MD4172C1 - Cavitator electrohidrodinamic combinat - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la echipamentul de schimb de masă pentru intensificarea proceselor tehnologice, şi poate fi aplicată în instalaţii pentru producerea combustibilului biodiesel, în industriile alimentară, chimică, microbiologică pentru omogenizarea produselor.Cavitatorul electrohidrodinamic combinat conţine un corp cilindric (1) cu o cameră de lucru inferioară (2) pentru amestecare hidrodinamică turbionară, o cameră de lucru superioară (5) pentru cavitaţie electromagnetică, racord de admisiune (10) în partea inferioară şi racord de evacuare (11) a lichidului în partea superioară. În camera de lucru inferioară (2) sunt amplasate nişte elemente elastice din sârmă în formă de Z (3), aranjate în formă de spirală cu deplasare faţă de axa corpului şi fixate din ambele părţi. În camera de lucru superioară (5) este fixată o grilă (6), pe care sunt dispuse nişte particule cilindrice asimetrice de metal (7) din material magnetic moale, cu posibilitatea magnetofluidizării lor rotativ-propulsive intensive. Din exteriorul camerei de lucru superioară (5) este instalat un inductor (8) de câmp electromagnetic rotativ cu un regulator (9) de curent electric.

Description

Invenţia se referă la echipamentul de schimb de masă pentru intensificarea proceselor tehnologice, şi poate fi aplicată în instalaţii pentru producerea combustibilului biodiesel, în industriile alimentară, chimică, microbiologică pentru omogenizarea produselor.

Este cunoscut un reactor cu cavitaţie hidrodinamică, care conţine un confuzor şi o cameră în echicurent situate consecutiv, în care la distanţă unul de celălalt sunt instalate nişte cavitatoare. Cavitatea camerei în echicurent este executată în formă de secţii în expansiune în zona de instalare a cavitatorului în direcţia de la confuzor, totodată aria secţiunii transversale a fiecărei secţii ulterioare este mai mare decât aria secţiunii transversale a secţiei precedente [1].

Dezavantajele reactorului cunoscut constau în aceea că reactorul are o rezistenţă hidraulică semnificativă, datorită faptului că la trecerea fluxului de fluid prin camera în echicurent o parte din energia potenţială a lichidului se consumă pentru a învinge rezistenţa hidraulică şi, în consecinţă, scade presiunea fluidului.

În calitate de cea mai apropiată soluţie serveşte un cavitator, care conţine un corp cilindric cu o cameră de lucru internă şi racorduri pentru admisiunea şi evacuarea lichidului. În calitate de activator se foloseşte un arbore de acţionare dotat cu un activator de cavitaţie instalat pe el, executat în formă de elice, totodată pereţii interiori laterali ai corpului sunt executaţi rugoşi, iar pe suprafaţa cilindrică internă a corpului sunt tăiaţi dinţi înclinaţi în partea opusă direcţiei de rotire a elicei [2].

Dezavantajele cavitatorului cunoscut constau în aceea că în timpul funcţionării cavitatorului lichidul este atras de elice într-o mişcare de rotaţie. Pereţii laterali imobili rugoşi şi suprafaţa dinţată cilindrică împiedică rotaţia lichidului ca un tot întreg. Astfel, cele mai mari tensiuni de forfecare în lichid apar aproape de dinţi pe suprafaţa cilindrică a corpului şi pe pereţii laterali ai corpului, iar apariţia şi spargerea bulelor de vapori în lichid are loc în principal în regiunea peretelui. Cu toate acestea, tratamentul cavitaţional al lichidului în cavitatorul dat nu se efectuează în tot volumul camerei interioare a corpului generatorului şi, prin urmare, nu este satisfăcător de intensiv.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în intensificarea proceselor schimbului de masă la omogenizarea emulsiilor tratate şi sporirea eficienţei proceselor tehnologice.

Problema se soluţionează prin aceea că cavitatorul electrohidrodinamic combinat conţine un corp cilindric cu o cameră de lucru inferioară pentru amestecare hidrodinamică turbionară, o cameră de lucru superioară pentru cavitaţie electromagnetică, racord de admisiune în partea inferioară şi racord de evacuare a lichidului în partea superioară. În camera de lucru inferioară sunt amplasate nişte elemente elastice din sârmă în formă de Z, aranjate în formă de spirală cu deplasare faţă de axa corpului şi fixate din ambele părţi. În camera de lucru superioară este fixată o grilă, pe care sunt dispuse nişte particule cilindrice asimetrice de metal din material magnetic moale, cu posibilitatea magnetofluidizării lor rotativ-propulsive intensive. Din exteriorul camerei de lucru superioară este instalat un inductor de câmp electromagnetic rotativ cu un regulator de curent electric.

Elementele elastice din sârmă în formă de Z pot fi executate cu diametrul de 1...2 mm şi mărimea intervalului de 1,5...3 mm între ele din partea peretelui intern al camerei de lucru inferioare.

Corpul cilindric poate fi executat din material diamagnetic, camera de lucru inferioară poate fi executată cu diametrul mai mic, iar camera de lucru superioară (5) - cu diametrul mai mare, totodată cantitatea de particule cilindrice asimetrice de metal (7) constituie 2,6...5,5% din volumul camerei de lucru superioare (5), iar raportul lungimii particulelor (7) la diametrul lor (l/d), care este de 1,5...2 mm, se află în limitele 5...16.

În calitate de inductor de câmp electromagnetic rotativ poate fi utilizat un stator standard de motor electric, iar în calitate de particule cilindrice asimetrice de metal din material magnetic moale pot fi folosite bucăţi de sârmă din oţel de marca 3.

Rezultatul tehnic al prezentei invenţii constă în aceea că, datorită construcţiei camerei de lucru inferioare pentru amestecare hidrodinamică turbionară, fluxurile de fluid se mişcă în aceasta pe spirală şi penetrează elementele elastice din sârmă, asigurând o mişcare turbionară intensă a fluxului total de amestec transportat, în timp ce rezistenţa totală hidraulică a fluxului de lichid în camera de lucru este minimă. Deformabilitatea elastică a elementelor din sârmă permite ataşarea lor fixă în interiorul conductei, consolidată cu inele de sprijin pe ambele părţi.

Lichidul tratat este distribuit în două componente, dintre care una (I) penetrează elementele de sârmă şi se turbionează cu apariţia efectului de cavitaţie, iar altă parte (II) - obţine o direcţie turbionară pe spirală cu un unghi tangenţial determinat de valoarea pasului spiralei. În procesul de debit al fluxului, masa de fluid se bazează alternativ pe elementele separatoare din sârmă, turbionându-se şi în mod repetat contactând cu suprafaţa lor, proces care asigură interacţiunea dintre componentele în amestecare sau o emulsionare puternică şi, posibil, începutul reacţiei chimice.

Specificul funcţionării părţii magnetohidrodinamice a cavitatorului constă în faptul că la conectarea reglementată a curentului de la variator la inductorul de câmp electromagnetic de rotaţie şi realizarea inducţiei câmpului magnetic, se produce fluidizarea „explozivă” totală a particulelor feromagnetice asimetrice în mediul de procesare.

În această situaţie particulele se rotesc cu o viteză unghiulară alternativă în jurul axei, deplasându-se haotic în volumul stratului. Ca urmare a acestui fenomen, particulele capătă viteză mare propulsiv-rotativă şi de aceea o mare parte a energiei cinetice a particulelor se consumă la ciocnirile reciproce şi cu suprafaţa corpului, precum şi la formarea unei multitudini de hidrociocniri, care contribuie la apariţia cavitaţiei volumice în mediul lichid.

Principalii parametri tehnologici ai procesului în stratul magnetofluidizat sunt valoarea inducţiei magnetice a câmpului magnetic extern de rotaţie şi concentraţia volumetrică a particulelor cilindrice din material magnetic moale. Ca rezultat, se dezvoltă un proces volumic intens de cavitaţie, care este o consecinţă a numeroaselor coliziuni magnetohidraulice între particule şi între particule şi pereţii corpului cavitatorului. Cavitaţia hidrodinamică apare în acele părţi ale fluxului, în care presiunea scade până la o anumită valoare critică. Bulele de gaz sau vapori prezente în lichid, deplasându-se cu fluxul de lichid şi ajungând în zona cu presiunea sub nivelul critic, dobândesc capacitatea de creştere nelimitată.

După trecerea în zona de presiune scăzută creşterea încetează şi bulele încep să se micşoreze. În cazul în care bulele conţin mult gaz, atunci când ajung la raza minimă acestea se restaurează şi fac câteva cicluri de oscilaţii amortizate, iar în cazul în care conţin puţin gaz, bulele se sparg complet în primul ciclu. Astfel, aproape de corpul circumfluent se creează o zonă de cavitaţie, umplută cu bule în mişcare. Rezistenţa scăzută a lichidelor reale este asociată cu prezenţa în acestea a aşa-numitelor centre de cavitaţie: sectoare slab umectabile ale corpului solid, particule solide cu fisuri cu gaz, bule microscopice de gaz protejate de la dizolvare de membrane monomoleculare organice, formaţiuni ionice. Reducerea bulei de cavitaţie se produce cu viteză mare şi este însoţită de un impuls sonor cu atât mai puternic cu cât mai puţin gaz conţine bula. Acest lucru contribuie la dezvoltarea cavitaţiei din contul spargerii unei mulţimi de bule, fenomen care poate fi însoţit de zgomot.

De asemenea, în procesul cavitaţional de dispersie şi interacţiune chimică a ingredientelor amestecate în lichidele în prelucrare, emulsionate la magnetofluidizare este important efectul câmpului electromagnetic asupra procesului de accelerare a interacţiunii chimice a componentelor din amestecurile tratate, care duce la un dezechilibru dintre moleculele aflate în interacţiune şi sporeşte activitatea lor chimică. În acelaşi timp, câmpul electromagnetic aplicat contribuie la încălzirea lichidelor prelucrate, fapt ce intensifică procesele tehnologice în curs de desfăşurare.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1, 2, care reprezintă:

- fig. 1, schema generală a cavitatorului electrohidrodinamic combinat;

- fig. 2, schema amplasării elementelor din sârmă în formă de Z (secţiunea A - A) şi aspectul lor.

Cavitatorul combinat electrohidrodinamic include un corp cilindric 1 de debit cu o cameră de lucru inferioară internă 2 cu diametrul mai mic pentru amestecarea hidrodinamică, cu elemente separatoare elastice din sârmă în formă de Z 3, amplasate în formă de spirală, inele-suporturi de prindere 4′, 4′′, şi cu o cameră de lucru superioară interioară 5 cu diametrul mai mare - pentru cavitaţie electromagnetică. În camera de lucru superioară 5 este fixată o grilă 6, pe care sunt dispuse nişte particule cilindrice asimetrice de metal 7 din material magnetic moale, iar din exteriorul camerei de lucru superioare 5 este instalat un inductor 8 de câmp electromagnetic rotativ cu un regulator 9 de curent electric. Totodată cavitatorul este dotat cu un racord de admisiune 10 în partea inferioară a corpului şi cu un racord de evacuare 11 a lichidului în partea superioară.

Cavitatorul combinat electrohidrodinamic funcţionează în modul următor.

Emulsia supusă prelucrării, reprezentând un amestec de lichide greu miscibil şi care intră în interacţiune chimică, se transmite de jos, prin racordul de admisiune 10 în corpul 1 cavitatorului. În camera de lucru inferioară 2 se repartizează în două părţi, dintre care una (I) penetrează elementele elastice din sârmă în formă de Z 3 şi se turbionează cu apariţia unui efect de cavitaţie, în timp ce altă parte (II) - ia o direcţie turbionară pe spirală cu unghiul tangenţial determinat de mărimea pasului spiralei. La debitare, masa de fluid apasă alternativ pe elementele din sârmă 3, turbionându-se şi contactând repetat cu suprafaţa lor, unde se formează efectul cavitaţional.

Circumfluenţa elementelor elastice din sârmă în formă de Z 3 de către fluid generează caverne cavitaţionale nestaţionare. Deplasându-se în fluxul lichid şi dezintegrându-se, cavernele formează un câmp pulsator de bule de cavitaţie. Executarea elementelor din sârmă cu direcţii diferite turbionare în formă de spirală, cu unghi tangenţial determinat de mărimea pasului spiralei contribuie la faptul că elementele generează caverne diferite ca mărime şi structură, care la zdrobire formează bule cavitaţionale de diferite mărimi şi acestea, amestecându-se intens în zona de colaps (spargere), saturează produsul supus prelucrării în tot volumul corpului agitatorului cavitaţional. În acest mod concentraţia unitară de bule în zona de colaps creşte, efectul cavitaţional al tratamentului creşte. Intensificarea câmpului cavitaţional poate fi asigurată de fluctuaţiile polifrecvente de presiune cauzate de variaţia frecvenţei de detaşare a cavernelor mobile de la elementele din sârmă. Pulsaţiile de presiune afectează nu numai bulele care se sparg, dar şi cavernele care se distrug, ridică potenţialul energetic al câmpului cavitaţional, fac posibilă utilizarea eficientă a energiei fluxului produsului prelucrat. Acest caracter al fluxului amestecului tratat oferă o emulsionare cu grad mare de dispersare şi începutul interacţiunii chimice dintre componentele sale.

În acest moment, se conectează curentul electric la regulatorul 9 de curent electric, prin care se asigură reglementarea tensiunii furnizate inductorului 8 de câmp electromagnetic rotativ.

La atingerea inducţiei câmpului magnetic corespunzătoare debutului fluidizării, se produce în mod „exploziv” magnetofluidizarea particulelor cilindrice asimetrice de metal 7 din material magnetic moale, dispuse pe grila 6 în mediul tratat. Cu creşterea tensiunii aplicate inductorului 8, creşte intensitatea magnetofluidizării. Particulele în acest timp se rotesc cu viteză unghiulară alternativă în jurul axei lor, deplasându-se haotic în volumul stratului, în acelaşi timp se produce o rotaţie propulsiv-circulară a întregului strat în direcţia de rotaţie a câmpului. În consecinţă, acestea dobândesc o mare viteză de translaţie şi de rotaţie, astfel încât o mare parte din energia cinetică a coliziunii dintre particule se consumă la impactul ciocnirilor dintre particule şi cu suprafaţa şi formarea multiplelor ciocniri hidraulice, determinând apariţia cavitaţiei de volum în mediul lichid. Principalii parametri tehnologici ai procesului în stratul magnetofluidizat sunt valorile inducţiei magnetice a câmpului magnetic extern de rotaţie şi concentraţia volumetrică de particule magnetice moi cilindrice, concentraţia optimă a cărora este cuprinsă în intervalul 2,6…5,5% din volumul camerei de lucru superioare 5, iar raportul lungimii particulelor 7 la diametrul lor (l/d), care este de 1,5...2 mm, se află în limitele 5...16. Evacuarea fluidului prelucrat se efectuează prin racordul de evacuare 11.

În aceste condiţii bulele de gaz sau vapori, prezente în lichid, şi care se deplasează cu fluxul de lichid, intrând în zona de presiune sub nivelul critic obţin capacitatea de creştere nelimitată.

După trecerea acestora în zona de presiune scăzută creşterea încetează şi bulele încep să se spargă. După cavitare se formează o cavernă de o anumită lungime, la închiderea căreia, la capătul său se formează mai multe bule de cavitaţie. Aceste bule la spargere formează microgeturi de lichid cu viteză mare, până la sute de metri pe secundă, zone locale de înaltă presiune şi unde de şoc.

De exemplu, la amestecarea unor lichide diferite se formează emulsii foarte stabile şi se asigură interacţiunea chimică a acestora, amplificată de câmpul electromagnetic rotativ indus şi ridicarea temperaturii, cum ar fi zdrobirea globulelor de grăsime din lapte la omogenizarea acestuia, dizolvarea corpurilor solide prin fragmentare şi detaşarea de pe suprafaţa lor a stratului limită de suprafaţă, fapt care accelerează foarte mult procesul de dizolvare. Astfel, exploatarea cavitatorului combinat propus face ca efectele sumare electrohidrodinamice în zonele de agitare turbionară de cavitaţie şi în zona magnetofluidizării în câmp electromagnetic rotativ al particulelor feromagnetice cilindrice din material magnetic moale să contribuie la intensificarea proceselor de transfer de masă în timpul omogenizării emulsiilor prelucrate şi respectiv la creşterea eficienţei proceselor tehnologice.

1. RU 2091157 C1 1997.09.27

2. RU 2115176 C1 1998.07.10

Claims (3)

1. Cavitator electrohidrodinamic combinat, care include un corp cilindric (1) cu o cameră de lucru inferioară (2) pentru amestecare hidrodinamică turbionară, o cameră de lucru superioară (5) pentru cavitaţie electromagnetică, racord de admisiune (10) în partea inferioară şi racord de evacuare (11) a lichidului în partea superioară, totodată în camera de lucru inferioară (2) sunt amplasate nişte elemente elastice din sârmă în formă de Z (3), aranjate în formă de spirală cu deplasare faţă de axa corpului şi fixate din ambele părţi, iar în camera de lucru superioară (5) este fixată o grilă (6), pe care sunt dispuse nişte particule cilindrice asimetrice de metal (7) din material magnetic moale, cu posibilitatea magnetofluidizării lor rotativ-propulsive intensive, totodată din exteriorul camerei de lucru superioare (5) este instalat un inductor (8) de câmp electromagnetic rotativ cu un regulator (9) de curent electric.

2. Cavitator, conform revendicării 1, în care elementele elastice din sârmă în formă de Z (3) sunt executate cu diametrul de 1...2 mm şi mărimea intervalului de 1,5...3 mm între ele din partea peretelui intern al camerei de lucru inferioare (2).

3. Cavitator, conform revendicării 1, în care corpul cilindric (1) este executat din material diamagnetic, camera de lucru inferioară (2) este executată cu diametrul mai mic, iar camera de lucru superioară (5) - cu diametrul mai mare, totodată cantitatea de particule cilindrice asimetrice de metal (7) constituie 2,6...5,5% din volumul camerei de lucru superioare (5), iar raportul lungimii particulelor (7) la diametrul lor (l/d), care este de 1,5...2 mm, se află în limitele 5...16.