Вібраційний електромагнітний кавітатор

Реферат: Вібраційний електромагнітний кавітатор належить до групи обладнання фізико-хімічних методів кавітаційного ініціювання та активації окисно-відновних реакцій у рідинах. Він містить наповнену оброблюваною рідиною робочу камеру із кільцевим статором з увімкнутими до мережі змінної напруги обмотками електроприводу, співвісний статору пружно встановлений із можливістю здійснення коливних рухів якір, стержневу пружну систему підвісу якоря та прикріплені до коливних елементів приводу деки-збурювачі кавітації із отворами для перетікання оброблюваної рідини, згідно винаходу, встановлений на пружних елементах якір є спільним для двох паралельних між собою кільцевих статорів електромагнітів із обмотками їх приводу, увімкнутими до мережі змінної напруги із зміщенням по фазі, деки-збурювачі кавітації встановлені на коливному якорі між статорами із можливістю здійснення коливань вздовж геометричної осі статорів, а пружні елементи, що з'єднують якір із статорами, розташовані по нормалі до геометричної осі якоря та статорів. Технічний результат: швидкість перетікання рідини крізь отвори дек, вдвічі більша порівняно із застосуванням одного кільцевого електромагніту UA 107769 C2 (12) UA 107769 C2 UA 107769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вібраційний електромагнітний кавітатор для обробки рідин належить до галузі кавітаційних хіміко-технологічних процесів. Даний пристрій може бути застосований, наприклад, для водоочищення, знезараження питної води, стоків хімічних, харчових та переробних підприємств від різноманітних забруднень, в тому числі і біологічних. Запропонований пристрій належить до групи обладнання фізико-хімічних методів кавітаційного ініціювання та активації окисновідновних реакцій у рідинах енергією сплескування великої кількості самозароджуваних в рідині кавітаційних бульбашок. Відомий пристрій для збурення гідродинамічної кавітації, що містить циліндричний корпус, системи подачі до нього оброблюваних рідин та супутніх обробці газів, електромагнітний вібропривід із коливними деками, що завдяки перетіканню крізь наявні в них отвори рідини забезпечують збурення кавітації, та мережу живлення електромагніту віброприводу із приладом регулювання частоти напруги [Патент України № 75274 Спосіб кавітаційної обробки рідин / Старчевськии В.Л., Шевчук Л.І., Афтаназів І.С., Строган O.I. заявл. 18.05.2012; реєстраційний номер u201206022, опубл. 26.11.2012 бюл. № 2]. Суттєвою перевагою цього пристрою є забезпечувана ним можливість кавітаційної обробки рідин у резонансних режимах, що досягається підбором частот коливань збурюючих кавітацію дек кратними частотам коливань наявних у оброблюваних рідинах зародків кавітації. Це дозволяє здійснювати високопродуктивну кавітаційну обробку рідин при мінімальних енергозатратах. Однак, певним обмеженням у можливостях застосування кавітаторів даного типу є те, що розташовані у наповненому оброблюваною рідиною корпусі та закріплені на штоку якоря електроприводу деки-збурювачі кавітації переміщаються у паралельних площинах, а не на зустріч одні одним. При цьому між коливними деками не збільшується, а навпаки понижується тиск рідини, що зменшує швидкість її перетікання через отвори у деках. Зменшення швидкості перетікання оброблюваної рідини через отвори у деках зменшує кількість формованих кавітаційних бульбашок і відповідно понижує інтенсивність формованого тут кавітаційного поля. Найбільш близьким до пропонованого є вібраційний електромагнітний пристрій для збурення кавітації, що містить заповнений оброблюваною рідиною нерухомий корпус із робочою камерою, розташований на корпусі на пружних елементах привід низькочастотних вібрацій, який виконано у формі кільцевого електромагніта із співвісно розміщеними статором з обмотками котушок та набраного з листового заліза якорем, пружну систему та встановлені у робочій камері із можливістю здійснення протифазних коливних рухів деки-збурювачі кавітації із отворами для перетікання оброблюваної рідини [Патент України № 6550. Вібраційний електромагнітний пристрій для збурення кавітації / Старчевський В.Л., Шевчук Л.І., Афтаназів І.С., Строган О.І., заявл. 06.06.2011; реєстраційний номер заявки u2011 07143, опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1]. При подачі у робочу камеру оброблюваної рідини та напруги на обмотки котушок електромагнітного приводу статор та якір здійснюють протифазні коливання із частотою, рівною частоті перемінної напруги живлення. При цьому прикріплені до них деки із відносною швидкістю до 10-13 м/с розтинають потік поданої у робочу камеру оброблюваної рідини, збурюючи у ньому кавітацію. Інтенсивність формованого у рідині кавітаційного поля тут регламентується швидкістю переміщень дек-збурювачів кавітації відносно оброблюваної рідини, швидкістю та тиском цієї рідини у робочій камері. Однак, у зв'язку з тим, що коливні якір і статор з'єднані між собою та із нерухомими трубопроводами подачі та відводу рідини гнучкими гофрами, надлишкові тиски рідини понад 0,5 атм. тут недопустимі через руйнування гофр та втрату робочою камерою герметичності. Не забезпечують тут підвищення тиску в рідині і протифазні коливання дек-збурювачів кавітації, оскільки їх рух здійснюються не на зустріч одна одній, а у взаємно паралельних площинах. Як наслідок, у результаті того, що оброблювана рідина не проштовхується через отвори у декахзбурювачах кавітації при підвищених тисках, а лише розсікається її потік коливними переміщеннями дек, інтенсивність кавітаційного поля тут незначна. Це обмежує сферу ефективного використання кавітаторів даного типу. В основу патенту поставлено задачу створення вібраційного електромагнітного кавітатора для кавітаційної обробки рідин, у якому завдяки збільшенням амплітуди просторових переміщень у оброблюваній рідині дек-збурювачів кавітації та швидкостей перетікання рідини через отвори у деках-збурювачах кавітації підвищуватиметься інтенсивність формованого у робочій камері кавітаційного поля. Вища інтенсивність кавітаційного поля забезпечує підвищення якості кавітаційної обробки рідин, скорочення тривалості їх обробки. Поставлена задача вирішується тим, що у вібраційному електромагнітному кавітаторі для кавітаційної обробки рідин, що містить наповнену оброблюваною рідиною робочу камеру із кільцевим статором з увімкнутими до мережі змінної напруги обмотками електроприводу, 1 UA 107769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 співвісний статору пружно встановлений із можливістю здійснення коливних рухів якір, стержневу пружну систему підвісу якоря та прикріплені до коливних елементів приводу декизбурювачі кавітації із отворами для перетікання оброблюваної рідини, згідно винаходу, встановлений на пружних елементах якір є спільним для двох паралельних між собою кільцевих статорів електромагнітів із обмотками їх приводу, увімкнутими до мережі змінної напруги із зміщенням по фазі, деки-збурювачі кавітації встановлені на коливному якорі між статорами із можливістю здійснення коливань вздовж геометричної осі статорів, а пружні елементи, що з'єднують якір із статорами, розташовані по нормалі до геометричної осі якоря та статорів. У запропонованому пристрої амплітуда просторових переміщень дек-збурювачів кавітації у оброблюваній рідині, а відповідно і їх швидкість, вдвічі більші порівняно із застосуванням одного кільцевого електромагніту. Забезпечується це тим, що у кожному півперіоді синусоїдальної змінної напруги мережі живлення якір на величину амплітуди А почергово притягується до одного із крайніх електромагнітів, пружними елементами повертається у нейтральне положення, а у наступному півперіоді - аналогічно на таку ж величину амплітуди А притягується до іншого електромагніту та знову пружними елементами повертається у вихідне нейтральне положення. За сталих частоти і тривалості періоду змінної напруги живлення обмоток котушок електромагнітів подвійне збільшення амплітуди та розмаху коливань якоря у стільки ж разів збільшує максимальну швидкість коливних переміщень прикріплених до нього дек, і відповідно, пропорційно нарощує інтенсивність формованого тут кавітаційного поля. Додаткового підвищення тиску оброблюваній рідині надає розташуванням стержневих пружних елементів по нормалі до геометричної осі якоря та статорів. Прикріплені до коливного якоря деки-збурювачі кавітації при цьому здійснюють коливні переміщення вздовж геометричної осі статорів та якоря, у тому числі і назустріч одна одній, стискаючи розміщену між ними оброблювану рідину та підвищуючи у ній тиск. У результаті сумарне підвищення швидкості та тиску оброблюваної рідини і забезпечує тут підвищення інтенсивності формованого кавітаційного поля. Вища інтенсивність кавітаційного поля забезпечує підвищення якості кавітаційної обробки рідин, скорочення тривалості їх обробки. Вібраційний електромагнітний кавітатор зображений на фіг. 1, на фіг. 2 - відображено поперечний переріз А-А (фіг. 1) на (фіг. 3) - вигляд по стрілці Б (фіг. 1). До його складу входять завантажувальна 6, робоча 9 та відвідна 14 камери. Робоча камера 9 з'єднана із завантажувальною 6 та відвідною 14 із можливість відносних переміщень через гнучкі гофри 8 та 12. На робочій камері 9 закріплено набраний із листового заліза кільцевий якір 10, а камера та якір через кронштейни 2 та циліндричні пружні стержні 5 з'єднані із закріпленими на трубах завантажувальної 6 та відвідної 14 камер реактивних масах 11. Співвісно якореві 10 до кожної із закріплених на завантажувальній 6 та відвідній 14 камері реактивних масах 11 прикріплено корпус 4 електромагніта. У корпусі 4 співвісно якореві 10 розташовані кільцеві статор 15 із котушкою обмотки 3. Кожен із статорів 15 із котушкою обмотки 3 та спільним якорем 10 (фіг. 1) формують два симетрично розміщених відносно якоря 10 електромагніти. Обмотки електромагнітів під'єднані до мережі змінної напруги живлення із зміщенням по фазі, таким чином, що у першому півперіоді синусоїдальної змінної напруги якір притягується до одного із крайніх електромагнітів, а у другому півперіоді - до іншого електромагніту. Співвісно розташовані статори 15 із котушками обмоток 3 та якір 10 з робочою камерою 9 утворюють кільцевий електромагнітний віброзбудник із двома електромагнітами та спільним якорем (фіг. 2). Електромагнітний віброзбудник у поєднанні із прикріпленими до реактивної маси пружними стержнями 5 формують двомасну резонансну коливну систему. Перша з коливних мас - наповнена оброблюваною рідиною робоча камера 9 із прикріпленим до неї якорем 10 та деками 7, друга - статори 15 із обмотками 3, реактивні маси 11 із масивними трубами завантажувальної 6 та відвідної 14 камер (фіг. 3). До якоря та статора жорстко прикріплені деки 7 та 13 - збурювані кавітації із рівномірно розташованими по всій їх площі отворами для протікання оброблюваної рідини. Діаметри отворів у деках 7 та 13 рівні амплітуді коливань робочої камери, а віддаль між сусідніми отворами - потрійному значенню амплітуди. Пари прикріплених до якоря та статора дек розміщені симетрично на вході та виході робочої камери 9. Від потрапляння сторонніх предметів до коливних систем електромагнітний віброзбудник захищено захисним кожухом 1. Робота вібраційного електромагнітного кавітатора здійснюється наступним чином. По трубі завантажувальної камери 6 в робочу камеру 9 під незначним тиском або самотоком подають оброблювану рідину. Одночасно на обмотки 3 котушок електромагнітів із вище відзначеним зміщенням по фазі подають напругу. Електромагніти почергово притягують до себе якір 10 із наповненою оброблюваною рідиною робочою камерою 9, прогинаючи при цьому пружні 2 UA 107769 C2 5 10 15 20 25 циліндричні стержні 5. Прогин та пружність циліндричних стержнів 5 розраховано таким чином, що вони забезпечують резонансні коливні режими робочої камери 9 та унеможливлюють співвдаряння якоря 10 та статорів 15 між собою (фіг. 1). Почергове протягування якоря 10 до електромагнітів 15 трансформується у направлені плоскопаралельні коливні переміщення наповненої оброблюваною рідиною робочої камери 9. Ці коливання відбуваються із певними розрахунковими амплітудами та частотою, рівною подвоєній частоті подачі напруги на котушки кільцевих електромагнітних віброзбудників. Так при частоті змінної напруги мережі живлення обмоток 3 електромагнітів 50 Гц частота коливань робочої камери 9 буде рівною 100 Гц. Разом із коливною робочою камерою 9 плоскопаралельні переміщення здійснюють і прикріплені до камери деки 7 із отворами, пересікаючи потік оброблюваної рідини, що неперервно надходить в цю камеру. По мірі наближення коливних дек 7 до нерухомих дек 14 тиск рідини між деками наростає, що сприяє проштовхуванню оброблюваної рідини крізь отвори у нерухомих деках 14 із швидкістю, рівній швидкості переміщень дек 7. При рекомендованій амплітуді коливань дек 1,5-2 мм і частоті 100 Гц швидкість, з якою дека перетинає потік рідини, становить 9,4-12,6 м/с. Співвісним розташуванням коливних та нерухомих дек, що здійснюють коливні рухи назустріч одна одній, забезпечується підвищення тиску та швидкості гідравлічних потоків оброблюваної рідини при її протіканні крізь отвори, які облаштовані у деках-збурювачах кавітації. У наслідок цього струмені рідини втрачають щільність та міцність, а із завжди наявних у рідині зародків кавітації лавиноподібно зароджуються, збільшуються у своєму об'ємі та сплескують кавітаційні бульбашки, які і формують кавітаційне поле високої інтенсивності. Рівномірним розташуванням отворів в деках 7 та 14 забезпечується рівномірність інтенсивності кавітаційного поля по всій площі поперечного перерізу робочої камери 9, тобто рівномірність обробки рідини. Завдяки симетричному розташуванню дек-збурювачів кавітації, протікаючи через робочу камеру 9, рідина двічі піддається кавітаційній обробці. Після проходження в робочій камері подвійної кавітаційної обробки рідина через відвідну камеру 14 подається для подальшого цільового використання. Основною перевагою вібраційного електромагнітного кавітатора порівняно із відомими є висока продуктивність, придатність для обробки значних обсягів рідин в неперервному їх потоці у поєднанні із забезпеченням високої якості та рівномірності обробки рідин. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Вібраційний електромагнітний кавітатор, що містить наповнену оброблюваною рідиною робочу камеру із кільцевим статором з увімкнутими до мережі змінної напруги обмотками електроприводу, співвісний статору пружно встановлений із можливістю здійснення коливних рухів якір, стержневу пружну систему підвісу якоря та прикріплені до коливних елементів приводу деки-збурювачі кавітації із отворами для перетікання оброблюваної рідини, який відрізняється тим, що встановлений на пружних елементах якір є спільним для двох паралельних між собою кільцевих статорів електромагнітів із обмотками їх приводу, увімкнутими до мережі змінної напруги із зміщенням по фазі, деки-збурювачі кавітації встановлені на коливному якорі між статорами із можливістю здійснення коливань вздовж геометричної осі статорів, а пружні елементи, що з'єднують якір із статорами, розташовані по нормалі до геометричної осі якоря та статорів. 3 UA 107769 C2 4 UA 107769 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 5