гидродинамический генератор акустических колебаний ультразвукового диапазона и способ создания акустических колебаний ультразвукового диапазона

Формула изобретения

1. Гидродинамический генератор акустических колебаний ультразвукового диапазона, включающий полый корпус с входным и выходным отверстиями и размещенное внутри него препятствие для потока жидкости, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде конусно-цилиндрической трубы, препятствие представляет собой систему, состоящую из последовательно соединенных плохо обтекаемого тела, стержня и диска, установленных соосно с трубой, при этом центральный цилиндрический участок трубы имеет величину диаметра поперечного сечения больше, чем величина диаметра периферийных цилиндрических участков, а центральный и периферийные участки соединены между собой коническими участками трубы, кроме того, расстояние от диска до выходного отверстия для выпуска жидкости из трубы выбрано из диапазона L=1,2-2,0 Д₁, где Д₁ - диаметр диска, соотношение диаметров диска Д₁ и центральной цилиндрической части трубы Д₂ выбирают из диапазона 0,6-0,95, соответственно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала плохо обтекаемого тела, стержня и диска использован металл из ряда на основе хромоникелевых сплавов, титан, бронза.

3. Способ создания акустических колебаний ультразвукового диапазона в жидкотекучих средах путем подачи потока жидкости в устройство, содержащее полый корпус с входным и выходным отверстиями и размещенное внутри него препятствие для потока жидкости, отличающийся тем, что используют устройство по п.1, а жидкость подают во входное отверстие трубы со скоростью не менее 6 м/с с получением упругомеханических колебаний ультразвукового диапазона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидродинамической технике для генерации акустических колебаний ультразвукового диапазона в жидкотекучих средах, а именно к устройствам и способам, преобразующим кинетическую энергию потока жидкости в энергию акустических колебаний, и может быть использовано для интенсификации акустической кавитации при повышенном гидростатическом давлении, диспергирования, эмульгирования, получения гомогенных смесей в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Общеизвестно, что принцип работы гидродинамического излучателя основан на явлении возникновения акустических волн в турбулентной струе жидкости при ее взаимодействии с препятствием, помещенным в трубопроводе на пути текучей среды, путем генерирования возмущений в жидкой среде в виде некоторого поля скоростей и давлений.

Анализ литературных данных показывает, большинство гидродинамических устройств генерируют упругие волны в результате возбуждения потоком жидкости стержней, пластин, мембран или в результате модуляции струи жидкости. Так, длительное время используют резонансные гидродинамические генераторы (см., например, патенты US 6173803, RU 2015749, RU 2188084, RU 2229947), в которых осуществляется возбуждение колебаний элементов в виде пластин, стержней или мембран в резонанс с колебаниями струи жидкости. Наиболее распространенной модификацией таких излучателей являются пластинчатые излучатели с консольным или двухточечным креплением вибрирующей пластины, генерирующие колебания с частотами порядка 2÷35 кГц. Основным недостатком известных устройств является довольно быстрый выход из строя резонирующих элементов в результате действия динамических нагрузок, соизмеримых с пределом усталости прочности материала.

Известны также различные конструкции роторных излучателей, основными рабочими элементами которых являются соосно расположенные статор и ротор (см., например, патенты RU 2156665; RU 2133157). Работа известного устройства сводится к периодическому прерыванию струи жидкости, что достигается чередованием прорезей статора и ротора при вращении, и приводит к возникновению в рабочей среде пульсаций давления.

В документе SU 1296234 раскрыто устройство для создания акустических колебаний в жидкой проточной среде, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, расположенные в нем ротор и статор, на рабочих поверхностях которых выполнен ряд щелей. При протекании из полости вращающегося ротора жидкости через щели ротора и статора указанный поток жидкости периодически прерывается совпавшими и несовпавшими щелями ротора и статора, при этом каждый ряд взаимодействующих щелей ротора и статора генерирует колебания основной частоты и колебания субгармонической частоты. В патенте RU 2053029 раскрыт генератор гидродинамических колебаний, содержащий корпус с цилиндрическими камерами, входное и выходное сопла и крышку с отверстиями, а также элемент вторичной кавитации, выполненный в виде эксцентрично установленных в цилиндрической камере круговых скоб. Аналогичный принцип превращения кинетической энергии струи жидкости в энергию акустических колебаний используют в многостержневых гидродинамических излучателях.

Наиболее близким по технической сущности к данному устройству является гидродинамический генератор акустических высокочастотных колебаний, включающий полый корпус с входным и выходным отверстиями и размещенное внутри него препятствие для потока жидкости (патент RU 2087040).

Основным недостатком известных устройств является получение сферических ультразвуковых частот до 100 кГц и интенсивностей звука менее 100 Вт/см², а также отсутствие способности концентрации энергии. Использование известных устройств ограничено незначительным массовым пропускным расходом обрабатываемой среды до 10 м³/час.

В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки конструкции гидродинамического генератора ультразвуковых волн и способа генерации волн в ультразвуковом диапазоне, обеспечивающих получение плоских ультразвуковых волн интенсивностью до 1500 Вт/см² при частоте звука до 1,0 МГц. Имеется также потребность в передаче энергии ультразвуковых волн на расстояния порядка 2000 м с интенсивностью волны, достаточной для эффективного воздействия на обрабатываемый объект. Решается также задача снижения себестоимости процесса обработки объектов путем снижения энергетических затрат, связанных со снижением мощности насосных установок для подачи жидкотекучей среды.

Поставленная задача решается тем, что в гидродинамическом генераторе акустических колебаний ультразвукового диапазона, включающем полый корпус с входным и выходным отверстиями и размещенное внутри него препятствие для потока жидкости, корпус выполнен в виде конусно-цилиндрической трубы с размещенным внутри нее препятствием в виде системы, состоящей из последовательно соединенных плохо обтекаемого тела, стержня и диска и установленной соосно с трубой, при этом центральный цилиндрический участок трубы имеет величину диаметра поперечного сечения больше, чем величина диаметра поперечного сечения периферийных цилиндрических участков, а центральный и периферийные участки соединены между собой коническими участками трубы.

В предпочтительном варианте расстояние L от диска до выходного отверстия для выпуска жидкости из трубы должно удовлетворять условию L=1,2-2,0 Д₁, где Д ₁ - диаметр диска, а соотношение диаметров диска Д ₁ и центральной цилиндрической части трубы Д ₂ составляет величину из диапазона 0,6-0,95, соответственно, что позволяет интенсифицировать процесс образования и схлопывания кавитационных полостей, приводя к увеличению интенсивности генерируемых ультразвуковых колебаний.

Предпочтительно, чтобы в качестве материала плохо обтекаемого тела, стержня и диска был использован металл из ряда на основе хромоникелевых сплавов, титан, бронза.

Поставленная задача решается также тем, что в способе создания акустических колебаний в жидкотекучих средах путем подачи потока жидкости в устройство, содержащее полый корпус с входным и выходным отверстиями в виде конусно-цилиндрической трубы и размещенное внутри него препятствие для потока жидкости в виде системы, состоящей из последовательно соединенных плохо обтекаемого тела, стержня и диска, жидкость подают в трубу со скоростью не менее 6 м/с с получением упруго-механических колебаний ультразвукового диапазона.

Сущность данного изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между такими акустическими характеристиками генерируемых упругих волн как частота, интенсивность, удаленность распространения волн заданной интенсивности и гидродинамическими характеристиками генератора, включающими геометрию препятствия, взаимное расположение препятствия и конусно-цилиндрической трубы, а также скорость потока жидкости на входе в трубу. Для выявления этой взаимообусловленности были экспериментально изучены генерация и распространение ультразвуковых волн при сопутствующих акустическом течении жидкой среды, а также ряде нелинейных явлений, т.е. в условиях, когда в энергетику поля существенный вклад вносят как сопутствующая первичная гидродинамическая, так и вторичная акустическая кавитация. В условиях отсутствия общеизвестных закономерностей нелинейной акустики авторами экспериментально были определены структура и форма препятствия генератора, а также гидродинамические параметры, касающиеся скорости потока жидкости на входе в трубу, что позволило на порядок повысить интенсивность генерируемых плоских волн ультразвукового диапазона по сравнению с известными устройствами при возможности увеличения расстояния эффективного воздействия на объект до 2000 м.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена принципиальная схема генератора акустических высокочастотных колебаний. На схеме приведены следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - плохообтекаемое тело; 3 - стержень; 4 - диск; 5 - конусные поверхности; 6 - резонансная кавитационно-акустическая камера; 7 - направление течения жидкости.

В конструкции данного гидродинамического генератора имеется корпус 1 в виде конусно-цилиндрической трубы и установленное соосно с ним колеблющееся препятствие, в качестве которого служит система, помещенная на пути жидкотекучей среды и состоящая из последовательно соединенных между собой плохообтекаемого тела 2, стержня 3 и диска 4, при этом фронтальный участок плохообтекаемого тела обращен в сторону впуска жидкотекучей среды.

Конструкция данного устройства, включая форму, взаимное расположение и геометрические размеры корпуса и препятствия, позволяет реализовать такие гидродинамические условия, когда в энергетику поля существенный вклад вносят как сопутствующая первичная гидродинамическая, так и вторичная акустическая кавитация, сопровождаемая явлениями нелинейной акустики. Применение данного устройства, в котором при обтекании жидкотекучей средой тела 2, представляющего собой плохообтекаемое тело, выполненное, например, в виде цилиндров, конусных и полусферических поверхностей, диска, вызывает явление кавитации в центральной цилиндрической части корпуса при условии течения жидкости со скоростью не менее 6 м/с. Пульсация давления кавитационной области вынуждает колебаться жестко соединенные с плохообтекаемым телом 2 стержень 3 и диск 4, имеющие взаимосогласованные собственные основные частоты колебаний. Конусные участки 5 трубы являются отражающими поверхностями, что позволяет в совокупности с геометрией корпуса и препятствия обеспечить получение стоячих волн, усиливающих амплитуду и интенсивность излучения.

Данные устройство и способ позволяют использовать энергию импульсов кавитации для возбуждения основных собственных частот ультразвукового диапазона системы, состоящей из жестко соединенных плохо обтекаемого тела, стержня и диска и установленной соосно с корпусом, выполненным в виде конусно-цилиндрической трубы. Совпадение генерируемой частоты колебаний с собственной частотой прокачиваемой жидкой среды обеспечивает осуществление резонансного режима работы.

Далее приводится неограничивающий пример реализации данных устройства и способа.

Пример.

Данный гидродинамический генератор акустических высокочастотных колебаний работает следующим образом.

В полость корпуса 1, выполненного в виде конусно-цилиндрической трубы, имеющей диаметр центральной цилиндрической части Д₂ =150 мм, расстояние от диска до выпуска жидкости из трубы L=150 мм, подают поток жидкости со скоростью 10 м/с. Поток жидкости, вытекающий через входное цилиндрическое отверстие трубы, попадает на препятствие, расположенное в полости корпуса 1 и выполненное в виде системы из жестко соединенных между собой плохообтекаемого тела 2, фронтальный участок которого направлен в сторону подачи потока жидкости, стержня 3 длиной 43 мм и диска 4 диаметром Д ₁=105 мм, возбуждая колебания диска и стержня, а также создавая условия для развития таких нелинейных явлений как кавитация и вторичная акустическая кавитация. Под воздействием пульсаций давления развитой кавитации вследствие коллапса каверн создается акустическое поле высокой интенсивности, которое, в свою очередь, приводит к возникновению вторичной акустической кавитации. Основная несущая частота генерируемых волн составляет величину, равную 360 кГц, интенсивность генерируемых волн равна 1000 Вт/см ².

Преимущество данных устройства и способа состоит в том, что они в совокупности позволяют:

- обеспечить высокую интенсивность акустических волн ультрачастотного диапазона в жидкой среде с переносом энергии на расстояния до 2000 м при больших давлениях;

- обеспечить с помощью высокочастотных колебаний в жидкости явления кавитации и акустических течений жидкости;

- выбранный волновой режим с частотой до 1,0 МГц характеризуется узкой направленностью и высокой концентрацией волновой энергии - до 1500-1600 Вт/см²;

- интенсифицировать технологические процессы, протекающие в жидкой фазе, за счет внесения в энергетику поля первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации.

Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая способность получения кавитационного течения (суперкавитация, акустическая кавитация), передачи акустической энергии в жидкости, поровых и трещиноватых телах, насыщенных флюидом, на значительные расстояния при избыточном гидростатическом давлении, диспергирования твердых присадок в жидкостях, эмульгирования, получения гомогенных смесей и пр., где требуются высокие интенсивности звука, а также возможность использования в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Данный способ получения упруго-механических колебаний ультразвукового диапазона частотой до 1,0 МГц, сопровождающийся такими физическими явлениями как акустическая кавитация, кавитационное течение жидкости, позволяет использовать данное устройство в поровых, трещиноватых телах, насыщенных флюидом (продуктивные нефтяные, водяные пласты) при передаче энергии на значительные расстояния - до 2000 м. Способ обеспечивает волновое воздействие на обрабатываемую жидкотекучую среду при объемном расходе жидкости не менее 100 м³/час.