом данной конструкции является возможность концентрировать акустическую энергию в одном направлении и, таким образом, позволяет обрабатывать не только текучую среду, но и помещенные в нее материалы, например металлические детали.The advantage of this design is the ability to concentrate acoustic energy in one direction and, thus, allows to process not only the fluid, but also the materials placed in it, such as metal parts.
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 11 двигателя, имеющий удлиненную форму. На валу 11 закрепляют механические держатели 12.1-12.n с размещенными на них механическими резонаторами 5.1-5.n, снабженными выпуклыми кавитаторами 13.1-13.n, при этом расстояние от стенок емкости до резонаторов и между резонаторами кратно λ/4. В случае выполнения корпуса с вогнутой или выпуклой поверхностью его стенки будут являться отражателями. В противном случае функцию отражателей выполняет установленная перпендикулярно держателям 13.1-13.n на расстоянии, кратном λ/4, от них пластина (на чертеже не показана).The inventive device for exciting acoustic vibrations in a fluid according to the third embodiment (figure 3) consists of a
Работа данного устройства осуществляется следующим образом.The operation of this device is as follows.
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 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 текучей среды, при которой возникают акустические колебания, в емкость с помощью барботажа подают газовую или воздушную смесь.When the motor shaft and cavities equipped with cavitators rotate, a cavity is formed in which high-frequency pulsations arise, which, together with the lifting force, excite oscillations of the mechanical resonators at their own frequency and overtones, and also create oscillations in the fluid. Due to the created resonance conditions for a certain overtone, namely the feedback formed due to the capacitance or reflector plate reflected from the walls, the amplitude of the resonator oscillations at a given frequency increases, which, in turn, leads to an increase in the amplitude of the cavity itself at a given frequency. To reduce the speed of the fluid, at which acoustic vibrations occur, a gas or air mixture is supplied to the tank by means of bubbling.
Данная конструкция позволяет не применять нагнетающее устройство для разгона текучей среды. Кроме того, во время процесса происходит дополнительное перемешивание не только за счет вращения поперечно смонтированных держателей, но и с помощью установленных для этих целей насадок, в том числе, лопаток, импеллеров и т.п.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 the rotation of the transverse mounted holders, but also with the help of nozzles installed for these purposes, including blades, impellers, etc.
Срывающиеся с поверхностей механических резонаторов завихрения текучей среды и собственные колебания резонаторов возбуждают в текучей среде гармонические акустические колебания в 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 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 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 гидроокиси железа. Образуется защитный слой, предохраняющий поверхность механических резонаторов, насосного оборудования и трубопроводов от коррозии.The turbulence of the fluid and the natural vibrations of the resonators breaking off the surfaces of the mechanical resonators excite harmonic acoustic vibrations in the form of periodic pressure pulses in the fluid. In this case, intensive mixing of the fluid occurs in the entire processing volume. 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 harmonic acoustic vibrations under resonance conditions with vibrations of mechanical resonators. The formation of a cavitation region expanded over the treatment zone occurs, which affects the ingredients of the medium. Under the influence of acoustic and ultrasonic waves in the fluid, excessive tensile pressures and stresses arise, as a result of which redox phenomena occur at the interface between the liquid and solid phases, due to which a stable emulsion and suspension with particle sizes of sufficiently high dispersion are obtained. In addition, the formation and dissolution of colloidal particles, including iron hydroxide, is increased. A protective layer is formed that protects the surface of mechanical resonators, pumping equipment and pipelines from corrosion.
Заявляемая группа изобретений может быть использована как на подготовительных, так и на основных операциях технологических процессов диспергирования, измельчения твердых частиц в жидкой фазе суспензий с одновременной ее акустической активацией и достижением 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, значением рН среды, равным 1,0-12,0, с содержанием агрессивного агента.The claimed group of inventions can be used both in preparatory and in the main operations of technological processes of dispersion, grinding of solid particles in the liquid phase of suspensions with simultaneous acoustic activation and achieving a high degree of homogeneity of multiphase liquid, liquid-solid or liquid-solid-gas systems, and also for emulsification of liquid impurities with a ratio of liquid and solid phase equal to at least 1: 3, a pH value of the medium equal to 1.0-12.0, with the content of an aggressive agent.
Claims (9)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011138018/05A RU2476261C1 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Method of exciting acoustic vibrations in fluid medium and apparatus (versions) for realising said method |
| PCT/RU2012/000748 WO2013039429A2 (en) | 2011-09-15 | 2012-09-11 | Method for exciting acoustic vibrations in a fluid medium and device for the implementation thereof (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011138018/05A RU2476261C1 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Method of exciting acoustic vibrations in fluid medium and apparatus (versions) for realising said method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2476261C1 true RU2476261C1 (en) | 2013-02-27 |
Family
ID=47883907
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011138018/05A RU2476261C1 (en) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | Method of exciting acoustic vibrations in fluid medium and apparatus (versions) for realising said method |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2476261C1 (en) |
| WO (1) | WO2013039429A2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2708050C1 (en) * | 2019-03-12 | 2019-12-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Акопласт" | Apparatus for mixing and dispersing various components in liquid media |
Citations (6)
| 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 (en) * | 2000-01-10 | 2001-05-20 | ООО "Альфа-Компани" | Cavitation apparatus |
| RU2177824C1 (en) * | 2001-04-02 | 2002-01-10 | Наборщиков Иван Петрович | Method of treatment of nonuniform fluid medium and device for its embodiment |
| US6361747B1 (en) * | 1998-05-26 | 2002-03-26 | Sonertec Inc. | Reactor with acoustic cavitation |
| RU2228217C1 (en) * | 2003-05-21 | 2004-05-10 | Шестаков Сергей Дмитриевич | Method of cavitation treatment of liquid media and reactor for realization of this method |
| RU99086U1 (en) * | 2010-06-15 | 2010-11-10 | Вячеслав Павлович Терехин | ACOUSTIC ACTIVATION GENERATOR |
-
2011
- 2011-09-15 RU RU2011138018/05A patent/RU2476261C1/en not_active IP Right Cessation
-
2012
- 2012-09-11 WO PCT/RU2012/000748 patent/WO2013039429A2/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| 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 (en) * | 2000-01-10 | 2001-05-20 | ООО "Альфа-Компани" | Cavitation apparatus |
| RU2177824C1 (en) * | 2001-04-02 | 2002-01-10 | Наборщиков Иван Петрович | Method of treatment of nonuniform fluid medium and device for its embodiment |
| RU2228217C1 (en) * | 2003-05-21 | 2004-05-10 | Шестаков Сергей Дмитриевич | Method of cavitation treatment of liquid media and reactor for realization of this method |
| RU99086U1 (en) * | 2010-06-15 | 2010-11-10 | Вячеслав Павлович Терехин | ACOUSTIC ACTIVATION GENERATOR |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2708050C1 (en) * | 2019-03-12 | 2019-12-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Акопласт" | Apparatus for mixing and dispersing various components in liquid media |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013039429A2 (en) | 2013-03-21 |
| WO2013039429A3 (en) | 2013-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9011698B2 (en) | Method and devices for sonicating liquids with low-frequency high energy ultrasound | |
| US8651230B2 (en) | High capacity ultrasonic reactor system | |
| RU2325959C2 (en) | Hydrodynamic generator of ultrasonic acoustic vibrations and method of its generating | |
| US9932246B2 (en) | Pulse cavitation processor and method of using same | |
| JP2014198327A (en) | Method and apparatus for producing fine bubble | |
| RU2476261C1 (en) | Method of exciting acoustic vibrations in fluid medium and apparatus (versions) for realising said method | |
| EP2195122B1 (en) | High capacity ultrasonic reactor system | |
| JP2009022941A (en) | Air-blowing-type ultrasonic irradiation apparatus and system for treating liquid material | |
| CN108160601B (en) | Ultrasonic cleaning method | |
| RU2357791C1 (en) | Rotor hydrodynamic cavitation apparatus | |
| RU2392046C2 (en) | Hydrocarbon destruction device and application thereof | |
| RU141803U1 (en) | ULTRASONIC FLOWING MACHINE | |
| US10233097B2 (en) | Liquid treatment apparatus with ring vortex processor and method of using same | |
| RU2177824C1 (en) | Method of treatment of nonuniform fluid medium and device for its embodiment | |
| RU2646270C1 (en) | Method of initiation of the cavitation-hydrodynamic microdisintegration of the mineral composition of hydrosum | |
| RU2434674C1 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
| RU99086U1 (en) | ACOUSTIC ACTIVATION GENERATOR | |
| RU2442640C1 (en) | The rotary device | |
| Bapir et al. | Oscillation of an ultrasonically driven gas bubble in an asymmetric confined domain | |
| RU2442641C1 (en) | Device for the physical and chemical processing of the fluid medium | |
| RU2503896C2 (en) | Device for heating liquids | |
| RU85838U1 (en) | EJECTOR WITH GAS-JET ULTRASONIC GENERATORS | |
| JP6011854B2 (en) | Ultrasonic micromanipulation method and apparatus using a solid cell having a curved reflecting surface | |
| RU2304261C1 (en) | Method and device for heat and mass exchange | |
| RU2381061C2 (en) | Reactor for cavitation treatment of fluids |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150916 |
|
| BF4A | Cancelling a publication of earlier date [patents] |
Free format text: PUBLICATION IN JOURNAL SHOULD BE CANCELLED |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170916 |