Эжектор с газоструйными ультразвуковыми генераторами
Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газовые, газожидкостные смеси в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена перемешивания, эмульгирования, диспергирования, термообработки и подобным им.
Поставленная задача решается с помощью тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения потока создаваемого в эжекторе с газоструйными генераторами и концентратором ультразвукового поля, воздействующим на многофазный продукт. Для осуществления настоящего способа газоструйный генератор выполняется в виде генерирующих ультразвук кольцевых резонаторов с центром расположенным по оси эжектора.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газовые, газожидкостные смеси в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена перемешивания, эмульгирования, диспергирования, термообработки и подобным им.
Уровень техники
Известны способы изменения физико-химических свойств потоков жидкости путем передачи жидкости энергии колебательных процессов различных ультразвуковых излучателей, которые усиливают гидродинамическую кавитацию в процессе которой также генерируются акустические, в т.ч. и ультразвуковые колебания [1]. Акустическое поле влияет на кинетику фазовых превращений в жидкостях процесса кавитации пузырьков. Акустическое поле оказывает сильное воздействие как на пороги метастабильности жидкости, так и на кинетику фазового перехода. Звук влияет на поток зародышей пузырьков в жидкости и барьер, отделяющей метастабильную жидкость и новую фазу. Этот процесс зависит, в основном, от амплитуды и частотной характеристики акустического поля. Реальная жидкость насыщена ядрами кавитации, которые при большой интенсивности волны разрежения (|р|>200 атм), набегающей на группу зародышей одного начального размера приобретают монодисперсный по размерам пузырьков характер за счет коалесценции пузырьков, расположенных внутри группы (кластера) [2]. Поэтому, представляет интерес создания приборов с большой интенсивностью озвучивания газожидкостных сред, когда возможны существенные изменения физико-химических свойств многофазных продуктов.
Известен способ совмещения эжектора с ультразвуковым генератором, патент 92010550, отличающийся тем, что газовый эжектор снабжен проходящим по оси активного сопла стержнем, на котором установлен колпачок (резонатор), выполненный с острыми кромками со стороны сопла и образующий с соплом газоструйный ультразвуковой излучатель.
Известен способ разработки нефтяного пласта, включающий закачку воды и рабочего агента одновременно по раздельным линиям, с последующим смешиванием их эжектированием на заданной глубине, патент 2078200 опубликован 27.04.1997, отличающийся тем, что закачивают газоводяную пену приготавливаемую высоконапорным струйным эжектором отличающийся тем, что воздействие упругими колебаниями при закачке в пласт водогазовой смеси осуществляют с помощью гидродинамического генератора.
Известен также газовый эжектор, содержащий активное сопло и камеру смешения, при этом активное сопло снабжено ультразвуковым излучателем (см. авторское свидетельство СССР N1548534, кл. F04F 5/02, 1990).
Известны способы диспергирования, эмульгирования с помощью гидродинамических кавитаторов, когда многофазный продукт подвергается воздействию ультразвукового поля, получаемого в процессе кавитации самого жидкого продукта.
Наиболее близкий по технической сущности и достигнутому результату способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления (прототип) - патент РФ 2268772, 7 B01F 11/02, опубликован 27.01.2006 г., в котором кроме резонансного возбуждения конструкции устройства используется возбуждение кавитационного процесса (образование и всхлопывание пузырьков, приводящее к ультразвуковым колебаниям) методом соприкосновения двух или более вихревых потоков. Недостатком этих способов является сложность достижения высокой плотности облучения продукта (менее 10 Вт/см2) при заданной производительности.
Невозможность достижения высокой плотности облучения в заданных частотных диапазонах при заданной производительности устройства приводит к ограничению возможности использования способа ультразвукового воздействия для эффективных тепломассоэнергообменных процессов.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа акустического воздействия на многофазный поток (например водогазовый поток) при котором осуществляется временное или безвозвратное изменение физико-химических свойств обрабатываемого продукта за счет максимальной энергии акустического резонансного возбуждения потока продуктов в заданном частотном диапазоне, что позволяет:
- создать достаточную для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения потока за счет кавитационного процесса усиливаемого газоструйными генератороми;
- создать кавитационный процесс в потоке с высокой плотностью акустического облучения продукта (значительно больше 10 Вт/см2), приводящий к акустической деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей;
- использовать тепломассоэнергообменный процесс потока для проведения преобразований продукта.
Поставленная задача решается с помощью тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения потока создаваемого в эжекторе с газоструйными генераторами и концентраторами ультразвукового поля, воздействующим на многофазный продукт. Для осуществления настоящего способа газоструйный генератор выполняется в виде генерирующих ультразвук кольцевых резонаторов с центром расположенным по оси эжектора. Количество кольцевых резонаторов должно обеспечить пропускную способность эжектора по газовому (паровому) входу. Для усиления акустического воздействия на жидкий продукт приемная камера эжектора выполняется в виде концентратора акустической энергии, фокусирующей ультразвуковую волну на осевую линию потока жидкого продукта. Большая сфокусированная мощность воздействует на кавитационные зародыши в жидкости, которые приобретают монодисперсный по размерам характер за счет коалесценции пузырьков, расположенных внутри группы (кластера) волновых зон повышенного или пониженного давления.
Кроме достижения высокой суммарной мощности генераторов, в разработанных эжекторах используется несколько газоструйных генераторов для решения различных задач воздействия на обрабатываемый поток. В эжекторах с рабочим жидким продуктом часто необходимо акустическое воздействие на жидкий рабочий поток для достижения эффекта форсунки. В этом случае возможно достижение значительно большей эжекции газообразного продукта. Эта задача решается с помощью ультразвукового газоструйного генератора, расположенного совместно с соплом жидкого продукта. Дополнительные генераторы могут быть расположены в конфузорной, диффузорной частях эжектора, а также в рабочем канале.
Особенности изобретения будут дополнительно понятны из нижеследующего описания прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
Для описания изобретения прилагаются чертежи, на которых:
Фиг.1 - Схема водо-газового эжектора с ультразвуковыми газоструйными генераторами;
Фиг.2 - Схема сечения газоструйного генератора;
Фиг.3-частотная характеристика устройства обработки жидкого продукта;
Фиг.4 - частотная характеристика устройства с вводом газообразного продукта, выполненного в виде газоструйного генератора акустических колебаний.
Осуществление полезной модели
Способ интенсификации тепломассоэнергообмена в физико-химическом процессе превращений методом акустического резонансного возбуждения потока ультразвуковым излучением осуществляется в эжекторе с ультразвуковым газоструйным генератором и концентратором акустической энергии. На чертеже фиг.1 условно показан эжектор с одним потоком жидкого продукта, который подается по оси. Газ (или пар) подается через входные патрубки 1, 2, 3 с регулирующим расход газа по входу 2. Газ (пар) поступает в приемную камеру 4, которая выполнена в виде концентратора акустической энергии фокусируемой по оси. Для этого торцы камеры имеют специальную форму и выполняются наилучшие соотношения диаметра и длины приемной камеры, а также диаметра и длины трубы 6. При закрытом вентиле 3 весь газовый поток через патрубки 1, 3 поступает в сопла газоструйных генераторов 5, выполненных в виде кольцевых резонаторов с соплами. Сечение резонатора показано на фиг.2. Максимальный кпд генератора достигается для соотношений R/S=1,6 и L=H, [3, стр.77]. Частота акустических колебаний генератора зависит как от геометрических размеров резонатора, так и от разности давлений на входе и выходе генератора. Расход газа, проходящего через генератор пропорционален S*D, где D - диаметр кольца резонатора, и числу кольцевых резонаторов генератора. Для генератора чертежа фиг.1 расход пропорционален S*(D1 +D2), поскольку кольцевых резонаторов два. Направление движения потока газа в генераторе на фиг.2 показана фигурными стрелками.
Основными оценочными физическими параметрами эффективности работы эжектора являются газо-водяной фактор R, который определяется по формуле
R=Qг.cm /Qp,
где Qг.cm - расход газа, приведенный к стандартным условиям по входу, Qp - расход рабочей жидкости через эжектор и кпд эжектора
KПД=R·k/(1-k),
где k=(Рс-Р к)/(Рр-Рк) относительный безразмерный перепад давления равен, Рc- давление смешанного потока на выходе из эжектора, Рр - давление рабочей жидкости перед соплом, Рк - давление в приемной камере. Очевидно, что необходимо достигать максимума газо-водяного фактора R, который зависит от диспергирования и эмульгирования смешиваемых продуктов. Диспергирование и эмульгирование зависит от интенсивности кавитационного процесса зависящего от амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний в жидкости. На фиг.3 представлен спектр одного из самых эффективных гидродинамического вихревого генератора с характерным спектром кавитационного "шума" воды в диапазоне 42-50 Кгц с оценочной амплитудой колебаний А. На фиг.4 представлен спектр того же устройства с включенным газоструйным генератором, рассчитанным на частоту 19,5 Кгц. Амплитуда колебаний газоструйного генератора существенно больше А, поэтому наблюдавшееся качество диспергирования и эмульгирования продукта в устройстве с газоструйным генератором выше. Дополнительными важными физическими параметрами заявляемого устройства являются акустическая мощность газоструйного генератора в эжекторе и частота генерируемых колебаний. В разрабатываемых и внедренных устройствах достигаются акустические мощности N a>1000 вт и плотности ультразвукового облучения продукта 100 вт/см2 и более.
В литературе до настоящего времени авторами не обнаружены описания устройств, в которых инжектируемый газ (пар) в эжекторе поступает через газоструйный генератор с кольцевыми резонаторами, акустические колебания которого сфокусированы на потоке жидкого продукта где достигаются плотности ультразвукового облучения продукта 100 вт/см2 и более. Не обнаружены также описания эжекторов, в которых используются несколько газоструйных генераторов, решающих различные задачи преобразования многофазного продукта. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решение соответствует первому признаку изобретения - новизна. Исследования, проведенные авторами в поисках аналогов, экспериментов с аналогами устройств, промышленными испытаниями устройств интенсификации тепломассообменных процессов и прототипа, позволяют сделать заключение, что известные способы интенсификации тепломассообмена и устройства их осуществляющие не в полной мере могут обеспечить заданные мощность, частотный диапазон акустической обработки продукта. В отличие от этого, как видно из фиг.3, фиг.4, заявляемое устройство имеет преимущественный энергетический спектр акустических колебаний в заданном диапазоне, технические решения, достигающие этот результат не вытекают явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует второму признаку изобретения - изобретательский уровень. Изготовленные опытные образцы эжекторов проходили испытания в пилотных проектах в качестве устройств диспергирования жидких и газообразных продуктов. Поэтому, заявляемое техническое решение соответствует третьему признаку изобретения - промышленная применимость.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет интенсифицировать тепломассоэнергообмен, проводить физико-химические преобразование продуктов при меньших энергетических и трудовых затратах.
Библиографические данные
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд. М, 1957. 368 с.
2. Kedrinskii V.K. On multiplication mechanism of cavitation nuclei // Proc. 12th Intern. Congress on Acoustics. Toronto, 1986.
3. Ультразвук: Маленькая энциклопедия,- М.: Сов. Энциклопедия, 1979-400 с.
1. Устройство тепломассоэнергообмена в эжекторе, отличающееся тем, что возбуждение кавитации жидкостного потока осуществляется с помощью газоструйных генераторов с фокусирующей системой путем достижения наибольшей плотности акустического облучения жидкостной струи, обеспечивающей эффективное диспергирование и эмульгирование потока.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газоструйные генераторы выполнены в виде кольцевых сопел, с помощью которых достигается большая акустическая мощность.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ввод газового потока в камеру эжектора осуществляется через несколько входов (патрубков), снабженных регуляторами расхода газа, причем несколько входов соединены с газоструйными генераторами, а один вход - непосредственно с камерой эжектора, это дает возможность регулировать акустическую мощность газоструйного генератора, обеспечить необходимый для эжектирования объем газа и, в некотором диапазоне, регулировать частоту газоструйных генераторов путем регулирования давления газа на входе генераторов.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что за счет мелкодисперсного потока жидкости, получаемого в ультразвуковой обработке, увеличивается объем эжектируемого газа.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в ультразвуковом поле эжектора ускоряются химические реакции компонентов газожидкостного продукта.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в смесительной камере эжектора находятся газоструйные генераторы, выполненные в виде кольцевых сопел.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что смесительная камера эжектора выполнена в виде концентратора акустической энергии, создающего наибольшую плотность акустического облучения струи жидкости.
