Вибровихревой аппарат

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси(72) Автор Ковенский Валерий Исаакович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси(57) Вибровихревой аппарат, содержащий рабочую камеру, пористую перегородку, подрешеточную камеру в виде резонатора Гельмгольца, механизм возбуждения колебаний,дросселирующее устройство и трубопровод рециркуляции газа, отличающийся тем, что рабочая камера выполнена в виде тела вращения с образующей экспоненциальной формы. 25862006.04.30 Предлагаемое техническое решение относится к области конструирования вибровихревых аппаратов, применяющихся для осуществления химических процессов или технологических операций в псевдоожиженном слое мелкодисперсных материалов, и может быть использовано на предприятиях химической, машиностроительной, приборостроительной промышленности, в частности при создании аппаратов для адсорбции газов и нанесения тонкослойных пластмассовых покрытий на предварительно нагретые детали. Как известно, эффективность гетерогенных реакторов с псевдоожиженным слоем тем выше, чем выше степень однородности дисперсной среды, так как в этом случае уменьшается доля газа, проходящего сквозь слой без взаимодействия с твердой фазой. Точно также качество пластмассового покрытия, наносимого при погружении предварительно нагретой детали в псевдоожиженный слой мелкодисперсного полимерного порошка,оказывается тем выше, чем он однороднее. Одним из методов воздействия на гидродинамику слоя с целью повышения его однородности является наложение вибраций. При этом в аппарате образуются две расположенные друг над другом зоны. Нижняя зона, примыкающая к вибрирующей газораспределительной решетке, имеет высокую однородность,обеспечивающую надежный контакт газа и дисперсного материала (в случае проведения химических гетерогенных процессов в аппарате) или наилучшие условия для нанесения тонкослойных полимерных покрытий. К сожалению, высота этой зоны невелика. Она зависит от плотности ожижаемого материала и не превышает половины высоты псевдоожиженного слоя. Эффективность воздействия вибрации на гидродинамику слоя зависит от параметров вибрации и конструкции устройства, передающего вибрационное воздействие на псевдоожиженный слой мелкодисперсного материала 1. В настоящее время известны и применяются различные конструкции вибровихревых аппаратов либо их варианты. Известен вибровихревой аппарат, имеющий форму прямоугольного ящика. По оси аппарата проходит квадратный стержень, к которому жестко крепятся горизонтальные перфорированные решетки. Стержень присоединяется к механическому вибратору. Снизу через газораспределительную решетку подается псевдоожижающий газ 2. Эта конструкция аппарата, благодаря форме корпуса, не обеспечивает равномерное ожижение дисперсного материала, а многополочность механизма передачи слою вибрационного воздействия затрудняет размещение в реакторе технологических конструкций (теплообменников и т.п.) либо погружение в слой деталей. Известен вибровихревой аппарат, представляющий собой цилиндрическую колонну. Под газораспределительной решеткой помещается акустический излучатель (громкоговоритель). Направление звуковой волны совпадает с направлением ожижающего газа 3. Известен вибровихревой аппарат, имеющий цилиндрическую колонну и подрешеточную камеру. Между фланцами колонны и подрешеточной камеры закрепляется перегородка из ткани. Стержень, соединенный с механическим вибратором, приводит перегородку в движение. Направления вибраций и подводимого в подрешеточную камеру псевдоожижающего газа совпадают 4. Известен вибровихревой аппарат, имеющий цилиндрическую колонну, в которой газораспределительное устройство выполнено в виде пористого плунжера, соединенного с камерой наддува. Колебания газораспределительного устройства обеспечиваются электромагнитным вибратором, сердечник которого установлен на внутренней (обращенной к камере наддува) стороне газораспределительного устройства 5. Недостатком рассмотренных выше конструкций аппаратов является весьма небольшая высота однородного псевдоожиженного слоя, ограниченная прирешеточной зоной. Из известных устройств ближайшим аналогом (прототип) является вибровихревой аппарат, имеющий наибольшую высоту однородного слоя 6. Вибровихревой аппарат содержит цилиндрическую рабочую камеру и подрешеточную камеру, выполненную в виде резонатора Гельмгольца. Между ними закреплена подвижная пористая перегородка, на 2 25862006.04.30 которую загружается ожижаемый материал, акустический генератор в качестве механизма возбуждения колебаний, дросселирующее устройство и трубопровод рециркуляции газа. При этом частоты возбуждаемых акустическим генератором колебаний, собственные частоты подрешеточной камеры, пористой перегородки и частиц ожижаемого дисперсного материала согласованы. Однако и эта конструкция не позволяет достичь высоты однородной зоны большей, чем половина высоты всего слоя. Задачей, решаемой с помощью предлагаемого устройства, является повышение эффективности вибровихревых аппаратов за счет увеличения высоты зоны однородного псевдоожиженного слоя. Задача решается следующим образом. Известное устройство включает рабочую камеру, подвижную пористую перегородку,подрешеточную камеру, выполненную в виде резонатора Гельмгольца, механизм возбуждения колебаний, дросселирующее устройство и трубопровод рециркуляции газа. Согласно предлагаемому решению рабочая камера выполнена в виде тела вращения с образующей экспоненциальной формы. На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства. На фиг. 2 - график зависимости вероятности реализации среднего расстояния между частицами в слое для рабочих камер различной формы - тела вращения с экспоненциальной образующейи диффузоров с различным углом раскрытия (45, 60, 90). Вибровихревой аппарат содержит рабочую камеру 1, подвижную пористую перегородку 2, на которой находится слой мелкодисперсного материала 3, подрешеточную камеру 4, механизм 5 возбуждения колебаний (акустический генератор), дросселирующее устройство 6 и трубопровод 7 рециркуляции газа. Предлагаемое устройство работает следующим образом. В рабочую камеру 1 аппарата на подвижную пористую перегородку 2 загружают мелкодисперсный материал 3. В подрешеточную камеру 4 подается псевдоожижающий газ. Газовый поток набегает на колпак акустического генератора 5, который при рабочих скоростях потока вызывает колебания выходящей из подводящего газ патрубка струи. Эти колебания усиливаются в подрешеточной камере 4, выполненной в виде резонатора Гельмгольца с собственной частотой,равной частоте генерируемых механизмом 5 акустических колебаний, и вызывает колебания пористой перегородки 2, имеющей ту же частоту собственных колебаний. Колебания подвижной пористой перегородки 2 и колебания потока псевдоожижающего агента воздействуют на слой мелкодисперсного материала 3, обеспечивая его равномерное и однородное ожижение. Рабочая камера выполнена в виде тела вращения с экспоненциальной образующей. Расчеты показывают (фиг. 2), что при такой форме рабочей камеры (в отличие от цилиндрической камеры и камеры в виде диффузора с различным углом раскрытия) расстояния между частицами в свободном слое от контакта до расстояния, равного двум-трем диаметрам частиц, становятся практически равновероятными. Действительно,как видно из рисунка (, Р - вероятность, ,- расстояние между частицами в долях диаметра), камере с экспоненциальной образующей отвечает почти горизонтальная прямая линия (обозначенная в легенде графика символом ), показывающая, что в слое вероятность реализации всех рассмотренных расстояний между частицами (соответствующих состояниям слоя от плотной засыпки до сильно разреженного с порозностью 0,95) примерно одинакова. В то же время для камер в виде диффузора с различным углом раскрытия (кривые обозначены в легенде значениями этого угла 45, 60 и 90) вероятность реализации расстояния, близкого к контакту частиц, гораздо больше, чем вероятность реализации расстояния, характерного для разреженных дисперсных систем. Это значит,что в камере, выполненной в форме диффузора, состояние слоя будет, в основном, близко к состоянию плотного слоя, что характерно для неоднородных дисперсных систем. В то же время в камере с экспоненциальной образующей вероятности реализации состояний с различной степенью разреженности близки. При этом существенно повышается однород 3 25862006.04.30 ность свободного слоя, что позволяет значительно увеличить высоту зоны воздействия вибрации газораспределителя и, как следствие, - высоту однородного псевдоожиженного слоя. Для эффективной работы акустического генератора, как правило, требуется больший расход газа, чем для ожижения мелкодисперсного порошка. Поэтому излишки ожижающего агента из подрешеточной камеры возвращаются во входной воздуховод через дросселирующее устройство 6 и трубопровод 7 рециркуляции газа. Экспериментально установлено, что, как это следует из представленных на фиг. 2 результатов расчета, заявляемая форма рабочей камеры действительно обеспечивает максимальную высоту зоны однородного псевдоожиженного слоя, равную высоте всего слоя. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает значительное увеличение высоты однородного вибровихревого слоя и, следовательно, повышает эффективность проводимых химических процессов или технологических операций. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4