Гідродинамічний кавітаційний активатор

Реферат: Гідродинамічний кавітаційний активатор містить циліндричний корпус з вхідним і вихідним отворами для протікання оброблюваної рідини, в середині якого розташовані спряжені ротор і статор виконані у вигляді двох співвісних дисків, обернені одна до одної поверхні яких мають кругові пази і радіальні канавки. Ротор і статор виготовлені з двох максимально різнорідних, у електрохімічному відношенні, кавітаційностійких сплавів. UA 72342 U (54) ГІДРОДИНАМІЧНИЙ КАВІТАЦІЙНИЙ АКТИВАТОР UA 72342 U UA 72342 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до пристроїв для гідродинамічної обробки рідини та може бути використана як хімічний реактор, в якому функцію каталізатора виконує кавітація. Гідродинамічні пристрої, що використовують кавітацію як каталізатор хімічних процесів, достатньо широко застосовують в різних галузях промисловості для проведення хімічних реакцій, модифікації розчинів, прискорення екстракції, обробки промислових та побутових стоків, виготовлення й руйнування емульсій, тощо. Кавітація - це процес утворення в рідині неоднорідностей густини з виникненням порожнин так званих кавітаційних бульбашок, заповнених газом, паром чи їх сумішшю в результаті місцевого зниження тиску. Відбувається миттєве зародження, розширення та подальше сплескування кавітаційних бульбашок. Інтенсивні гідродинамічні коливання, що виникають при утворенні і руйнуванні кавітаційної бульбашки, стимулюють фазові переходи в мікрооб'ємах, 7 при цьому локальна температура може досягати 3000°К, а тиск - 3·10 Па (300 атм.). Розрізняють гідродинамічну, якщо зниження тиску відбувається внаслідок виникнення великих місцевих швидкостей у потоці рідини, яка рухається, та акустичну, якщо зниження тиску відбувається внаслідок проходження акустичних хвиль, кавітацію. Гідродинамічна кавітація виникає в результаті місцевого зниження тиску в рідині p до певного критичного значення pкр (за реальних умов значення pкр близьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі). Мінімуми тиску виникають на криволінійних твердих тілах, а за наявності сильних вихорів - і у внутрішніх областях рідини. При цьому присутні в рідині бульбашки газу або пари, рухаючись із потоком рідини і потрапляючи в область тиску p  pкр , набувають властивості необмеженого зростання. При переході в область, де 25 30 35 40 45 50 55 p  pкр зростання бульбашки припиняється, і вона починає зменшуватись. Якщо бульбашка містить достатньо багато газу, то після досягнення мінімального радіусу вона відновлюється і здійснює декілька циклів згасаючих коливань, а якщо мало, то бульбашка замикається повністю в першому періоді життя. Крім цього, в моменти утворення і зникання кавітаційної порожнини, протягом характерного часу порядку мікросекунд, у малій газонаповненій порожнині створюються умови для виникнення електричних зарядів, люмінесценції, багатих енергією дисоціаційованих молекул, атомів і вільних радикалів. Відомі гідродинамічні кавітаційні реактори, принцип роботи яких заснований на описаному вище механізмі. Зазначені гідродинамічні пристрої мають камеру, в якій розміщений генератор кавітації - ротор та статор, з'єднані із зовнішнім джерелом електричного струму. За рахунок протікання току крізь рідину, що обробляють, створюється додаткове електромагнітне поле у потоці рідини [1]. Ефективність роботи такого пристрою зростає несуттєво оскільки при малих зазорах між ротором і статором енергія електричного струму витрачається, в основному, на нагрівання. Крім того, тут необхідне додаткове електричне ізолювання, а також вузол для забезпечення подачі потенціалу на вал ротора. Для підвищення ефективності роботи гідродинамічного пристрою необхідне зростання інтенсивності кавітаційного впливу на сировину. Це досягається підвищенням швидкості обертання ротора. При цьому відбувається зростання, як термобаричного, так і електромагнітного впливу на оброблюване середовище. Швидкість обертання ротора має технічні обмеження, а саме, коли колова швидкість дорівнює 20 м/с, відбувається зрив генерації кавітаційних течій, а коли колова швидкість ротора складає більш ніж 50 м/с, відбувається різке зростання кавітаційної ерозії. Таким чином, оптимальне значення колової швидкості ротора гідродинамічного пристрою знаходиться в межах 25-45 м/с. Іншим заходом збільшення впливу на оброблюване середовище є підвищення інтенсивності електричних та магнітних коливань всередині оброблюваної рідини. Найближчим аналогом до пристрою, що заявляється, є гідродинамічний апарат роторного типу (ГАРТ), який містить циліндричний корпус з вхідним і вихідним отворами для протікання оброблюваної рідини [2]. В корпусі апарата розташовані ротор і спряжений з ним статор у вигляді двох співвісних дисків, на обернених одна до одної поверхнях яких виконані кругові пази і радіальні канавки. Рідина обробляється за допомогою кавітації, що виникає в рідині, що заповнює пази і канавки між ротором і статором при обертанні одного диска відносно другого. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення гідродинамічного кавітаційного активатора з метою досягнення збільшення інтенсивності електромагнітного впливу на оброблюване середовище за умов збереження оптимальної кругової швидкості ротора. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої, вибраному за найближчий аналог, що містить циліндричний корпус з отворами для втікання і витікання оброблюваної рідини, в якому 1 UA 72342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 розташовані спряжені ротор і статор, що виготовлені у вигляді двох співвісних дисків, на обернених одна до одної поверхнях яких виконані кругові пази і радіальні канавки, згідно з корисною моделлю, ротор і статор виготовлені з двох максимально різнорідних, у електрохімічному відношенні, кавітаційностійких сплавів. Найкращого ефекту досягають, коли ротор виготовлений з нержавіючої сталі марки 12X18Н10Т, а статор - з алюмінієвої бронзи марки Бр.АЖ9-4, або за умов, коли ротор виготовлений з алюмінієвої бронзи марки Бр.АЖ9-4, а статор - з нержавіючої сталі марки 12X18Н10Т. Пара матеріалів нержавіюча сталь марки 12X18Н10Т і алюмінієва бронза марки Бр.АЖ9-4 виявляють мінімальний кавітаційний знос при експлуатації. Інші сплави виявляють кавітаційний знос мінімум у 2,5 рази вище. Нержавіюча сталь набуває негативного електрохімічного потенціалу, а алюмінієва бронза - позитивного. Різниця електрохімічного потенціалу між цими сплавами залежить від вмісту металів та складає 47,247,9 мВ. Використання в запропонованому гідродинамічному активаторі ротора і статора, виготовлених із сплавів, що мають різні електрохімічні потенціали, за умов малих зазорів та високої швидкості руху поверхонь одна відносно іншої дозволяє суттєво збільшити електромагнітний вплив на оброблюване середовище без підвищення кругової швидкості ротора. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями (фіг 1 - фіг. 3). На фіг. 1 зображено розріз загального виду гідродинамічного кавітаційного активатора, виконаного як приклад практичної реалізації запропонованої корисної моделі. На фіг. 2 зображено збільшений фрагмент конструкції, позначений на фіг. 1. На фіг. 3 зображено відповідно розріз А-А та розріз В-В, що позначені на фіг. 2. Гідродинамічний кавітаційний реактор містить корпус 1 циліндричної форми, в якому є вхідний 2 і вихідний 3 отвори для протікання оброблюваної рідини. У корпусі 1 розташовані ротор 4 і спряжений з ним статор 5, виконані у вигляді дисків. По колу дисків ротора 4 і статора 5 виконані, відповідно, пази 6, 7 та радіальні канавки 8, 9, які формують виступи 10, 11. Зона виникнення позитивного потенціалу ротора, виготовленого з алюмінієвої бронзи, нанесена позначкою +, а зона негативного потенціалу статора, виготовленого з нержавіючої сталі, нанесена позначкою -, стрілкою → показано напрям вектора напруженості електричного поля Е в зазорах (фіг. 2). Гідродинамічний кавітаційний реактор працює наступним чином. Рідина, що обробляється, через вхідний отвір 2 потрапляє в простір між ротором 4 і статором 5. При обертанні ротора в моменти, коли радіальні канавки 8 ротора 4 і радіальні канавки 9 статора 5 співпадають, відкривається створ для протоку, і порція рідини вільно переміщується в напрямі від центра дисків до периферії. Рідина захоплюється виступами 10 ротора 4 і проштовхується в пази 6 ротора 4 і пази 7 статора 5. При цьому відбувається інтенсивне перемішування рідини. Рідина під час обробки протікає перпендикулярно вектору напруженості електричного поля, яке створюється за рахунок різниці електрохімічного потенціалу матеріалів ротора і статора. При обробці води, яка включає домішки, рідина проводить струм, що, за умов її руху перпендикулярно вектору магнітного поля, призводить до генерації магнітних полів за рахунок виникнення ефекту Холла. Перемінне магнітне поле, в свою чергу, генерує електричне поле, яке породжує перемінний електричний струм. Оскільки рух рідини у просторі між ротором та статором є турбулентним, електромагнітне випромінювання має безперервний спектр з граничною частотою у сотні мегагерц. Електромагнітна дія на оброблюване середовище, поряд з температурою та тиском, є визначальним фактором швидкості протікання хімічних реакцій. При цьому, показником ефективності є об'єм виходу кінцевих продуктів (показник ступеня конверсій системи). Ротор гідродинамічного кавітаційного активатора приводять в рух за допомогою електродвигуна (на кресленні не показаний). Рідину подають на обробку через вхідний отвір 2 і видаляють з нього через вихідний отвір 3 обертовим ротором, за принципом відцентрового насосу. Ефективність роботи корисної моделі оцінювали за величиною зменшення електрохімічного потенціалу оброблюваної рідини, що вимірювали до та після обробки. Досліджуваний гідродинамічний кавітаційний активатор мав наступні технічні характеристики: матеріал ротора - алюмінієва бронза марки Бр.АЖ9-4 матеріал статора нержавіюча сталь марки 12X18Н10Т, діаметр ротора і статора - 280 мм, швидкість обертання ротора - 2940 обертів за хвилину, що відповідає коловій швидкості ротора 43,1 м/с. 2 UA 72342 U 5 Як оброблювану рідину використовували артезіанську воду, воду з мережі міського водопостачання та стічну воду гальванічного цеху після відстоювання та фільтрації. Обробку зразків води проводили за двома варіантами: перший, ротор і статор виготовляли із нержавіючої сталі марки 12X18Н10Т, як у найближчому аналогу, та, другий, коли ротор був виготовлений із алюмінієвої бронзи марки Бр.АЖ9-4, а статор - із нержавіючої сталі марки 12X18Н10Т, згідно корисної моделі. Вимірювання електрохімічного потенціалу рідини проводили за допомогою ОВП - метра ORP-200. Результати досліджень наведені в табл. 1 - табл. 4. 10 Таблиця 1 Електрохімічний потенціал рідини через 2 хвилини після обробки Рідина Вода артезіанська Вода водопровідна Стоки гальванічного цеха 15 Електрохімічний потенціал рідини, мВ Обробка за Обробка за корисною Без обробки найближчим аналогом моделлю +180 +70 -90 +150 +80 -120 +830 +410 +370 Електрохімічний потенціал артезіанської води, виміряний через 2 хвилини після обробки на пристрої, виготовленому за найближчим аналогом, зменшився на 110 мВ, а на пристрої, виготовленому за корисною моделлю, - на 270 мВ, тобто в 2,45 рази вище. Після обробки водопровідної води її потенціал зменшився на 50 мВ та на 270 мВ, (в 5,4 рази), а стоків гальванічного цеху - на 420 мВ та на 460 мВ (в 1,1 рази), відповідно. Таблиця 2 Електрохімічний потенціал рідини через1 годину після обробки Рідина Вода артезіанська Вода водопровідна Стоки гальванічного цеха Електрохімічний потенціал рідини, мВ Обробка за Обробка за корисною Без обробки найближчим аналогом моделлю +180 +120 -10 +150 +120 -30 +830 +460 +280 Примітка: Після обробки в продовж 15 хвилин стоків гальванічного цеха за корисною моделлю відбулося випадіння осада. Вимірювання потенціалу проводили у відстояній воді. 20 Електрохімічний потенціал артезіанської води, виміряний через 1 годину після обробки на пристрої, виготовленому за найближчим аналогом, зменшився на 60 мВ, а на пристрої, виготовленому за корисною моделлю, - на 190 мВ, тобто в 3,2 рази вище. Після обробки водопровідної води її потенціал зменшився на 30 мВ та на 180 мВ, (в 6 разів), а стоків гальванічного цеха - на 370 мВ та на 550 мВ (в 1,5 рази), відповідно. Таблиця 3 Електрохімічний потенціал рідини через 12 годин після обробки Рідина Вода артезіанська Вода водопровідна Стоки гальванічного цеха Електрохімічний потенціал рідини, мВ Обробка за Обробка за корисною Без обробки найближчим аналогом моделлю +180 +140 +20 +150 +140 +30 +830 +600 +260 Примітка: Після обробки в продовж 15 хвилин стоків гальванічного цеха за корисною моделлю відбулося випадіння осада. Вимірювання потенціалу проводили у відстояній воді. 3 UA 72342 U 5 Електрохімічний потенціал артезіанської води, виміряний через 12 годин після обробки на пристрої, виготовленому за найближчим аналогом, зменшився на 40 мВ, а на пристрої, виготовленому за корисною моделлю, - на 160 мВ, тобто в 4 рази вище. Після обробки водопровідної води її потенціал зменшився на 10 мВ та на 120 мВ, (в 12 разів), а стоків гальванічного цеху - на 230 мВ та на 570 мВ (в 2,5 рази), відповідно. Таблиця 4 Електрохімічний потенціал рідини через 4 доби після обробки Рідина Вода артезіанська Вода водопровідна Стоки гальванічного цеха 10 15 20 25 30 35 40 Електрохімічний потенціал рідини, мВ Обробка за Обробка за корисною Без обробки найближчим аналогом моделлю +180 +140 +50 +150 +150 +50 +830 +600 +250 Електрохімічний потенціал артезіанської води, виміряний через 4 доби після обробки на пристрої, виготовленому за найближчим аналогом, зменшився на 40 мВ, а на пристрої, виготовленому за корисною моделлю, - на 130 мВ, тобто в 3,25 рази вище. Після обробки водопровідної води на пристрої, виготовленому за найближчим аналогом її потенціал не змінився, а на пристрої, виготовленому за корисною моделлю, зменшився на 100 мВ. Після обробки стоків гальванічного цеха на пристрої, виготовленому за найближчим аналогом, зменшення потенціалу складало 230 мВ, а на пристрої, виготовленому за корисною моделлю, -580 мВ, тобто в 2,5 рази вище. За даними, наведеними у табл. 1 - табл. 4, можна зробити такі висновки: обробка рідини на гідродинамічному активаторі, в якому ротор і статор виготовлені із різнорідних, у електрохімічному відношенні, сплавів, дозволяє збільшити ефективність дії на оброблювану рідину без збільшення кругової швидкості ротора. Корисна модель також може бути використана для деструктивної обробки компонентів суспензій або емульсій - диспергування, гомогенізації, а також перемішування, розчинення тощо, з використанням фізико-механічних ефектів, що супроводжують гідродинамічну кавітацію, в харчовій, хімічній, нафтохімічній, целюлозно-паперовій і інших галузях промисловості. Джерела інформації: 1. Эльпинер И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. - М.: ФИЗМАТГИЗ, 1963. - 420 с. 2. Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. - М: Химия, 1986. – 288 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Гідродинамічний кавітаційний активатор, що містить циліндричний корпус з вхідним і вихідним отворами для протікання оброблюваної рідини, в середині якого розташовані спряжені ротор і статор, що виконані у вигляді двох співвісних дисків, обернені одна до одної поверхні яких мають кругові пази і радіальні канавки, який відрізняється тим, що ротор і статор виготовлені з двох максимально різнорідних, у електрохімічному відношенні, кавітаційностійких сплавів. 2. Гідродинамічний кавітаційний активатор за п. 1, який відрізняється тим, що ротор виготовлений з нержавіючої сталі марки 12Х18Н10Т, а статор - з алюмінієвої бронзи марки Бр.АЖ9-4. 3. Гідродинамічний кавітаційний активатор за п. 1, який відрізняється тим, що ротор виготовлений з алюмінієвої бронзи марки Бр.АЖ9-4, а статор - з нержавіючої сталі марки 12Х18Н10Т. 4 UA 72342 U 5 UA 72342 U 6 UA 72342 U 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 7