Вибро-вихревые технологии (ВВТ).

Вибро-вихревые технологии (ВВТ).
В настоящее время, технологическая аппаратура, базирующаяся как на вихревых,
так и на вибрационных принципах, имеют ряд существенных недостатков:

Высокое энергопотребление 10-25 кВт/час на 1 тн продукта,

Сложность конструкции ввода вращения и колебания внутрь емкости,
особенно в случае агрессивных сред и больших разностей давления,

Сложность очистки аппарата от загрязнений.
Нами обнаружено и изучается малоизвестное явление
- крайне интенсивное вращение жидкости (типа торнадо) в
цилиндрической емкости при определенных типах
виброколебаний.
Движение жидкости имеет форму тора, внутри и
снаружи
которого
движение
происходит
по
спиралеобразным
траекториям
в
противоположных
направлениях.
Каждая частица жидкости, движущаяся внутри вихря,
кроме этого, совершает еще и колебательное движение.
Полная траектория одной частицы показана на рисунке.
Траектории движения в вихре такие же, как в торнадо,
и имеет следующие компоненты движения:

В горизонтальной плоскости вращательное движение (типа спирали)

В вертикальной плоскости движение внутри вихря вниз по спиральной
траектории, а снаружи вихря движение вверх

Все частицы имеют маленькие эллиптические орбиты

По поверхности вихря идут мелкие волны.
Вихрь имеет большое сходство с натуральным торнадо.
Этот вихрь имеет ряд необычных свойств:

Характерные скорости вихря в несколько раз
больше, чем скорость порождающих их колебаний

Пограничный
слой
около
внутренней
поверхности цилиндра не тормозит вращение вихря, а
наоборот, порождает вращательное движение.

Вихре-колебательный тип движения внутри
цилиндра порождает аномально низкое гидродинамическое
сопротивление вдоль внутренней поверхности цилиндра.

Структура течений представляет чрезвычайно
сложный пространственный и временной характер.

Геометрические размеры, кинематические, динамические и энергетические
характеристики вихря легко регулируются с помощью изменения параметров колебания,
его породивших.
Открытый эффект получения в замкнутом цилиндрической объеме
пространственного вихря (торнадо) при помощи системы электромагнитных вибраторов
позволяет проектировать высокотехнологичные процессы измельчения, эмульгирования,
активации и т.д..
Например: полученные экспериментальные данные говорят о принципиально
новом энергетическом качестве измельчения материалов (цемент, песок, кофе, стекло и
т.д.).
Если для измельчения одной тонны при обычных технологиях потребляется от 10
до 25 кВт электроэнергии, то при использовании вибро-вихревой технологии потребление
энергии колеблется от 0,2 до 1,6 кВт электроэнергии.
Особый интерес представляет применение ВВТ для интенсификации процессов
синтеза, брожения, ферментации и т.д. для различных стадий химических производств.
Нами разработаны и изготовлены действующие образцы экстракторов и
перемешивающих аппаратов на 0.5-10 литров жидкости. Конструкции аппаратов
оказались намного проще и дешевле существующих вихревых и вибрационных.
Используются простые дешевые серийные вибраторы, упругие подвески проще и
надежнее, чем используемые в вибрационных аппаратах. Внутрь емкости не надо вводить
колебания ни снизу, ни с боку, ни сверху. Корпус емкости приводится в колебание с
помощью специального привода.
Мы разработали способ и устройство создания одновременно вихревого и
колебательного движения в среде. Благодаря этому, в нашем перемешивающем
устройстве сочетаются лучшие достоинства вихревых и вибрационных перемешивающих
устройств.
Механизм действия устройства для санации жидких (водяных) сред..
При разработке установки использовались данные полученные при разработке
патентов РФ 2215221 от 05.10.2001г., №2215202 от 05.11.2002 г. и патенты РФ на
полезную модель №81492 от 27.12.2007 г., №91540 от 07.12.2009 г.
Поток текучей среды подается в реактор
обработки через нижний входной патрубок. При
включении вибродвигателй в обрабатываемой
среде формируется устойчивый вихрь (торнадо)
которые формируются из множества плоскопарралельных струй, натекающих друг на друга и
на стенки реактора. В этих натекающих струях
возникают гидродинамические колебания с
частотой равной или немного отличающейся от
частоты задающих виброколебаний. Явление
напоминает резонанс в колебательном контуре
когда небольшие внешние воздействия порождают
сильный ответный эффект. В этих условиях
колебания
одновременно
сопровождаются
излучением звука в жидкую среду. Звук и
резонансные колебания системы «реактор-жидкая
среда»
приводят
к
возникновению
в
обрабатываемой среде явления кавитации, т.е. к
образованию
кавитационных
(парогазовых)
пузырьков. Эти пузырьки имеют ограниченный период жизни (~10-6 с), по истечении
которого они охлопываются с выделением больших импульсов энергии. В результате
этого явления, а также при одновременном воздействии резонансных и звуковых
колебаний в обрабатываемой среде в присутствии растворенного газа, по-видимому,
образуется пероксид водорода, азотистая и азотная кислота, которые губительно
действуют на жизнедеятельность микроорганизмов. Кроме того, при схлопывании
кавитационных пузырьков происходит резкое, хоть и локальное, повышение температуры
до 103-104 оК и возникновение ударных волн до сотен МПа, что также приводит к
необратимым биохимическим процессам в клетках микроорганизмов.
Следует отметить, что для формирования кавитационных пузырьков с
оптимальными пространственно-временными характеристиками, необходимы особые
режимные параметры способа обработки текучей среды и особые конструктивные
особенности устройства для осуществления этого способа.
Подобранный экспериментальным путем режимный параметр скорости натекания
струи на стенки реактора от 3,9 м/с до скорости, при которой возникает начало
суперкавитации в обрабатываемой среде, в предлагаемом способе обеспечивает, повидимому, наиболее оптимальные явления резонанса с препятствием, которые, в свою
очередь, приводят не только к образованию большого числа маленьких кавитационных
пузырьков, исключающих образование суперкавитационных пузырьков, но и
максимально воздействуют на резонансные явления этих маленьких пузырьков, лежащих
в основе схлопывания последних. Кроме того, этот эффект будет проявляться только в
том случае, если натекание потока с такой скоростью будет непрерывным, т.е. в процессе
работы не допускается прерывание подачи текучей среды в зону обработки, чтобы
исключить образование дополнительных колоний бактерий.
Конструктивные особенности предлагаемого устройства, с помощью которого
возможно осуществление заявляемого способа, также оказывают влияние на достигаемый
технический результат.
Выполнение каждого из сопел по длине из двух участков позволит сформировать
струю требуемой плоскопараллельной формы без провоцирования явления
суперкавитационных процессов в обрабатываемой среде.
Благодаря тому, что корпус устройства и пластины выполнены из материала с
одинаковыми магнитными свойствами, исключается возникновение разности потенциалов
напряженности электромагнитного поля в различных точках зоны обработки, что
обеспечивает однородность распределения кавитационных пузырьков по всему объему
жидкости, а отсюда и равномерность обработки во всей зоне, а также исключается
преждевременное разрушение устройства вследствие электрохимической коррозии.
Предлагаемые способ и устройство для его осуществления были испытаны при
изучении их влияния на жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ)
на водоводе пресной воды "Водозабор Буй - БКНС Степановка" Пермской области.
Заявляемое устройство было установлено на выкиде насосов БКНС (фиг.2), подающих
воду с водозабора Буй. На технологической схеме, представленной на фиг.2, ГИ заявляемое устройство - гидродинамический излучатель; П1 - пробоотборник,
установленный перед заявляемым устройством; П2 - пробоотборник, установленный на
расстоянии 1-2 м от ГИ; П3 - пробоотборник, установленный на расстоянии от 10 до 25 м
от ГИ; П4 - пробоотборник, установленный на конце трубопровода. В ходе испытаний
определяли количество СВБ в обрабатываемой среде при различных режимах прокачки и
скоростях прокачки, в том числе при периодической прокачке, т.е. когда проводили
периодическую остановку насосов, уходя от режима непрерывного потока
обрабатываемой воды.
Оценка эффективности предлагаемого изобретения на подавление развития
микроорганизмов или их уничтожение проводилась путем сравнения микробиологической
зараженности проб воды, отобранных до и после обработки. Контроль эффективности
бактерицидного действия определяли в соответствии с РД 39-0147014-343-86 по
снижению количества клеток и индекса их активности при посеве в питательную среду.
Данные, полученные в ходе испытаний, приведены в таблице.
Как следует из анализа таблицы, подавление (или уничтожение) бактерий
происходит лишь при скорости натекания жидкости на стенки предлагаемого устройства
не менее 3,9 м/с (опыты 2-4 таблицы). Так практически на всем пути транспортировки
обработанной при этих режимах текучей среды микроорганизмы отсутствовали.
При других же режимах, в частности, при скорости ниже указанной, этот эффект не
достигается (опыты 1 и 6 таблицы), и количество СВБ при транспортировке обработанной
среды не уменьшается, а даже увеличивается.
При этом поток жидкости, подаваемый в зону обработки, должен быть
непрерывным. Так на трубопроводе "БКНС-14-БКНС-13", транспортирующем сточные
воды Павловского месторождения, где не был соблюден этот режим (т.е. поток воды был
прерывистым), полное уничтожение бактерий наблюдается лишь только на выходе из
зоны обработки, в дальнейшем же микроорганизмы сразу же появляются в трубопроводе
на расстоянии 1-2 м, и их количество увеличивается на более далеком расстоянии от зоны
обработки (опыт 5 таблицы). То есть, периодичность работы приводит к тому, что в
момент включения и отключения насосов скорость натекания струи воды на пластины в
предлагаемом устройстве может быть исчезающе малой, что и приводит к сохранению
бактерий вдали от устройства и их уничтожению вблизи.
Таким образом, предлагаемые способ обработки текучей среды и устройство для
его осуществления действительно обеспечивают достижение указанного выше
технического результата.
Для усиления эффектов стерилизации предлагается в устройстве использовать
эффекты электрохимической обработке воды. Для этого в жидкую среду подается
постоянный ток напряжением до 42 Вольт. Жидкая среда вращаясь попеременно
становится то щелочной, то кислой, что угнетающе действует на биоту микроорганизмов
и способствует его дезинфекции с одновременным повышением окислительно
восстановительного потенциала до 300-400 мВ, что в дальнейшем позволит успешно
проводить все необходимые технологические реакции.
В таблице представлены результаты, полученные при электрохимической
обработке речной и артезианской воды по данной схеме. Забор речной воды
осуществлялся по водоводу из водозаборного узла «Заозерье» (река Москва),
артезианской – из скважины, расположенной на территории МП «Теплоцентраль» (г.
Жуковский Московской обл.).
Удельный расход электроэнергии при электрофлотационной обработке составляет
0,3–0,5 кВт•ч/м3, электрохимическом корректировании 1–2 кВт•ч/м3.
Таблица
Показатели
Речная вода
Артезианская вода
до
после
до
после
очистки
очистки
очистки
очистки
Жесткость, мг- 3,7
0,01
9,0
0,05
экв/л
ХПК, мгО2/л
76,8
1,15
22,5
0,5
Содержание, мг/л
Ca2+
52,5
0,1
145,0
0,3
2+
Mg
12,5
1,5
25,5
2,0
Fe3+
8,3
0,01
10,1
0,02
+
NH4
1,8
0,01
2,7
0,01
–
Cl
60,0
10,0
100,0
15,5
Проведение процесса в щелочной области рН обеспечивает умягчение воды за счет
образования труднорастворимых соединений кальция, магния и других тяжелых
металлов, разложение ионов аммония с образованием газообразного аммиака.
Обезвреживание растворенных органических соединений происходит за счет процессов
электрохимической деструкции и сорбции, при этом уменьшаются мутность и цветность
воды.
Данные бактериологических анализов свидетельствуют о дезинфицирующем
действии электрохимического способа. В результате электролиза природной воды,
содержащей хлорид-ионы, образуются бактерицидные агенты: гипохлориты,
хлорноватистая кислота, которые легко взаимодействуют с присутствующими в воде
аммиаком и аммонийными солями. При этом образуются хлорамины, также обладающие
обеззараживающим действием.
Активация воды.
При обработке воды в вышеописанной установке в течение не менее 0,5
часов наблюдалось изменение биоактивации воды. Механизм активации требует
отдельного рассмотрения.
В июне 2007 года совместно с Всероссийским НИИ пресноводного рыбного
хозяйства (ВНИИПРХ) была выработано 2 тонны активированной воды, которая была
слита в рыборазводный пруд. Общий объем водной растительности возрос в 4-5 раз.
Общий объем добавки составил 0,000002%. В сентябре-октябре этого же года добавка
активированной воды 0,2 % в рыборазводный аквариум дал 26% месячный прирост массы
рыбной молоди, при снижении гибели до 4,7% при среднестатистической в 30%.
Следует ожидать такие же показатели и при перенесении опытов на птиц и
крупнорогатый скот.
Опыты, проводимые в 2002 году, аспирантом Московской государственной
академии сельского хозяйства имени Тимирязева показал увеличение всхожести семян
зерновых на 35-45%. При этом отмечалось увеличение на 20-30% общей массы корневой
системы.
Опыты, проводимые сотрудниками в частном порядке, однозначно показывают
прирост биомассы растений по сравнению с контрольными образцами при одновременной
устойчивости растений к почвенным заморозкам, вредителям, гнилостным грибкам и т.д.