Аппарат для обработки жидких сред в вихревом потоке
Решение относится к области энергетики и защиты окружающей среды и может быть использовано для интенсификации технологических процессов получения мелкодисперсных эмульсий, газонасыщенных жидкостей, очистки и обеззараживания вод, а также при подготовке тяжелых низкосортных видов топлива.
Предложено в аппарате для обработки жидких сред в вихревом потоке каналы подачи и удаления обрабатываемой среды из реакционной камеры выполнить конусными, в канал подачи вводить сжатый воздух, а на выходе из реакционной камеры установить вогнутый сетчатый отражатель.
Предложение позволяет интенсифицировать процесс обработки жидкой среды и повысить ее качество.
1 с.п. ф-лы, 1 илл.
Решение относится к области энергетики и защиты окружающей среды. Оно позволяет проводить обработку жидкой среды в потоке и может быть использовано для интенсификации технологических процессов получения мелкодисперсных эмульсий, газонасыщенных жидкостей, а также для очистки и обеззараживания различных вод (природных, сточных и др.) Наиболее успешно решение может быть использовано при подготовке тяжелых низкосортных видов топлива. Из-за наличия в них различных примесей сгорание топлива происходит не полностью, это обусловливает низкую эффективность такого топлива, а также значительные выбросы вредных соединений в атмосферу. Поэтому тяжелое низкосортное топливо часто подвергают предварительной обработке для 'эффективного его использования.
Известен ряд установок для активации процессов и разделения фаз автора Вершинина Н.П. и др. (патенты РФ 
2049562, 2072256, 2072257, 2167102, 2170707, 2198140) а так же книга Вершинин Н.П. Установки активации процессов, г.Сальск, 2002 г., 332 с. Все упомянутые патенты, по сути, касаются усовершенствования установки, довольно сложной по конструкции.
Одна из них (пат. РФ 2198140, C02F 1/48, опуб. 2003.02.10) рассмотрена в качестве аналога. Установка для активации процессов и разделения фаз содержит трубчатые реакционные камеры с ферромагнитными частицами, выходные концы которых соединены с собирающей емкостью, каждая реакционная камера снабжена индуктором вращающегося электромагнитного поля, камеры сблокированы в отдельные модули, соосные между собой, каждый из которых имеет корпус для реакционных камер в виде наружного и внутреннего цилиндров, при этом внутренний цилиндр является собирающей емкостью, причем, соосно соединенные модули образуют общую собирающую емкость, и каждый модуль снабжен кольцевым раздаточным коллектором, соединенным с входными концами реакционных камер, каждый модуль сдвинут на 20-30 относительно модуля, расположенного выше, а кольцевой раздающий коллектор, соединенный с входными концами реакционных камер, представляет собой тороид, разрезанный у патрубка, соединяющего коллектор подводящей магистралью, причем, концы коллектора герметично закрыты.
Установка сложна по конструкции, хотя и достаточно эффективна в работе В качестве прототипа принят аппарат вихревого слоя (пат. РФ 2342987, B01F 13/08; опуб. 2009.01.10). Аппарат вихревого слоя содержит крышки с патрубками подвода и отвода охлаждающей среды, коллектор, сообщенный с патрубком подвода охлаждающей среды, размещенный между крышками индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий осевой канал, в котором с зазором к стенкам канала установлена реакционная камера в виде трубы, имеющей сменную вставку с ферромагнитными частицами, индуктор также имеет обечайку из немагнитного материала и кожух, соединенный с крышками, при этом кожух и обечайка индуктора выполнены цилиндрическими, ферромагнитные частицы сменной вставки выполнены в виде стержней разных размеров, выбор которых производится по следующему соотношению:
Nобщ=N1+N2+N3+...+N n,
где Nобщ - общее число ферромагнитных частиц сменной вставки;
N1 - число частиц длиной l1 и диаметром d1;
N2 - число частиц длиной l2 и диаметром d2;
N3 - число частиц длиной l3 и диаметром d3;
N n - число частиц длиной ln и диаметром d n,
причем N1<N2 <N3<Nn, l1/d1 >l2/d2>l3/d3 >ln/dn.
Наличие сменной вставки с ферромагнитными частицами, безусловно, сохраняет стенки реакционной камеры, но выбор размера ферромагнитных частиц по предлагаемой зависимости трудоемок и едва ли практически осуществим.
В предлагаемом решении задача повышения качества работы аппарата решается иным путем.
Технический результат - повышение эффективности работы аппарата за счет интенсификации процесса кавитации, перемешивания потока обрабатываемой среды и выравнивания распределения рабочих ферромагнитных тел в реакционной камере.
Этот технический результат достигается тем, что в аппарате для обработки жидких сред в вихревом потоке, содержащем цилиндрический корпус с каналами подачи и удаления обрабатываемой среды, с трубчатой реакционной камерой из немагнитного материала, заполненной рабочими ферромагнитными телами и охваченной электромагнитным
индуктором, каналы подачи и удаления обрабатываемой среды выполнены конусными, сужающимися со стороны реакционной камеры, причем, диаметр входного отверстия в реакционную камеру больше выходного отверстия из камеры, при этом перед входным отверстием в реакционную камеру с каналом подачи обрабатываемой среды сообщен канал подачи сжатого воздуха с распылителем, а перед выходным отверстием из реакционной камеры установлен вогнутый по отношению к ней сетчатый отражатель (выгнутый в сторону выходного отверстия).
Предлагаемое выполнение каналов подачи и удаления обрабатываемой среды обеспечивает перепады давления, а значит, интенсификацию процесса кавитации. В сужающейся части канала скорость потока возрастает, а среднее давление падает и достигает наименьшего значения в самой узкой части и при этом возникают кавитационные полости. При прохождении потоком расширяющейся части канала скорость его замедляется, давление возрастает. В результате кавитационные полости «охлопываются», и происходит гомогенизация и эмульгирование жидкой среды.
Подача сжатого воздуха через канал, сообщенный с каналом подачи обрабатываемой среды, обеспечивает создание турбулентности и дополнительных центров кавитации в виде мельчайших пузырьков воздуха, которые создает распылитель, при этом обработка жидкой среды начинается уже до попадания в рабочую зону аппарата, что повышает эффективность обработки.
Сетчатый отражатель не только снижает вероятность вылета рабочих тел из реакционной камеры, как это имеет место в известных решениях, но, благодаря своей вогнутой форме, создает обратное течение среды, способствующее перемешиванию потока, увеличению времени обработки и выравниванию распределения рабочих тел в объеме реакционной камеры, что в итоге повышает качество обработанного продукта.
Предлагаемый аппарат схематично показан на чертеже. Он содержит цилиндрический корпус 1, в котором выполнены каналы 2, 3 подачи и удаления обрабатываемой среды, с трубчатой реакционной камерой 4 из немагнитного материала, заполненной ферромагнитными телами 5 в виде иголок. Камера охвачена электромагнитным индуктором 6. Каналы 2, 3 подачи и удаления обрабатываемой среды выполнены конусными, сужающимися со стороны реакционной камеры 4. Диаметр входного отверстия 7 в реакционную камеру 4 больше диаметра выходного отверстия 8 из камеры 4. Эти диаметры могут быть подобраны экспериментально. Перед входным отверстием 7 в камеру 4 с каналом 2 сообщен канал 9 подачи сжатого воздуха, на выходе которого установлен распылитель 10. Сжатый воздух, который поступает через канал 9, создает
дополнительную турбулентность потока. Перед выходным отверстием 8 реакционной камеры 4 установлен вогнутый по отношению к ней (выгнутый в сторону выходного отверстия 8) сетчатый отражатель 11. Аппарат работает следующим образом.
Подключают электромагнитный индуктор 6, и ферромагнитные тела 5 в рабочей зоне камеры 4 приходят в вихревое движение. Через канал 9 в канал 2 подают сжатый воздух. Жидкую среду для обработки подают в рабочую зону камеры 4 через канал 2. Через канал 3 отводят обработанную жидкую среду. Основная обработка проходит в реакционной камере 4, это гладкая труба, внутри которой индуктором 6 наводится вращающееся переменное электромагнитное поле с высокой удельной мощностью. В качестве рабочих тел используются ферромагнитные частицы, которые принято называть иголками. В процессе обработки жидкости возникают вихревые потоки. Ферромагнитные тела в вихревом потоке под действием магнитострикции испытывают ультразвуковые колебания и передают их обрабатываемой среде, т.е. являются источником акустических волн. В результате действия акустических волн на поверхности твердой фазы имеет место кавитация, с которой связано появление в обрабатываемой среде ударных волн, вызванных схлопыванием кавитационных полостей в фазе сжатия акустической волны. Вблизи охлопывающегося пузырька в жидкости может возникать давление в несколько тысяч мегапаскалей. Исследованиями установлено, что образующиеся при кавитации газовые пузырьки под действием акустических волн подвергаются пульсации с определенной частотой. Для каждого диаметра газового пузырька существует резонансная частота. В условиях вихревого слоя спектр частот акустической волны непрерывный. Таким образом, создаются все условия для резонансных колебаний пузырьков любого диаметра, также и в том случае, если пузырек образован не в процессе кавитации, а введен в жидкую среду извне. Для ускорения начала процесса кавитации и его интенсификации через канал 9 вводят диспергированный сжатый воздух. Струя воздуха является для движущейся жидкой среды препятствием, в результате чего в ней появляются возмущения в форме турбулентности, приводящие к возникновению акустических волн и мелких пузырьков, которые становятся дополнительными центрами кавитации. При прохождении жидкой средой сужающегося канала 2 скорость потока возрастает, а среднее давление падает и достигает наименьшего значения в самой узкой части, при этом возникают кавитационные полости, которые охлопываются при прохождении расширяющейся части канала 3, происходит гомогенизация и эмульгирование жидкой среды. Действие,
движение и энергия рабочих тел 5 оказывают решающее влияние на процесс обработки. Чем равномернее распределены рабочие тела5 по объему рабочей зоны камеры 4, тем эффективнее работа. Струя жидкой среды, пройдя рабочую зону камеры 4, ударяется вместе с рабочими телами 5 в вогнутый сетчатый отражатель 11 и веером расходится обратно в рабочую зону, что способствует перемешиванию потока и выравниванию рабочих тел 5 в объеме рабочей зоны камеры 4. Это также увеличивает время обработки жидкой среды, что повышает качество полученного продукта.
Аппарат для обработки жидких сред в вихревом потоке, содержащий цилиндрический корпус с каналами подачи и удаления обрабатываемой среды, с трубчатой реакционной камерой из немагнитного материала, заполненной рабочими ферромагнитными телами и охваченной электромагнитным индуктором, отличающийся тем, что каналы подачи и удаления обрабатываемой среды выполнены конусными, сужающимися со стороны реакционной камеры, причем диаметр входного отверстия в реакционную камеру больше диаметра выходного отверстия из камеры, перед входным отверстием в реакционную камеру с каналом подачи обрабатываемой среды сообщен канал подачи сжатого воздуха с распылителем, а перед выходным отверстием реакционной камеры установлен вогнутый по отношению к ней сетчатый отражатель.
