Механоактивация с использованием аппаратов вихревого слоя

      Механоактивация с использованием аппаратов вихревого  слоя

      В химической промышленности всегда существуют проблемы интенсификации технологических  процессов, их удешевления и экологической  безопасности, решениям которых посвящено  множество разработок и изобретений. Так, давно известен и активно применяется способ механоактивации порошкообразных веществ в мельницах, дезинтеграторах и аналогичных измельчительных аппаратах, где помимо диспергирования наблюдаются такие эффекты, как деформация кристаллов, образование большого количества дефектов, изменение размеров микроблоков, образующих кристалл, локальный подъем температуры и давления, фазовые превращения, аморфизация, разрыв химических связей, ускорение процессов диффузии и т.д, приводящие к значительному повышению реакционной способности и, как следствие, к ускорению физико-химических процессов.

      Одной из новых, но уже показавших свою эффективность  разработок в области механоактивации  могут по праву считаться технологии, основанные на принципиально новых методах воздействия энергии на вещество – на использовании энергии вращающегося (бегущего) электромагнитного поля высокой удельной концентрации в единице объема рабочего пространства реактора. На основе этого явления природы Д. Д. Логвиненко создал промышленные аппараты, имеющие производительность в сотни и в тысячи раз выше, чем традиционное оборудование такого же назначения. При этом энерго-, материало-, трудо- и капитальные затраты оказывались в 5100 раз меньше. Технологические линии, основой которых являются его аппараты, можно использовать практически во всех отраслях промышленности, быта и сельского хозяйства с огромным техническим и экономическим эффектом.

      Эти аппараты Д. Д. Логвиненко назвал аппаратами вихревого слоя (ABC). 

      Устройство  и принцип действия АВС 

      Схема одного из вариантов аппарата вихревого слоя представлена на рис. 1.11.  

Рис. 1.11. Аппарат вихревого слоя. 

      Аппарат вихревого слоя содержит реакционную  камеру в виде трубы 1 с ферромагнитными  частицами 2 и двумя индукторами 3, размещенную в корпусе 4, закрытом с торцов крышками 5, имеющими снаружи масляные камеры 6. В отверстия с резьбой в крышках 5 ввинчены трубчатые оросители 7, свободно сообщающиеся с масляными камерами 6 и расположенные между катушками индукторов 3. Масло подается в камеры 6 через штуцеры 8 и отводится из корпуса 4 через штуцер 9. Оросители 7 имеют три ряда отверстий 10, направленных перпендикулярно поверхностям трубы 1 и двух ближайших катушек индукторов 3. Индукторы 3 монтируются на крышках 5 при помощи оросителей 7, пластин 11 и 12 и шпилек 13. Для изоляции индукторов 3 от корпуса 4 установлены втулки 14 и 15 из изоляционного материала, стойкого к маслу. С обеих сторон индукторов 3 размещены стабилизаторы 16, 17, изолированные от корпуса 4.

      АВС работает следующим образом. Включают систему охлаждения индукторов 4, затем их питание и одновременно подачу обрабатываемого продукта в трубу 1. Ферромагнитные частицы 2 под воздействием вращающегося электромагнитного поля совершают интенсивное движение и обрабатывают продукт в трубе 1, вызывая в нем заданные физико-химические превращения. При работе аппарата оросители 7 обеспечивают лучшее охлаждение катушек индукторов 3 за счет ликвидации застойных зон. Монтаж индукторов 3 на оросителях 7 позволяет при помощи втулок из фарфора или текстолита электрически изолировать индуктор от корпуса и значительно упростить монтаж и центровку индуктора. Дисковые стабилизаторы уменьшают размывание электромагнитного поля индуктора.

      В качестве рабочих тел в аппарате используются ферромагнитные частицы – иголки, для определения необходимой массы и конфигурации которых существуют определенные эмпирические формулы.

      Рабочая зона ABC по сути представляет собой  отрезок трубы, в которой наводится  вращающееся (бегущее) электромагнитное поле, воздействующее на иголки. Иголки сами становятся магнитами (диполями) и взаимодействуют с исходным полем - первоначальным источником энергии. В результате возникает ряд эффектов, которые, наряду с механическим и тепловым воздействием иголок, непосредственно влияют на вещество, изменяя его физико-химические свойства.

      Иголки  являются источниками и движущей силой почти всех процессов в рабочей зоне АВС. Они воздействуют на вещество в любой среде: в жидкой, газовой или в вакууме. Причем среда может быть гомогенной или гетерогенной, и она сама в определенной степени влияет на ход процессов.

      В работе показано, что движение иголок носит, в основном, хаотический характер, который формируется ударными взаимодействиями иголок друг с другом, с твердыми частицами (если они имеются) и со стенками рабочей зоны, создавая в целом вращение относительно оси. Вращательную компоненту движения придает вращающееся электромагнитное поле индуктора (статора). Таким образом, формируется поле, названное вихревым, от которого получил название и аппарат - аппарат вихревого слоя (ABC).

      Необходимо  заметить, что при движении иголок в рабочей зоне, независимо от того, в какой среде это происходит, всегда наблюдается очень быстрая овализация острых кромок у свежеприготовленных иголок или шляпок и острий у гвоздей, используемых в качестве иголок. Их концы приобретают вид полусфер. Сам по себе факт разрушения иголок очень важен, так как необходимо, с одной стороны, их пополнение при непрерывной работе, а с другой - они загрязняют своим материалом (обыкновенно железом или никелем) обрабатываемый. Отмечено что после образования полусфер на торцах иголок расход их материала уменьшается во много раз.

      Очень тяжелые условия, в которых приходится работать ферромагнитным элементам, предъявляют  весьма жесткие требования к материалу. Прежде всего, материал иголок должен обладать свойствами ферромагнетика, обладать достаточно высокой прочностью и коррозионной стойкостью и низкой стоимостью. Чаще используются сплавы железа (стали).

      В ряде случаев не допускается загрязнение готовой продукции железом и особенно никелем. Поэтому иголки покрывают каким-либо инертным материалом. Чаще это пластики различных типов - полиэтилен или фторопласт. Нанесение такого рода покрытий на проволоку не представляет особых трудностей, но необходимо заботиться о том, чтобы покрытие не соскакивало с иголки в процессе работы. Опыты показали, что физико-химические процессы в рабочей зоне АВС с участием такого рода иголок проходит достаточно эффективно, но скорость процессов снижается.

      Итак, исходный поток энергии - это напряженность, создаваемая внешним источником электроэнергии в виде вращающегося электромагнитного поля. Производные от данного поля - это эффекты, возникающие при взаимодействии первичного поля с полями иголок, наведенными первым полем. При этом иголка становится диполем и напрямую воздействует на вещество в рабочей зоне. Рассматриваемые эффекты отличаются очень высокой энергонасыщенностью.

      На  настоящий момент времени известны следующие:

• магнитострикция (механострикция);
• кавитация;
• акустические явления;
• электрофизические явления и электролиз;
• прямое воздействие иголок на вещество и др.

      Необходимо  отметить, что указанные явления  сами могут быть источниками других явлений. Так, магнитострикция инициирует развитие кавитации и акустических волн. Но последние могут образовываться и без магнитострикции. В то же время магнитострикция инициируется прямым столкновением иголок друг с другом или со стенками рабочей зоны и т.д.

      Рассмотрим  подробнее каждый из перечисленных эффектов. 

      Физико-химические процессы в рабочей  зоне АВС 
 

      Магнитострикция 

      Магнитострикция, как явление, неизбежно сопровождает движение иголок в рабочей зоне АВС. Но роль ее и вклад не выявлены полностью.

      Известно, что магнитострикционный вибратор преобразует энергию переменного  электромагнитного поля в энергию  механических колебаний и служит источником ультразвука. Принято считать, что частота механических колебаний стационарного вибратора равна частоте переменного электромагнитного поля.

      В рабочей зоне АВС иголка выполняет  функцию вибратора. Она же испытывает магнитострикционные преобразования. Причем иголки движутся, и их число велико. Магнитострикционные преобразования имеют два источника - это вращающееся (внешнее) электромагнитное поле и многочисленные взаимодействия иголок друг с другом, со стенками зоны и частицами обрабатываемого материала. Следовательно, магнитострикционные явления имеют импульсный характер, превращая всю зону в поле импульсов.

      Что представляет собой импульс, излучаемый иголкой, и вообще действие, производимое этой же иголкой?

      При перемене полюсов объем ее изменяется - увеличивается или уменьшается. В последнем случае можно ожидать так называемый эффект «цунами», когда пространство вокруг иголки как бы схлопывается. Это явление сопровождается очень большим выделением энергии, в том числе энергия магнитогидравлического удара. Величина последнего зависит также от скорости движения иголки и изменения ее объема (размеров). Но эта энергия не является единственной. Магнитное поле при изменении направления возбуждает электрическую энергию в иголке (типа паразитных токов) и вызывает смещение и поворот границ доменов в доменной структуре зерен (кристаллитов). Последние запаздывают по сравнению со скоростью изменения полюсности. При этом также возникают вихревые токи, энергия которых переходит в тепло.

      Опыты и эксплуатация АВС показывают, что  иголки действительно сильно разогреваются, и если тепло не отводить, то нагрев может довести их температуру до точки Кюри, когда ферромагнитные материалы могут перейти в парамагнитные.

      В этом случае, имеет место ослабление действия иголок при работе АВС без  отвода тепла (т.е. в циклическом режиме).  

      Акустические  явления 

      В работе показано, что в рабочей зоне аппаратов генерируется мощный поток звуковой энергии. Частоты этого потока существуют в широком диапазоне от десятков Гц до десятков МГц. Часть ее можно услышать как свистящий звук, сопровождающий движение иголок. Но большую часть энергии несет ультразвук.

      Генерация ультразвука в обычных областях его использования производилась  при помощи неподвижных источников: электромагнитных или механических. Поэтому многие выведенные закономерности можно использовать для условий рабочей зоны АВС (с некоторыми ограничениями).

      Во-первых, основным источником являются движущиеся генераторы - иголки, во-вторых, излучаемая энергия не имеет какого-либо преимущественного направления, в-третьих, в силу предыдущих, трудно ожидать каких-либо резонансных явлений.

      Ультразвук, по-видимому, служит источником кавитации, которая в свою очередь генерирует ультразвук. 

      Кавитация 

      Механизм  воздействия и величина вклада кавитации  в общую энергонасыщенность аппарата пока не определены. По существующим данным на долю акустических колебаний и формирования высокочастотного магнитного поля приходится только 2% от всех затрат энергии. Но это еще не означает, что вклад их в общую работу также мал. Ведь акустическое воздействие на вещество инициирует возникновение кавитации, которой приписывают огромное влияние на ход многих физико-химических реакций и производственных процессов.

      Кавитация может осуществляться только при  наличии жидкой фазы, т.к. ее основа - возникновение и схлопывание кавитационных пузырьков.

      Причины возникновения и схлопывания  пузырьков, сопровождающееся выделением большой энергии, неясны, а их объяснения далеко не всегда убедительны.

      В настоящее время различают гидродинамическую  и акустическую кавитации. Надо заметить, что возникают они, по-видимому, одновременно в одном потоке и дополняют друг друга. При этом само по себе схлопывание пузырьков, как ранее отмечалось, служит источником выделения звуковой энергии.

      Появлению кавитации способствуют следующие факторы:

• большое количество газа и зародышей пузырьков в жидкой фазе, поступающей в АВС извне и их диспергирование.
• дополнительная вероятность образования пузырьков вследствие парообразования у поверхности иголок, нагретых до высокой температуры;
• наличие большого количества твердых микрочастиц, в том числе продуктов разрушения иголок (размер частиц менее 0,01 мкм), продуктов помола обрабатываемых твердых материалов и физико-химических реакций;
• непрерывное изменение скоростей потоков в микрообъемах;
• непрерывное образование микрозавихрений у стенок рабочей зоны и при движении иголок;
• наличие вращательного движения жидкости.