Пристрій для кавітаційної обробки рідини

1. Пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини, що містить акустично розв'язану з вхідним та вихідним фланцями-патрубками трубу для протоку рідини, на зовнішній твірній поверхні C2 2 (19) 1 3 периметру, біля однієї скоби - всього два. Використання конструкції пристрою, при якій притиск п'єзоелемента до труби здійснюється через дугоподібну накладку, призводить до суттєвого зниження ефективності передачі ультразвукової енергії через трубу в рідину, оскільки контакт такої накладки з трубою буде завжди здійснюватися не по площині накладки, а по лінії контакту труби з накладкою. Надмірне притискання дугоподібних накладок з п'єзоелементами за допомогою болтів до труби з метою збільшення площі акустичних мікроконтактів приводить до того, що п'єзоелементи, зусилля стиснення яких повинно бути оптимальним, починають перегріватися і знижують свій електроакустичний к.к.д. Якість обробки рідини при застосуванні бактерицидної лампи залежить від ступеню прозорості води. Крім того, з часом при малому рівні кавітації, який забезпечує подібна конструкція, на поверхні лампи починають розростися колонії мікроорганізмів та водоростей, що знижує ефективність обробки рідини. Інтенсивність ультразвукової енергії, яка може бути введена в рідину, в конструкції, що розглядається, незначна. Це не дозволяє знищувати багато різновидів мікроорганізмів, що знаходяться у рідині. Відомий пристрій для ультразвукової обробки рідини в протоці (патент України №55279А, МПК С02F1/36, С02F1/48, A61L2/02, 2003), що містить трубу для рідини, яка затиснута із боків через прокладки із дугоподібними впадинами ультразвуковими випромінювачами, електрично зв'язаними із виходом генератора, які в свою чергу контактують через сухарі із болтами, що впираються в систему притиску, ультразвукові випромінювачі виконані у вигляді складених п'єзоелектричних, випромінююча накладка яких служить в якості дугоподібної, а кожен сухар виконаний у вигляді стакану, що охоплює ультразвуковий випромінювач і своїм дном контактує через кульку із болтом, а кромками через віброізоляційну шайбу контактує із буртиком, останній виконаний у випромінюючій накладці в місці мінімальних амплітуд коливань складеного ультразвукового випромінювача, при цьому система притиску виконана у вигляді замкнутого хомута, що охвачує трубу, а ультразвукові випромінювачі зв'язані з генератором наступним чином при їх непарному числі або двох - синфазно, при їх парному числі - сусідні підключаються протифазно. У цьому пристрої із-за механічного навантаження (притиску) ультразвукових перетворювачів падає їх добротність, зростають втрати на нагрів. Виконання випромінювачів з достатньо великими дугоподібними контактними із трубою поверхнями демпфує резонансні згинні коливання, що знижує ступінь обробки рідини. Під час тривалої експлуатації із-за спрацьовування контактних пар, втоми конструктивних елементів системи притиску зменшується сила притиску, неконтрольовано падає ультразвукова енергія, що передається в рідину. Застосована система введення ультразвукової енергії в рідину через стінку труби призводить до збудження в трубі радіально-згинних та поздовжньо-згинних резонансних коливань, які впливають на резонанси випромінювачів і при невдалому ро 92987 4 зміщенні останніх на трубі можуть повністю нейтралізувати їх коливання. Відсутність норми на відстань між окремими секціями випромінювачів по довжині труби може демпфувати поздовжньозгинні коливання, що виникають при збудженні радіально-згинних коливань випромінювачами окремих секцій. Крім того, відсутність фокусування ультразвукової енергії при збудженні радіальнозгинних коливань не дозволяє досягти в пристрої значного рівня інтенсивності коливань, що знижує ефективність застосування пристрою в технологічних процесах знезараження рідин. Складна система притиску, необхідність розбирання усіх деталей хомута при заміні одного випромінювача ускладнює ремонт. Приєднання фланців до кінців труби для її монтування в трубопровід також демпфує згинні коливання в трубі. Найбільш близький до запропонованого є пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини (патент України №81605, МПК C02F1/36 (2006.01), A61L2/02, C02F1/48, 25.01.2008). В даному випадку ультразвукові вібраційні приводи-випромінювачі мають ножеподібну конструкцію вихідної частини, яка приєднується до зовнішньої твірної поверхні труби жорстко, наприклад, зварюванням. Це дозволяє відмовитися від складної та ненадійної системи притиску вібраційних приводів та досягти максимально ефективного збудження радіально-згинних коливань труби. Труба акустично розв'язана з вхідним та вихідним фланцями-патрубками. Крім того, в даному пристрої оговорена відстань між окремими секціями приводів тa між окремими приводами в секціях, яка дорівнює половині довжини хвилі, відповідно, поздовжньо-згинних та радіально-згинних коливань в трубі та забезпечує мінімальний взаємний вплив приводів і дозволяє досягти максимальної ефективності коливань труби. Але, як і в попередньому випадку, відсутність фокусування ультразвукової енергії при збудженні радіально-згинних коливань не дозволяє досягти в пристрої значного рівня інтенсивності коливань, що знижує ефективність застосування пристрою в технологічних процесах знезараження рідин. Нажаль, регламентована відстань між секціями вібраційних приводів призводить до суттєвого збільшення поздовжніх розмірів пристрою при намаганні збільшити його потужність за рахунок збільшення кількості секцій. Крім того, наявність вузлових точок в стоячій поздовжньо-згинній хвилі свідчить про те, що в зоні цих точок труба не коливається. Тобто, в цих зонах рівень кавітації буде дорівнювати нулю. Таким чином, конструкція пристрою, що розглядається, не використовує фокусуючи властивості циліндричного профілю труби і тому не дозволяє досягти підвищення інтенсивності ультразвукових коливань. Конструкція не дозволяє створити рівномірне за інтенсивністю ультразвукове поле по довжині труби. Крім того, конструкція має великі поздовжні габарити, зменшити які при заданій потужності не можливо. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності обробки рідини та зменшення габаритів технологічного обладнання шляхом вдосконалення пристрою для ультразвукової кавіта 5 ційної обробки рідини, що містить акустично розв'язану з вхідним та вихідним фланцямипатрубками трубу для протоку рідини, на зовнішній твірній поверхні якої посекційно встановлені ультразвукові вібраційні приводи, а місце розміщення вібраційних приводів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби. Для вирішення поставленої задачі в пристрої для ультразвукової кавітаційної обробки рідини, що містить акустично розв'язану з вхідним та вихідним фланцями-патрубками трубу для протоку рідини, на зовнішній твірній поверхні якої посекційно встановлені ультразвукові вібраційні приводи, а місце розміщення вібраційних приводів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби, відповідно винаходу ультразвукові вібраційні приводи збуджуються на частоті, яка дорівнює власній частоті радіальної моди коливань труби, а всередині труби коаксіально на вихідному фланці-патрубку встановлена додаткова труба з утворенням перекритого для протоку рідини міжтрубного простору, який отвором малого діаметру з'єднаний з внутрішньою поверхнею додаткової труби, причому зовнішня поверхня додаткової труби виконана конічною з нахилом проти течії рідини. Збудження ультразвукових вібраційних приводів на частоті, що дорівнює власній частоті радіальної моди коливань труби, дозволяє змусити трубу в межах секції приводів коливатися лише в радіальному напрямку. Це призводить до концентрації ультразвукової енергії здовж осі труби. При цьому інтенсивність ультразвукових коливань в центральній частині труби буде значно перевищувати інтенсивність на внутрішній поверхні труби. Таким чином, в центральній частині труби ми зможемо досягти інтенсивної якісної кавітаційної обробки рідини, що транспортується по трубі. Але в зоні поблизу внутрішньої поверхні труби буде спостерігатися значно гірша кавітаційна обробка рідини. З одного боку, незначний рівень кавітації поблизу цієї поверхні забезпечить довгострокову працездатність пристрою за рахунок зменшення кавітаційної ерозії поверхні труби, але для забезпечення якісної ефективної роботи пристрою необхідно відокремити від загального потоку рідини ту його частину, яка проходить поблизу внутрішньої поверхні труби. Це забезпечує додаткова труба, коаксіально встановлена внутрі основної труби з утворенням перекритого для протоку рідини міжтрубного простору. Перекритий міжтрубний простір дозволяє зупинити рідину, що рухається біля поверхні труби. Це, по перше, дозволить суттєво збільшити час обробки рідини в цій зоні, а, по друге, через пристрій буде протікати лише рідина, що потрапила під інтенсивну ультразвукову кавітаційну обробку. Конічна поверхня додаткової труби забезпечить відбиття ультразвукових хвиль в напрямку здовж внутрішньої поверхні основної труби, що додатково дозволить кавітаційно обробити рідину в цій зоні. Під час роботи пристрою внаслідок дегазації рідини, що відбувається під впливом кавітаційної обробки, з рідини буде інтен 92987 6 сивно виділятися повітря. Повітряна пробка буде поступово накопичуватися в замкненому міжтрубному просторі, що призведе до поступового покриття повітряним пухирцем всієї конічної поверхні додаткової труби. В цьому випадку припиниться відбиття ультразвукової хвилі від конічної поверхні додаткової труби, що знизить ефективність роботи пристрою. Отвір малого діаметру, що з'єднує міжтрубний простір з внутрішньою поверхнею додаткової труби, забезпечить постійне видалення повітряного пухирця в потік рідини і підтримку постійної ефективної працездатності пристрою. Додатково труба виконана у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених кілець, на кожному з яких розміщені окремі секції вібраційних приводів, а товщина кілець вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань. Таке виконання труби дозволить вилучити з її поверхні вузлові точки, поблизу яких коливання труби не ефективні. Виконання труби у вигляді окремих кілець товщиною меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань дозволить суттєво підвищити ефективність коливань циліндричної фокусуючої поверхні. У цьому випадку уся поверхня кільця буде коливатися в радіальному напрямку з однаковою великою амплітудою та, відповідно, максимально ефективно випромінювати ультразвукову енергію в середину кільця для утворення розвиненої кавітаційної зони. Вилучення вузлових зон дозволить скоротити поздовжні розміри пристрою та підвищити ефективність кавітаційної обробки. Сутність винаходу пояснюється рисунками, де на Фіг.1 показана схема пристрою для ультразвукової кавітаційної обробки рідини із суцільною трубою, а на Фіг.2 - варіант пристрою з трубою у вигляді окремих ущільнених кілець. Пристрій (Фіг.1) складається із труби 1 з вхідним 2 та вихідним 3 фланцями-патрубками. Труба 1 за допомогою ущільнень 4 акустично розв'язана із фланцями-патрубками. На зовнішній твірній поверхні труби посекційно встановлені вібраційні приводи 5, які виконані, наприклад, у вигляді п'єзоелектричних резонансних складених перетворювачів з ножеподібним трансформатором швидкості. Вібраційні приводи 5 посекційно встановлені в пучностях поздовжньо-згинних коливань. Встановлення резонансних поздовжньо-згинних коливань демонструє крива деформації 6. Внутрі труби 1 на вихідному фланці-патрубку 3 коаксіально встановлено додаткову трубу 7. Додаткова труба 7 має конічну зовнішню поверхню, нахилену проти течії рідини. Труба 1 та додаткова труба 7 утворюють замкнений для протоку рідини міжтрубний простір 8. Міжтрубний простір 8 отвором 9 малого діаметру з'єднаний з внутрішньою поверхнею додаткової труби 7. Ультразвукові вібраційні приводи 5 підключені до електричного генератора ультразвукових коливань, який на схемі умовно не показаний. Додатково труба 1 може бути виконана у вигляді кілець 10 (Фіг.2), які акустично розв'язані і ущільнені за допомогою ущільнень 11. Товщина 7 кілець 10 вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань. Пристрій працює наступним чином. Через пристрій за допомогою вхідного 2 та вихідного 3 фланців прокачується рідина, яка потребує обробки. При подачі високочастотної напруги від генератора на ультразвукові вібраційні приводи 5 в останніх збуджуються поздовжні резонансні пружні механічні коливання. Через ножеподібні ультразвукові трансформатори швидкості ці коливання підводяться до поверхні труби 1. Оскільки діаметр труби підібраний таким чином, що частота цих коливань дорівнює власній частоті радіальної моди коливань труби, труба 1 змушена здійснювати резонансні коливання в радіальному напрямку. При цьому ультразвукова енергія, що випромінюється з внутрішньої поверхні труби 1, фокусується по осі труби. В наслідок цього, здовж центральної частини труби 1 спостерігається інтенсивна кавітація, яка якісно обробляє рідину. На внутрішній поверхні вібруючої трубні інтенсивність ультразвукових коливань буде меншою і, відповідно, рівень кавітації буде меншим. Але, внаслідок, наявності замкненого міжтрубного простору 8 рідина в зоні внутрішньої поверхні труби 1 не буде рухатися, що дозволить збільшити час її кавітаційної обробки. Рідина буде рухатися лише в центральній частині труби 1. Вона буде поступово захватувати стоячу біля поверхні труби рідину і виносити її на вихід пристрою. Ультразвукові хвилі будуть відбиватися від конічної поверхні додаткової труби 7 і випромінюватися здовж поверхні основної труби 1 і додат 92987 8 ково кавітаційно обробляти цей шар рідини. Повітря, що виділяється з рідини під час ультразвукової кавітаційної обробки, буде поступово накопичуватися в замкненому міжтрубному просторі 8 і через отвір 9 буде потрапляти (висмоктуватися) в рухомий потік рідини. У випадку виконання труби 1 у вигляді акустично розв'язаних та ущільнених кілець 10 вдається досягти коливань з однаковою амплітудою усієї поверхні кільця, що дозволяє створити постійну за інтенсивністю та максимальну за ефективністю кавітаційну зону, крізь яку пропускається рідина. Вилучення зон труби 1 з вузлами коливань, в яких не відбувається випромінювання ультразвукової енергії дозволяє суттєво зменшити розміри пристрою. Знезараження рідини відбувається за рахунок схлопування кавітаційних бульбашок поблизу мікроорганізмів. При схлопуванні кавітаційних бульбашок утворюються руйнівні ударні хвилі, кумулятивні струмені, високий тиск (до 103МПа) та температура (до 1000°С) в мікрооб'ємах рідини, що забезпечує загибель мікроорганізмів. Концентрація ультразвукової енергії, що забезпечується конструкцією пристрою, дозволяє ефективно знешкоджувати значну кількість шкідливих мікроорганізмів в рідині. Перемішування рідини та утворення стійких емульсій відбувається за рахунок інтенсивних мікротечій, що виникають при коливаннях кавітаційних бульбашок. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 92987 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601