ОВЧЕНКОВА Оксана Анатольевна (ул. 8 Марта, д. 9 кв. 53, Подольск, Московская обл, 1 Podolsk, RU)
KUKANOV, Vyacheslav Alekseevich (ul. Letnaya, 27-63Mytisch, Moskovskaya obl. 8, 14101, RU)
формула изобретения
1.способ тепломассоэнергообмена текучих сред состоящий в том, что формируют по меньшей мере два вихревых потока этих текучих сред, обеспечивают их частичное соприкосновение на глубину, достаточную для инициирования акустического резонансного возбуждения за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, после чего возбужденные потоки объединяют и выводят обработанный звуком объединенный поток на использование, отличающийся тем, что первый вихревой поток формируют кольцевой формы, по меньшей мере, один второй вихревой поток создают внутри первого кольцевого потока, обеспечивают частичное соприкосновение наружных поверхностных слоев второго вихревого потока с внутренними поверхностными слоями первого кольцевого вихревого потока так, что при этом центробежные силы первого и второго вихревых потоков направлены в одну и ту же сторону и устанавливают напорно- расходный гидродинамический режим каждого из потоков с учетом инициирования общего акустического резонансного возбуждения. 2. устройство тепломассоэнергообмена, содержащее по меньшей мере одну напорную продуктовую камеру (1), первую и по меньшей мере одну вторую вихревые трубы (8, 13) сообщенные между собой в зоне частичного пересечения, и расположенную на выходе, объединяющую обе вихревые трубы (8,13), акустическую камеру (20), отличающееся тем, что в первой вихревой трубе (8), сообщенной на входе с первой напорной камерой (1), концентрично ей установлен цилиндрический вытеснитель (11), образующий с внутренней стенкой трубы (8) кольцевое пространство (12) для формирования первого кольцевого вихревого потока, при этом в периферийной области вытеснителя (11) параллельно его оси сформирована, по меньшей мере, одна вторая вихревая труба (13), сообщенная на входе со второй напорной камерой (14), и расположенная так, что поверхность внутренней стенки второй вихревой трубы (13) пересекает наружную поверхность кольцевого вытеснителя (11) с образованием зоны (16) частичного пересечения первой и второй вихревых труб (8 и 13).
3. устройство по п.2, отличающееся тем, на выходном торце цилиндрического вытеснителя (11) с зазором (19) относительно него на пути потока второй вихревой трубы (13) установлена отражающая пластина (18).
4.уcтpoйcтвo по п.з, отличающееся тем, что содержит четыре вторые вихревые трубы (13), равномерно распределенные по окружности цилиндрического вытеснителя (11) и сообщенные соответствующими тангенциальными соплами (15) со второй напорной камерой (14), при этом тангенциальные сопла (15) ориентированы с обеспечением
заменяющий лист (правило 26) формирования однонаправленных и/или встречных вторых вихревых потоков относительно первого вихревого потока.
5.уcтpoйcтвo по п.4, отличающееся тем, что вторые вихревые трубы (13' и 13") имеют разные диаметры. б.устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что входные патрубки (2 и 6) первой и второй напорных продуктовых камер (1 и 14) снабжены регулирующими давление вентилями (4 и 7).
заменяющий лист (правило 26) |
способ тепломассоэнергообмена текучих сред и устройство для его осуществления.
область техники
изобретение относится к акустическим способам интенсификации тепломассоэнергообмена и более точно касается способа тепломассоэнергообмена текучих сред и устройства для его осуществления.
предшествующий уровень техники
известны способы тепломассоэнергообмена при акустическом возбуждении потоков жидких продуктов путем передачи жидкости колебательной энергии с помощью источника механических колебаний, взаимодействующего с жидкостью. используется этот способ в гидродинамических ультразвуковых излучателях с пластинчатыми и стержневыми резонансными колебательными устройствами, в вихревых и роторно- пульсационных аппаратах.
известен также способ тепломассоэнергообмена при акустическом возбуждении, инициируемом взаимодействием струйных потоков путем передачи кинетической энергии одного потока другому. этот способ используется в струйно-вихревых аппаратах (инжекторах, вихревых трубах), в которых происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую с последующим тепломассоэнергообменом взаимодействующих сред. в результате такого взаимодействия возникает резонанс и кавитационный эффект, что сопровождается разрывом связей между молекулами и атомами, при восстановлении которых выделяется энергия в виде тепла. на этом принципе работают теплогенераторы. кроме того, известен способ нагревания жидкости путем возбуждения в ней акустического резонанса, раскрытый в патенте RU,2232630, опубликованном 20.07.04 . этот способ основан на обработке жидкости источником механических колебаний на частоте из ряда основных частот, подчиняющихся определенной эмпирической зависимости, и состоит в том, что жидкость подают в полость вращающегося рабочего колеса и выпускают из полости через ряд выходных отверстий в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса в кольцевую камеру, а затем, в сборную камеру, при соблюдении определенных соотношений между частотой вращения рабочего колеса, радиуса периферийной стенки и резонансной частотой. однако этот способ сложен в реализации, требует соблюдения строгой избирательности возбуждения, характеризуется многофакторной зависимостью резонансного возбуждения от геометрических, частотных
параметров и обладает ограниченными возможностями использования для проведения других тепломассоэнергообменных процессов.
наиболее близким по технической сущности является способ тепломассоэнергообмена текучих сред и устройство для его осуществления, раскрытые в патенте RU, 2268772, опубликованном 27.01.06. известный способ состоит в том, что формируют, по меньшей мере, два вихревых потока текучих сред, обеспечивают их частичное соприкосновение на глубину, достаточную для инициирования акустического резонансного возбуждения за счет деформационно-сдвигового взаимодействия, после чего возбужденные потоки объединяют и выводят обработанный звуком объединенный поток на использование. возбуждение потоков осуществляют с помощью устройства, состоящего из двух и более вихревых труб, которые сообщаются между собой посредством частичного пересечения по образующим, благодаря чему обеспечивается соприкосновение встречно-направленных поверхностно наружных слоев сформированных в этих трубах вихревых потоков.
однако, при осуществлении данного способа, в результате взаимодействия встречно- направленных поверхностно наружных слоев вихревых потоков, в этих потоках возникают противоположно направленные центробежные силы, которые искажают геометрию вихреобразования, следствием чего является уменьшение времени существования процесса вихреобразования и сокращение эффективной полосы спектра амплитудно-частотных характеристик акустического возбуждения. в результате на выходе вихревых труб в вихревых потоках резко падает интенсивность возбуждения. кроме того, регулирование акустического возбуждения при неизменных диаметрах вихревых труб и сечений тангенциальных сопел возможно только изменением напорно- расходных характеристик потока на входе в напорную камеру, а это приводит к резким изменениям гидродинамических режимов возбуждения, т.е. к уменьшению диапазона регулирования интенсивности эффективного возбуждения и падению производительности.
сущность изобретения
в основу изобретения поставлена задача создать способ тепломассоэнергообмена текучих сред, который исключал бы'появление сил, приводящих к искажению геометрии вихреобразования, создавал бы условия для увеличения времени существования резонансных вихрей и обеспечения управляемого акустического возбуждения одно- или двухкомпонентных текучих сред типа жидкость-жидкость, жидкость-газ, газ-газ в заданном диапазоне амплитудно-частотных характеристик, а также создать устройство
для осуществления данного способа, которое было бы надежно в работе и удобно в эксплуатации.
поставленная задача решается тем, что в способе тепломассоэнергообмена текучих сред состоящем в том, что формируют, по меньшей мере, два вихревых потока этих текучих сред, обеспечивают их частичное соприкосновение на глубину, достаточную для инициирования акустического резонансного возбуждения за счет деформационно- сдвигового взаимодействия, после чего возбужденные потоки объединяют и выводят обработанный звуком объединенный поток на использование, согласно изобретению, первый вихревой поток формируют кольцевой формы, по меньшей мере, один второй вихревой поток создают внутри первого кольцевого потока, обеспечивая частичное соприкосновение наружных поверхностных слоев второго вихревого потока с внутренними поверхностными слоями первого кольцевого вихревого потока так, что при этом центробежные силы первого и второго вихревых потоков направлены в одну и ту же сторону и устанавливают напорно-расходный гидродинамический режим каждого из потоков с учетом инициирования общего акустического резонансного возбуждения.
поставленная задача решается также и тем, что в устройстве тепломассоэнергообмена, содержащем, по меньшей мере, одну напорную продуктовую камеру, первую и, по меньшей мере, одну вторую вихревые трубы, сообщенные между собой в зоне частичного пересечения, и расположенную на выходе, объединяющую обе вихревые трубы, акустическую камеру, согласно изобретению, в первой вихревой трубе, сообщенной на входе с первой напорной камерой, концентрично ей установлен цилиндрический вытеснитель, образующий с внутренней стенкой трубы кольцевое пространство для формирования первого кольцевого вихревого потока, при этом в периферийной области вытеснителя параллельно его оси сформирована, по меньшей мере, одна вторая вихревая труба, сообщенная на входе со второй напорной камерой, и расположенная так, что поверхность внутренней стенки второй вихревой трубы пересекает наружную поверхность кольцевого вытеснителя с образованием зоны частичного пересечения первой и второй вихревых труб.
целесообразно на выходном торце цилиндрического вытеснителя с зазором относительно него на пути потока второй вихревой трубы установить отражающую пластину.
в предпочтительном варианте выполнения устройство содержит четыре вторые вихревые трубы, равномерно распределенные по окружности цилиндрического вытеснителя и сообщенные соответствующими тангенциальными соплами со второй напорной камерой, при этом тангенциальные сопла ориентированы с обеспечением формирования
однонаправленных и/или встречных вторых вихревых потоков относительно первого вихревого потока. возможно, чтобы вторые вихревые трубы имели одинаковые или разные диаметры.
для управления энергетическими параметрами процесса акустического возбуждения входные патрубки первой и второй напорных продуктовых камер снабжены регулирующими давление вентилями.
в результате предложенного расположения вихревых труб центробежные силы наружного кольцевого потока и формируемого внутри него второй вихревой трубой второго вихревого потока всегда направлены в одну сторону , как при встречном, так и при согласном направлении взаимодействующих потоков. опытным путем установлено, что акустическое резонансное возбуждение зависит от плотности, вязкости, температуры и лиофильности жидкостей, т.е. способности растворяться друг в друге. эти свойства и определяют качество получаемых в результате обработки эмульсий или смесей - дисперсность, гомогенность, стойкость при хранении. поэтому существует потребность в возбуждении как встречно-направленных, так и согласно-направленных потоков текучих сред. однако в любом случае, направленные в одну сторону центробежные силы возбуждаемых потоков в результате сложения будут способствовать более интенсивному возбуждению текучих сред и увеличению времени существования процесса возбуждения, а также расширению спектра эффективных амплитудно-частотных характеристик. вместе с этим существенным является тот факт, что вихревые потоки в первой и вторых резонансных трубах отличаются их окружными и линейными скоростями, отличаются и их энергетические характеристики, определяемые разным давлением в напорных камерах, которое устанавливается, в частности, регулирующими вентилями. это позволяет управлять энергетикой возбуждения в ручном или автоматическом режимах.
краткое описание чертежей
в дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг.l изображает схематически устройство тепломассоэнергообмена, согласно изобретению, в разрезе; фиг.2 — разрез по II-II на фиг.l, вихревые потоки направлены встречно; фиг.з — то же, что и на фиг.2, вихревые потоки направлены в одну сторону; фиг.4 — то же, что и на фиг.l, вариант вытеснителя с горизонтальными проточками; фиг.5 - то же, что и на фиг.l, вариант вытеснителя со спиральной проточкой;
фиг.6 — комбинированный вариант устройства, согласно изобретению, с формированием и встречных, и однонаправленных вихревых потоков; фиг.7 — вариант выполнения устройства, согласно изобретению со вторыми вихревыми каналами разного диаметра.
лучшие варианты осуществления изобретения
устройство для осуществления способа тепломасссоэнергообмена, представленное на фиг.l и 2, предназначено для обработки акустическим возбуждением жидкой текучей среды. устройство содержит продуктовую напорную камеру 1, имеющую входной патрубок 2, через который эта камера посредством трубопровода соединена с подающей магистралью 3. на входе патрубка 2 в трубопроводе установлен регулирующий давление вентиль 4. с нижней стороны камера 1 ограничена крышкой 5, в которую вмонтирован патрубок 6, проходящий через полость камеры 1 и сообщенный соответствующим трубопроводом, в который вмонтирован регулирующий давление вентиль 7, с подающей магистралью 3. крышка 5 установлена на торце основной вихревой трубы 8, при этом в стенке трубы 8, под крышкой 5 выполнены тангенциальные сопла 9, через которые внутренняя полость трубы 8 сообщена с напорной камерой 1. сверху напорная камера 1 ограничена крышкой 10. в основной вихревой трубе 8, концентрично ей установлен цилиндрический вытеснитель 11, образующий с внутренней стенкой трубы 8 кольцевое пространство 12 для формирования первого вихрекольцевого потока. в периферийной области вытеснителя 11 сформирована , по меньшей мере одна, в описываемом варианте четыре равномерно распределенные по окружности вытеснителя 11, вихревых трубы 13. в верхнем торце вытеснителя 11 под крышкой 5 образована напорная камера 14, сообщенная с одной стороны с патрубком б и с другой стороны посредством тангенциальных сопел 15 с соответствующими вихревыми трубами 13. вихревые трубы 13 сформированы таким образом, что поверхность внутренней стенки каждой из этих труб пересекает наружную поверхность кольцевого вытеснителя 11 с образованием зоны 16 частичного пересечения труб 13 с кольцевым пространством 12 трубы 8. при этом величина зоны 16 в поперечном направлении достаточна для инициирования акустического резонансного возбуждения соприкасающихся потоков за счет деформационно-сдвигового взаимодействия. в вихревых трубах 13 установлены осевихревые вытеснители 17. на нижнем торце вытесителя 11 на пути исходящих вихрей, образуемых в вихревых трубах 13, установлена отражающая пластина 18 с образованием зазора 19 относительно торца вытеснителя 11. на выходе устройство оснащено
акустической камерой 20 для объединения возбужденных потоков вихревых труб 8 и 13 и вывода обработанного звуком объединенного потока на использование.
на фиг.з в отличие от варианта, изображенного на фиг.2 тангенциальные сопла 15 ориентированы таким образом, что вихревые потоки, образующиеся в трубах 8 и 13 в зонах 16 частичного пересечения направлены в одну и ту же сторону.
в варианте устройства, представленном на фиг.4, зоны частичного пересечения труб 8 и 13 образованы с помощью горизонтальных кольцевых проточек 21, выполненных на поверхности вытеснителя 11 и имеющих глубину, достаточную для обеспечения взаимодействия вихревого потока в трубе 8 с вихревыми потоками в трубах 13. на фиг.5 показан вариант устройства, где аналогичная проточка 22 имеет спиральную форму.
на фиг.6 изображен вариант устройства, в котором ориентация тангенциальных каналов 15 выбрана с учетом обеспечения в двух вихревых трубах 13 встречных и в двух других трубах 13 однонаправленных вихревых потоков относительно вихревого потока, образованного в вихревой трубе 8.
в варианте устройства, представленном на фиг.7, в отличие от вышеописанных вариантов устройства, две вихревые трубы 13' имеют диаметр меньший, чем две другие вихревые трубы 13".
способ тешюмассоэнергообмена текучих сред, согласно изобретению, станет понятным из описания работы устройства, представленного на фиг.1, 2.
обрабатываемая текучая среда поступает по подающей магистрали 3, делится на два потока и по соответствующим трубопроводам подается в продуктовые напорные камеры 1 и 14. с помощью регулирующих вентилей 4 и 7 в напорных камерах 1 и 14 устанавливают заданные эффективные напорно-расходные параметры по давлению и расходу. текучая среда из напорной камеры 1 через тангенциальные сопла 9 поступает в кольцевое пространство 12 вихревой трубы 8, а из напорной камеры 14 через тангенциальные сопла 15 в вихревые трубы 13. при этом в вихревой трубе 8 формируется кольцевой вихревой поток, который вступает во взаимодействие в зонах 16 пересечения труб с вихревыми потоками, образованными в вихревых трубах 13. в результате соприкосновения энергоактивных поверхностно наружных слоев потоков, сформированных в трубах 13 с энергоактивными поверхностно внутренними слоями кольцевого вихревого потока, сформированного в трубе 8, происходят сдвиговые деформации потоков, приводящие к возникновению акустического резонансного возбуждения, которое распространяется по всей длине потока по спиралеобразной траектории. возбуждение резонансных вихрей в зонах 16 пересечения происходит не только в случае взаимодействия встречно-
направленных потоков в хрубах 8 и 13, как это показано на фиг.2, но также и в случае взаимодействия согласно направленных потоков (см.фиг.з) за счет разницы скоростей взаимодействующих потоков, обусловленной различными напорно-расходными гидродинамическими режимами, заданными с помощью соответствующих регулирующих вентилей 4 и 7.
в варианте устройства, представленном на фиг.2, зоны 16 пересечения, в которых происходит образование резонансных вихрей, проходят по всей длине труб 13, в то время как в вариантах устройства, согласно фиг.4 и 5, зоны 16, располагаются только на участках прохождения кольцевых проточек 21 (фиг.4) или спиральной проточки 22 (фиг.5). дополнительные возможности воздействия на режим вихреобразования дает использование вариантов устройства, изображенных на фиг.6 и 7. в зависимости от реологических свойств обрабатываемой текучей среды выбирают вариант возбуждения с комбинацией (фиг.6) встречно-направленных и согласно-направленных вихревых потоков или вариант возбуждения с вихревыми потоками, сформированными в вихревых трубах 13' и 13" (фиг.7) разного диаметра. '
вихревые потоки, протекающие по трубам 13, на выходе стопорятся отражающей пластиной 18, изменяют направление и через кольцевой зазор 19 воздействуют на основной вихрекольцевой поток, сформированный в трубе 8, создавая на выходе, в акустической камере 20 дополнительное возбуждение. из акустической камеры 20 обработанный звуком объединенный поток выводят на использование.
благодаря тому, что первый вихревой поток формируют кольцевой формы, а взаимодействующие с ним вторые вихревые потоки формируют внутри него, так, что эти вторые потоки частично соприкасаются своими поверхностно наружными слоями с поверхностно внутренними слоями первого кольцевого потока, центробежные силы первого и вторых потоков всегда направлены в одну сторону, независимо от того, направлены эти потоки встречно или согласно. это позволяет продлить время существования акустического возбуждения. а регулирование давления в напорных камерах 1 и 14 вентилями 4 и 7 позволяет расширить диапазон регулирования кавитационного процесса и акустического возбуждения взаимодействующих вихревых потоков за счет разницы энергий основного вихреколькевого потока формируемого в трубе 8 и вторых вихревых потоков, формируемых в трубах 13.
поскольку источником возбуждения резонансных вихрей являются сдвиговые деформации, которые существенно зависят от упомянутых выше конструктивных особенностей устройства, выбор варианта устройства из числа представленных на фиг.l -
7 или их комбинации будет зависеть от реологических свойств обрабатываемых текучих сред или их смесей.
применение способа тепломассообмена и устройства для его осуществления позволяет регулировать мощность акустического воздействия на продукт в заданном диапазоне амплитудно-частотных характеристик, увеличить объем и плотность кавитационного пространства.
промышленная применимость
способ тепломассоэнерго обмена и устройство для его осуществления с успехом могут быть использованы для акустической (ультразвуковой) обработки жидких, газовых, газожидкостных смесей, взвесей и дисперсий в механо-физико-химических процессах превращения. также способ может быть использован для нагрева воды в качестве теплоносителя.
Next Patent: BROADCAST SIGNAL TRANSMITTING DEVICE