Спосіб кавітаційної обробки рідин

Реферат: Спосіб кавітаційної обробки рідин включає визначення частот коливань зародків кавітації у рідинних субстанція, кратних резонансним, занурення в рідину збурювачів гідродинамічної кавітації, подачу напруги на обмотки котушок електромагнітів віброприводу, формування в рідині газорідинної суміші із фіксацією її тиску та плавну зміну частоти коливань збурювачів кавітації зміною напруги живлення електромагнітів віброприводу. При появі в рідині кавітаційного поля, яке супроводжується формуванням газорідинної суміші, фіксують ватметром та блоком індикації, включеними у мережу живлення обмоток котушок електромагнітів віброприводу, максимальне падіння споживаної віброприводом потужності, при якому і здійснюють обробку. UA 75274 U (12) UA 75274 U UA 75274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі кавітаційних хіміко-технологічних процесів і може бути застосована, наприклад для зменшення енергозатрат на технологічних операціях водопідготовки, при водоочищенні, знезараженні питної води, стоків хімічних, харчових та переробних підприємств від різноманітних забруднень, в тому числі і біологічних. Запропонований спосіб належить до групи фізико-хімічних методів оптимізації технологічних параметрів у процесах, кавітаційного ініціювання та активації окиснювально-відновлювальних реакцій у рідинах енергією сплескування великої кількості самозароджуваних в рідині кавітаційних бульбашок. Відомий спосіб визначення резонансних частот коливань зародків кавітації у рідинних субстанціях, згідно з яким заповнену рідиною та газом циліндричну ємність піддають низькочастотним вібраціям із змінними частотами коливань, фіксуючи при цьому гідродинамічний тиск у сформованому вібраціями газорідинному середовищі [Сілін Р.І., Гордєєв А.І. Вібраційне обладнання на основі гідропульсатора. - Хмельницький: ХНУ, 2007.-368 с., іл.]. При наближенні частот вимушених коливань циліндричної ємності до частот власних коливань газових каверн та мікробульбашок наповнюючої її газорідинної суміші, тобто при наближенні до резонансу, стрімко збільшуються амплітуда коливань рідинного середовища та гідродинамічний тиск у ньому, що і фіксують візуальними спостереженнями за показами з'єднаного із циліндричною ємністю манометра. Певним недоліком даного способу визначення резонансних частот коливань газових включень у рідинних середовищах є обмежена сфера його застосування для промислових кавітаційних технологічних процесів, у яких зародками кавітації постають, переважно, не перенасичуюючі оброблювану рідин штучно введені у неї гази, а безпосередньо розчинені у ній повітря та різноманітні включення, що є значно розповсюдженішою ситуацією, особливо для процесів водопідготовки. Відомий спосіб кавітаційної обробки рідин, згідно з яким в промислових пристроях для рідинного розпушування азбесту на основі гідродинамічного кавітатора для зменшення енергозатрат приводу обробку технологічного середовища здійснюють при вібраціях виконавчого органу (вал із обертовою крильчаткою) в діапазоні частот 45-55 Гц, кратних резонансним частотам коливань формованих лопатями крильчатки повітряних каверн [Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процесах. - К.: Вища школа. Изд-во при Киев. ун-те, 1984.-68 с.]. Нашарування на процес формування кавітаційних каверн резонансних явищ не тільки інтенсифікує безпосередньо технологічний процес розпушування азбесту та покращує якість вихідного продукту, а й знижує енергозатрати на його здійснення. Визначення оптимальних частот коливань вала із обертовою крильчаткою в режимах, що забезпечують резонансні частоти коливань кавітаційних каверн, тут здійснюють за показниками якості вихідного продукту та енергозатратами на її забезпечення. Однак, даний спосіб визначення резонансних частот коливань зародків кавітації та кавітаційних каверн за показниками вихідного продукту не достатньо точний, оскільки крім частот вібрацій виконавчих органів на показники якості вихідного продукту суттєвий вплив тут мають інші, не менш вагомі технологічні параметри, наприклад частота обертання виконавчих органів, фізико-хімічні параметри оброблюваного середовища тощо. Відомий спосіб кавітаційної обробки рідин у вібраційних кавітаторах при оптимальних частотах коливань збурювачів гідродинамічної кавітації, що полягає у визначенні частот коливань зародків кавітації у рідинних субстанціях, кратних резонансним, і включає занурення в рідину збурювачів гідродинамічної кавітації, подачу напруги на обмотки котушок електромагнітів віброприводу для надання збурювачам кавітації коливань в низькочастотному діапазоні, формування в рідині газорідинної суміші із фіксацією її тиску та плавну зміну частоти коливань збурювачів кавітації зміною напруги живлення електромагнітів віброприводу [Пат. України № 66550. Вібраційний електромагнітний пристрій для збурення кавітації/ Старчевський В.Л., Шевчук Л.І., Афтаназів І.С., Строган О.І., заявл. 06.06.2011; опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1]. Візуальними спостереженнями через прозору вставку в корпусі робочої ділянки кавітатора за супутнім появі кавітаційного режиму формуванням в оброблюваній рідині газорідинної суміші та показами змін гідродинамічного тиску в кавітаторі фіксують резонансний діапазон частот коливань збурювачів кавітації, якому властива найвища інтенсивність формованого кавітаційного поля. Для забезпечення мінімальних енергозатрат у подальшому кавітаційну обробку рідини здійснюють при визначених частотах коливань збурювачів кавітації, які і є кратними резонансним. Недоліком даного способу визначення частот коливань зародків кавітації, кратних резонансним, в технологічних процесах кавітаційної обробки рідин є залежний від суб'єктивного людського фактора момент візуального визначення максимальної інтенсивності формованого кавітаційного поля. Точність такого визначення незначна. Це 1 UA 75274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 понижує ефективність кавітаційної обробки рідин, стає на заваді широкому промисловому застосуванню даного способу. У основу корисної моделі поставлена задача створення способу гідродинамічної кавітаційної обробки рідин при оптимальних частотах коливань збурювачів гідродинамічної кавітації, який, завдяки встановленню резонансних режимів кавітаційної обробки, забезпечуватиме вищу ефективність при мінімальних енергозатратах на її здійснення. Поставлена задача вирішується тим, що в способі кавітаційної обробки рідин при оптимальних частотах коливань збурювачів гідродинамічної кавітації, що полягає у визначенні частот коливань зародків кавітації у рідинних субстанція, кратних резонансним, і включає занурення в рідину збурювачів гідродинамічної кавітації, подачу напруги на обмотки котушок електромагнітів віброприводу для надання збурювачам кавітації коливань в низькочастотному діапазоні, формування в рідині газорідинної суміші із фіксацією її тиску та плавну зміну частоти коливань збурювачів кавітації зміною напруги живлення електромагнітів віброприводу, згідно з корисною моделлю, при появі в рідині кавітаційного поля, яке супроводжується формуванням газорідинної суміші, фіксують ватметром та блоком індикації, включеними у мережу живлення обмоток котушок електромагнітів віброприводу, максимальне падіння споживаної віброприводом потужності, при якому і здійснюють обробку. У технологічних процесах гідродинамічної кавітаційної обробки рідин енергозатрати на її здійснення, окрім її тривалості, в основному обумовлені фізичними параметрами оброблюваних рідин, кількістю та характеристиками коливних переміщень зважених у рідинах зародків кавітації. Мінімальні енергозатрати, при цьому забезпечуються при умові динамічного підведення коливань зародків кавітації до резонансу, що досягається співпадінням або кратністю коливань збурюючих кавітацію виконавчих органів із власними частотами коливань зародків кавітації. Власні частоти коливань зародків кавітації рівні десяткам кілогерц і гідродинамічні кавітатори їх досягнути неспроможні. Частоти коливань збурювачів кавітації, кратні резонансним, теж спроможні ввести в резонанс зародки кавітації, однак діапазони їх значень доволі вузькі і не завжди піддаються точному визначенню існуючими методами. Запропонована фіксація ватметром та блоком індикації, включеними у мережу живлення обмоток котушок електромагнітів віброприводу, падіння споживаної віброприводом потужності, виключаючи людський фактор, дозволяє не тільки надійно фіксувати момент появи кавітаційного поля в оброблюваній рідині, а і виявити в діапазоні його існування частоти коливань зародків кавітації, кратні резонансним, яким властиві мінімальні енергозатрати приводу. Саме ці частоти коливань встановлюють для збурювачів кавітації, здійснюючи подальшу кавітаційну обробку рідин в резонансних режимах, яким властиві найвищі інтенсивність формованого кавітаційного поля та ефективність обробки при найменших затратах енергії на її здійснення. Суть способу проілюстровано на прикладі зображеного на кресленні вібраційного кавітатора, який забезпечує кавітаційну обробку рідин у резонансних режимах. Основними 3 складовими цього кавітатора є циліндричний корпус 1 об'ємом 1 дм , системи подачі до нього досліджуваних рідин 2 та газів 3, електромагнітний вібропривід 4 із коливними деками 5, що завдяки перетіканню крізь наявні в них отвори рідини забезпечують збурення кавітації, та мережа 6 живлення електромагніта віброприводу із приладом моделі AFC-120 регулювання частоти напруги. Встановлений на нерухомій основі 7 кавітатор містить дві співвісно розташовані прозорі циліндричні труби 8 та 9, розділені з'єднувальним кільцем 10, у яке вмонтовано патрубки 11 та 12 подачі у внутрішній простір кавітатора відповідно оброблюваних рідини та газу, а також манометр 13 фіксації тиску рідини всередині робочої ділянки кавітатора. Кавітатор зверху та знизу обмежений фланцями, що формують герметично замкнутий простір його робочої ділянки. На нижньому фланці 14 розміщено зливний патрубок 15, а не верхньому 16 - манометр 17 фіксації тиску газу всередині робочої ділянки кавітатора, регульований клапан 18 стравлювання надлишкового тиску та загерметизований підшипник ковзання 19 штока 20 приводу коливних рухів дек-збурювачів кавітації 5. Система подачі у кавітатор рідини містить накопичувальну ємність 21 із досліджуваною рідиною, нагнітальний насос 22 її подачі, дросель 23 регулювання величини подачі та з'єднаний із патрубком 11 кавітатора трубопровід 1 подачі рідини. До системи подачі в робочу ділянку кавітатора 1 газу входять балон 24 із запасом необхідного газу, регулювальний редуктор його витрат 25 із манометром тиску та з'єднаний із патрубком 12 кавітатора трубопровід 2 подачі газу. Основними елементами мережі живлення електромагніта віброприводу 4 є з'єднаний з стаціонарною електромережею напругою 220 В та частотою перемінного струму 50 Гц регулятор 26 частоти, наприклад моделі AFC-120 із панеллю управління 29 та індикацією 2 UA 75274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частоти коливань дек 5, включений у його вихідне електричне коло ватметр 27 із блоками фіксації 30 та індикації 31 споживаної потужності електроприводу та вмикач 28 запуску і зупинки обладнання. Кавітаційну обробку рідин із визначенням в них частот коливань зародків кавітації, кратних резонансним, у кавітаторі здійснюють наступним чином. Занурюють у рідину збурювачі гідродинамічної кавітації, подають напругу на обмотки котушок електромагнітів віброприводу для надання збурювачам кавітації коливань в низькочастотному діапазоні. Вібраціями збурювачів гідродинамічної кавітації формують в рідині газорідинну суміш. Фіксуючи її тиск плавно змінюють частоту коливань збурювачів кавітації зміною напруги живлення електромагнітів віброприводу. При появі в рідині кавітаційного поля, яке супроводжується формуванням газорідинної суміші, фіксують ватметром та блоком індикації, включеними у мережу живлення обмоток котушок електромагнітів віброприводу, максимальне падіння споживаної віброприводом потужності, при якому і здійснюють обробку. Для цього із накопичувальної ємності 21 насосом 22, плавно регулюючи дроселем 23 подачу, по трубопроводу 1 досліджувану рідину подають в робочу ділянку кавітатора 1, встановлюючи необхідну величину її тиску по манометру 13. Одночасно із балона 24 по приєднаному до патрубка 12 трубопроводу 2 в робочу ділянку кавітатора подають певну кількість необхідного газу, відслідковуючи його тиск по манометру 17. Заповнивши робочу ділянку кавітатора досліджуваною газорідинною сумішшю, трубопроводи подач 1 та 2 перекривають і блоком 28 подають напругу на обмотки котушок живлення електромагнітного віброприводу 4. Притягуючи намагніченим осердям котушки до себе пружно встановлений якір, електромагніт 4 через встановлений у підшипнику ковзання 19 шток 20 приводу надає прикріпленим до нього і зануреним у оброблювану рідину декам 5 коливних зворотньопоступальних рухів. Частота коливань дек 5, при цьому, рівна частоті генерації змінного струму, здійснюваної регулятором частоти напруги моделі AFC-120, що включений у мережу 6 живлення електромагніту віброприводу 4. При стартовому запуску кавітатора цю вихідну частоту на регуляторі AFC-120 встановлюють рівною стандартній частоті електромережі, тобто 50 Гц. Увімкнутий в мережу 6 живлення електромагніта 4 ватметр 27, при цьому, відображає величину споживаної електромагнітом потужності. Регулюванням на пульті керування регулятора AFC-120 частоти вихідної напруги плавно змінюють частоту коливань дек-збурювачів кавітації 5, візуально відслідковуючи, при цьому, зміни характеру рухів, стану та поведінки досліджуваної рідини та формованого в ній деками 5 кавітаційного поля, бульбашок та каверн - зародків кавітації, а також покази ватметра. По мірі наближення частот коливань дек 5 до значень частот, кратних резонансним частотам коливань наявних у рідині зародків кавітації, оброблювана газорідинна суміш, завдяки стрімкому збільшенню в ній, колись розчинених, а тепер вивільнених, бульбашок повітря та газів, стрімко втрачає свою міцність. Це знижує опір просторовим переміщенням в ній збурювачів кавітації 5 і проявляється у зменшенні необхідної на переміщень енергії. За коливними деками 5, при цьому формуються ділянки розрідження, що фіксується показами манометра 13, стрибкоподібно понижується величина споживаної електромагнітом приводу потужності, що відображається на показах ватметра 27 та блока індикації 31 споживаної потужності електроприводу. Фіксують покази манометра 13, ватметра 27, а головне, - відображену на індикаторному пульті керування регулятора моделі AFC-120 частоту живлення електромагніту приводу, при якій відбулися стрімкі падінні тиску та споживаної потужності в кавітаторі. Плавними змінами у боки збільшення та зменшення від зафіксованої частоти, відслідковуючи покази ватметра 27, встановлюють ширину та межі діапазону виявлених частот кратності резонансним. При виході за межі даного діапазону кратності резонанс зародків кавітації щезає і споживана електромагнітом приводу потужність стрімко наростає, що легко зафіксувати візуально або із допомогою блоку індикації 31 змін потужності. Дослідивши один діапазон частот, кратних резонансним частотам коливань зародків кавітації, знову регулятором частоти моделі AFC-120 нарощують (чи у разі потреби понижують) частоту коливань дек 5 до появи чергового періоду кратності резонансу, де повторюють всі вище описані дії. Так досліджують весь діапазон сприйнятних для приводу віброкавітатора частот, обравши в кінцевому для нього ті значення, за яких віброкавітаційна обробка найефективніша із технологічних міркувань та вимог до параметрів кінцевої якості оброблюваних рідинних субстанцій за мінімальних енергетичних затрат. Перевагою даного способу кавітаційної обробки рідин при оптимальних частотах коливань збурювачів гідродинамічної кавітації, порівняно із відомими, є пониження енергозатрат на здійснення технологічного процесу завдяки забезпеченню резонансних режимів коливних процесів збурювачів кавітації та наявних у оброблюваних рідинах їх зародків. 3 UA 75274 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб кавітаційної обробки рідин, що включає визначення частот коливань зародків кавітації у рідинних субстанція, кратних резонансним, занурення в рідину збурювачів гідродинамічної кавітації, подачу напруги на обмотки котушок електромагнітів віброприводу для надання збурювачам кавітації коливань в низькочастотному діапазоні, формування в рідині газорідинної суміші із фіксацією її тиску та плавну зміну частоти коливань збурювачів кавітації зміною напруги живлення електромагнітів віброприводу, який відрізняється тим, що при появі в рідині кавітаційного поля, яке супроводжується формуванням газорідинної суміші, фіксують ватметром та блоком індикації, включеними у мережу живлення обмоток котушок електромагнітів віброприводу, максимальне падіння споживаної віброприводом потужності, при якому і здійснюють обробку. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4