ИНФРАЗВУКОВОЙ ГАЗОСТРУЙНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК B06B1/18 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к теплообменным устройствам типа акустических газоструйных устройств для создания в газовых средах звуковых полей дискретной частоты в широком диапазоне частот, что может быть использовано для интенсификации тепломассообменных процессов в газовых средах (горение, смешение, коагуляция, сушка и др.), а также для очистки разных активных поверхностей от сыпучих и иных отложений и применено в различных отраслях промышленности, например, для чистки загрязненных поверхностей.

Известно акустическое устройство для очистки и сушки активных поверхностей [1], которое основано на генерировании интенсивного акустического поля. Усиление эффекта осуществляется за счет подпора газа, создающегося специальным устройством, выполненным на выходном торце трубки. Однако в известном устройстве недостаточно полно реализуется преобразование кинетической энергии потока газа в акустическую, что снижает интенсификацию тепло- и массообменных процессов.

Известен газоструйный акустический излучатель, который относится к акустической теплотехнике [2]. Он содержит проточный резонатор со сверхзвуковой приемной частью, обращенной к соплу, и сверхзвуковой выпускной частью и каналом, соединяющим выпускную и приемную части резонатора. Однако известное устройство имеет достаточно низкий КПД, вследствие чего невысокую эффективность нагрева рабочих тел до температуры воспламенения.

Известна установка звуковой очистки [3], которая содержит ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний. Устройство может использоваться в различных отраслях промышленности для очистки загрязненных поверхностей. Однако известное устройство имеет неравномерную интенсивность акустического воздействия по всей поверхности, предназначенной для очистки.

Известна установка ультразвуковой очистки [4], отличающаяся от известной установки звуковой очистки [3] тем, что демпфер паразитных изгибных колебаний в ней выполнен в виде отдельных массивных стальных колец, концентрично охватывающих излучатели соответствующих преобразователей, что позволяет осуществлять более равномерную очистку. Однако известное устройство имеет невысокую интенсивность очистки.

Известен газоструйный резонансный излучатель [5], наиболее близкий к предлагаемому изобретению, принятый в качестве прототипа. Излучатель предназначен для звуковой очистки различных поверхностей от промышленных загрязнений и разных отложений. Работа известного устройства основана на преобразовании кинетической энергии газа в акустическую в режиме резонанса.

Недостатками известного устройства являются сложность настройки, узкий рабочий диапазон, большой расход воздуха и некоторые конструктивные особенности, влияющие на эффективность работы устройства, и связанный с этим невысокий уровень очистки (за счет неполного преобразования кинетической энергии в акустическую).

Технический результат заявляемого изобретения состоит в упрощении настройки, расширении рабочего диапазона, сокращении расхода воздуха и повышении эффективности работы устройства, в первую очередь качества очистки, за счет перехода на более низкое давление.

Указанный технический результат достигается тем, что газоструйный резонансный излучатель, содержащий резонирующий цилиндрический корпус с соосно размещенными в нем соплом, штоком, трубой, в которой установлен с возможностью продольного перемещения и фиксации отражатель, труба и сопло выполнены с возможностью относительного осевого перемещения, резонирующий цилиндрический корпус заглушен со стороны сопла, через сопло проходит игла, а на входе в сопло установлена кольцевая диафрагма, жестко соединенная с иглой, в соответствии с заявляемым изобретением имеет в трубе, соосно размещенной в резонирующем цилиндрическом корпусе, сквозную перфорацию со стороны входа (устья) полости трубы, причем соотношение длины этой трубы и ее диаметра составляет не менее 10:1, при этом резонирующий цилиндрический корпус и труба имеют размеры, которые определяются по формуле:

f=Ao/4L,

где f - частота автоколебательного процесса;

Ао - скорость звука в воздухе (рабочий газ-воздух);

L - длина трубы, размещенной внутри резонирующего цилиндрического корпуса.

Такие соотношения размеров цилиндрического корпуса и трубы позволяют возбуждать колебания частотой ниже 50 герц с переходом в инфразвуковую область излучения, что позволяет использовать газоструйный резонансный излучатель как инфразвуковой.

Кроме того, в заявляемом устройстве резонирующий цилиндрический корпус и расположенная внутри него труба имеют при скорости звука в воздухе 340 м/сек размеры не менее 4 метров.

Помимо этого в заявляемом устройстве резонирующий цилиндрический корпус имеет диффузор.

Работа заявляемого инфразвукового газоструйного резонансного излучателя, который относится к мощным генераторам звука, работающим в газовой среде, основана на преобразовании кинетической энергии газовой струи в акустическую энергию.

Анализ мирового уровня техники в данной области выявил, что в настоящее время в теплоэнергетике наблюдается тенденция использовать низкосортные многозольные топлива. В связи с этим возникают проблемы, связанные с заносом конвективных поверхностей теплообменных аппаратов зольными отложениями.

Однако помимо зольного заноса актуальной проблемой для теплообменных аппаратов является проблема заноса отложениями технологического уноса при производстве, например, цемента, в сталеплавильном производстве, а также в ряде других производств. Поэтому проблема повышения эффективности работы теплообменных устройств и качества очистки удаления зольных отложений и отложений технологического уноса с поверхностей теплообменных аппаратов является первостепенной.

Заявляемое устройство предназначено для решения этой актуальной для разных отраслей производства проблемы.

Реализация заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема газоструйного резонансного излучателя в продольном разрезе.

Газоструйный резонансный излучатель содержит: цилиндрической формы резонансную трубу (1), несущую функцию цилиндрического корпуса, которая открыта с одной стороны, а с другой стороны заглушена фланцем-дном; сопло (2), выходящее со стороны фланца-дна по оси резонансной трубы; внутреннюю трубу (3); вблизи устья резонансной трубы в ее стенках имеются сквозные перфорированные отверстия; внутренняя труба расположена по оси резонансной трубы за соплом на некотором расстоянии от него и своим устьем обращена к соплу; дно-отражатель (4), заглушающий полость внутренней трубы; шток (5), связывающий дно-отражатель с механизмом (6) для перемещения дна-отражателя; механизм (7) для относительного перемещения сопла и внутренней трубы; держатели-фиксаторы (8) внутренней трубы в резонансной трубе; диафрагму (9), установленную на входе в сопло; тонкую иглу (10), соединенную с диафрагмой и размещенную по оси сопла с некоторым вылетом из него.

Работа газоструйного резонансного излучателя осуществляется следующим образом.

В газоструйный резонансный излучатель через сопло 2 подается под давлением рабочий газ (воздух), который натекает дозвуковой или сверхзвуковой струей на полость внутренней трубы 3, взаимодействует с полостью; при определенных параметрах во взаимодействии струи с полостью развивается автоколебательный процесс, характерный для первой продольной моды колебаний. В свою очередь, развивающийся автоколебательный процесс способствует развитию резонанса в резонансной трубе (1). Игла (10) в газоструйном резонансном излучателе существенно облегчает работу по настройке устройства на резонанс, а в сочетании с имеющимися сквозными (перфорированными) отверстиями во внутренней трубе (3) делает возможным резонанс и на дозвуковых струях.

За счет такого конструктивного исполнения технический результат устройства достигается использованием эффекта наложения мощного звукового поля дискретной частоты на основной запыленный газовый поток (так называемая «звуковая очистка»).

Указанный эффект основан на разрушении, механизм которого определяется аутогезионными параметрами отложений, в частности показателем разрывной прочности. У ряда групп сыпучих материалов разрывная прочность при статическом приложении нагрузки в переводе к уровню звукового давления лежит в диапазоне от 125 до 140 дБ (при этом воздействие звукового давления на отложения имеет динамический характер).

Сыпучие материалы (промышленные пыли) по их аутогезионной способности имеют свою классификацию [6]:

1. Неслипающаяся (свободнотекучая): пыль мартеновская (производство без кислородного дутья), колошниковая, агломерациооная, конвертерная (производство стали по схеме с дожиганием), электросталеплавильная, коксовая, доломитовая, шамотная, дунитовая, каменных углей, порошок известняка, плавикового шпата, цемент (производство сухим способом), грунт.

2. Слабослипающаяся (легкотекучая): пыль мартеновская (производство с кислородным дутьем), магнезитовая (отбор проб после печей отжига), доломитовая и шамотная (отбор проб после электрофильтров), угольная (с фракцией 0-60 мкм более 30%), конвертерная (отбор проб после котлов-утилизаторов, схема с дожиганием), известняковая, гипс (строительный грубого помола), зола содорегенерационных котлов, мазута, карагандинских и кузнецких каменных углей.

3. Среднеслипающаяся (среднетекучая): пыль мартеновская (производство интенсивным кислородным дутьем), магнезитовая (отбор проб за котлом-утилизатором), угольная (с фракцией 0-60 мкм более 80%), доломитовая (отбор проб за электрофильтром), электросталеплавильная (крупные печи с интенсивным производством), медеплавильная.

Для повышения эффективности и качества очистки заявленным устройством резонансная труба имеет глубину полости, которая для инфразвукового диапазона частот выбирается по соотношению f_а=a/4L; сопло, выходящее со стороны фланца-дна по оси резонансной трубы имеет число Маха М_a=1; глубина полости внутренней трубы для инфразвукового диапазона частот выбирается по соотношению f_a=а/4L и вблизи устья в ее стенках имеются сквозные перфорированные отверстия.

Примеры экспериментальных исследований.

Пример 1.

На базе газодинамической лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета была проведена экспериментальная проверка работоспособности газоструйного резонансного излучателя устройства-прототипа для выявления его недостатков и анализ причин с целью дальнейшего их устранения в заявленном изобретении.

Результаты испытаний показали, что настройка определяющих параметров излучателя на резонанс значительно затруднена в основном за счет геометрических и режимных параметров устройства, влияющих на положительный эффект, получаемый от резонанса.

Ниже перечислены основные геометрические и режимные параметры газоструйного резонансного излучателя, определяющие настройку на явление резонанса:

- d_а - диаметр выходного сечения сопла;

- d₁ - диаметр полости внутренней трубы;

- d_и - диаметр тонкой иглы (стержня);

- d₂ - диаметр полости резонансной трубы;

- l₀ - вылет сопла по отношению к фланцу-дну резонансной трубы;

- l_и- вылет иглы по отношению к срезу сопла (со знаком + или -);

- l₁ - расстояние между срезом сопла и устьем полости внутренней трубы;

- L₁ - глубина полости внутренней трубы;

- L₂ - глубина полости резонансной трубы;

- θ_a - угол полураствора сопла;

- M_a - геометрическое число Маха сопла;

- n - нерасчетность сверхзвуковой струи;

- Re - число Рейнольдса;

- γ - отношение удельных теплоемкостей (γ=1,4 для воздуха).

Результаты экспериментальных исследований выявили, что важным для упрощения настройки и повышения эффективности работы излучателя определяемым параметром является уровень звукового давления на основной (дискретной) частоте резонансной трубы.

Экспериментальная оценка влияния геометрического числа Маха М_a сопла показала, что максимальный уровень звукового давления на основной частоте резонансной трубы остается постоянным при числах М_a>1, диапазон изменения нерасчетности n сверхзвуковой струи находится в пределах от 1,2 до 1,4, т.е. резонанс в устройстве проявляется при истечении сверхзвуковых струй из сопла на режимах недорасширения.

Пример 2.

Для заявляемого инфразвукового газоструйного резонансного излучателя глубину полости резонансной трубы оптимально выбрать равной длине резонансной трубы инфрафона (например, равной 4-4,5 м.). Отношение L₂/d₂ (известно из учебников по физике) находится в пределах от 10 до 12.

От определяемого параметра (нерасчетность струи n) и известного числа М_a можно перейти к определению полного давления р₀ перед соплом. При этом следует иметь в виду, что сохранение нерасчетности струи n в диапазоне от 1,2 до 1,4 (при увеличении числа М_а) приводит к неоправданному росту полного давления перед соплом, что практически исключает возможность эффективной работы заявленного устройства и что неприемлемо для обоснования выбора конструкции заявляемого излучателя. Поэтому при выборе сопла проще остановиться на его конструкции с геометрическим числом М_а=1 (так называемое «сопло-очко», т.е. такое сопло, у которого диаметр критического сечения равен диаметру выходного сечения). При таком оптимальном выборе из определяемых параметров, влияющих на эффект резонанса, исключается параметр θ_а - угол полураствора сопла.

Определяемый параметр иглы d_и(диаметр иглы) можно выбрать с учетом, что она всегда тонкая, постоянным и равным от 3-5 мм.

В заявленном устройстве при натекании воздушной струи на полость внутренней трубы при определяющих этот процесс настраиваемых параметрах реализуется автоколебательный процесс. Этот процесс достаточно подробно исследован [7] и интересен, в частности, тем, что при относительно коротких трубах (L₁/d₁=1-3) наблюдается акустическое излучение с ярко выраженным дискретным тоном. Такой эффект широко эксплуатируется при построении газоструйных излучателей ультразвукового диапазона

В работе [7] показано и обосновано существование в явлении нечетных (2m+1) продольных мод колебаний при относительно глубоких полостях: m=0, 1, 2, 3, ...m=0 - первая продольная мода; m=1 - третья продольная мода и т.д. Моды отличаются структурой течения и частотами, которые образуют неэквидистантный спектр в соотношениях, близких к f_i/f_a=(2/m+1). f_i - частота моды, f_a=а/4L - акустическая частота трубной полости. Это означает, что при очень коротких полостях «резонанс» наблюдается при возникновении в явлении поперечных или вращательных мод колебаний, а в явлении взаимодействия газовых струй с глубокими полостями максимумы акустической энергии смещаются в область турбулентных пульсаций.

В заявленном инфразвуковом газоструйном резонансном излучателе важно, чтобы во взаимодействии воздушной струи с полостью внутренней трубы наблюдался автоколебательный процесс, характерный для первой продольной моды. Тогда во внешней резонансной трубе можно ожидать явление резонанса, одним из условий для него должно быть отношение L₁/L₂˜1 (глубина полости внутренней трубы близка к глубине резонансной трубы).

Таким образом, глубина полости внутренней трубы для верхней границы инфразвука должна быть L₁˜4 м. При таких глубоких полостях (L₁/d₁>>10) влияние числа Рейнольдса Re оказывается существенным на процесс, это влияние (отрицательное) тем более увеличится при внесении в конструкцию стержня. Следует убрать из конструкции резонансного излучателя стержень и не рассматривать влияние числа Рейнольдса Re, если в явлении взаимодействия струи с полостью внутренней трубы проявится первая продольная мода (эта мода действительно существует и на более глубоких полостях).

С учетом вышеприведенных замечаний количество определяющих явление резонанса параметров лишь незначительно уменьшилось. Приведем эти параметры в безразмерном виде:

- - относительный диаметр выходного сечения сопла;

- - относительный диаметр полости внутренней трубы;

- - относительный вылет сопла;

- - относительный вылет иглы;

- - относительная глубина полости внутренней трубы;

- - полное давление перед соплом (р_н - наружное давление).

Задача поиска локальных максимумов уровня звукового давления на основной частоте резонансной трубы при явлении резонанса (в зависимости от вышеперечисленных параметров) значительно упростилась, поскольку оказалось, что по параметру в явлении существуют протяженные зоны, в которых искомый уровень звукового давления остается практически постоянным. Но даже в упрощенном варианте анализ влияния определяющих параметров на резонанс может быть дан лишь на основе объемного и трудоемкого экспериментального исследования.

В заявленном инфразвуковом газоструйном резонансном излучателе резонанс на основной акустической частоте резонансной трубы достигается при истечении из сопла как дозвуковых, так и сверхзвуковых струй. (При этом если иметь в виду зону резонанса по полному давлению перед соплом, то зона начинается от малого докритического давления перед соплом до полного давления .) Уровень звукового давления на основной частоте резонансной трубы растет с увеличением скорости истечения дозвуковой струи, а с переходом к сверхзвуковому истечению практически остается постоянным.

Такой результат достигается следующими конструктивными изменениями:

- сопло выполнено с геометрическим числом Маха сопла М_а=1, т.е. используется так называемое сопло-очко, у которого отсутствует за критическим сечением расширяющаяся часть (диаметр критического сечения сопла равен диаметру выходного сечения сопла);

- тонкая игла соединяется с диафрагмой, проходит через сопло по его оси и может выйти за сопло на некоторое расстояние за срез сопла;

- внутренняя труба выполнена со сквозными отверстиями в стенках трубы вблизи устья своей полости;

- устье полости (имеется входное отверстие в полость);

- глубина полости резонансной трубы рассчитывается по ее основной акустической частоте; эта частота - частота инфразвукового диапазона. (Возможно построение низкочастотного резонансного излучателя с основной частотой в диапазоне частот выше частоты инфразвука, до частоты ˜100 Гц.)

В лабораторных условиях ввиду существующих ограничений была выбрана резонансная труба диаметром d₂=200 мм с глубиной полости L₂=2000 мм. Ожидаемая при резонансе у этой трубы основная акустическая частота может быть меньше 40 Гц, т.е. частота достаточно близко расположена к инфразвуковому диапазону.

Пример 3.

При проведении экспериментальных исследований измерения уровней звукового давления производились шумомером ВШВ-003, микрофон устанавливался на расстоянии 6 м от излучателей. Используемый экспериментальный бокс представлял собой бетонное помещение размерами 16×9×6 м³. В процессе экспериментальных исследований производились:

- осциллографическая запись временных сигналов датчиков, регистрирующих изменение давления в полостях внутренней и резонансной труб;

- осциллографическая запись сигналов микрофона в октаве со среднегеометрической частотой f_cp=31,5 Гц при резонансе в зависимости от давления ;

- осциллографическая запись пульсаций давления в полости внутренней трубы в зависимости от давления .

Следует отметить, что выбор длины резонансной трубы обусловлен также возможностью акустических измерений в инфразвуковом диапазоне.

В приведенной таблице 1 при совершенно равных значениях, определяющих явление резонанса параметрах, показано распределение уровней звукового давления по октавам для газоструйного резонансного излучателя (ГРИ) и газоструйного (отсутствует резонансная труба) излучателя (ГИ). При этом во взаимодействии воздушной струи с полостью трубы для ГИ или с полостью внутренней трубы для ГРИ наблюдается один и тот же процесс в первой продольной моде.

Таблица 1f_cp, Гц31,5631252505001000200040008000ГИ I, дБ11210510011311311311894113ГРИ I, дБ129,51199711911811511594104

В таблице 1 указаны параметры: - f_cp - среднегеометрическая частота октавы;

- I - уровень звукового давления в данной октаве.

Данные, представленные в таблице 1, показывают, что у газоструйного излучателя (ГИ) с глубокой полостью максимум акустической энергии, несмотря на то что во взаимодействии струи с полостью наблюдается автоколебательный процесс в первой продольной моде (частота процесса ˜37 Гц; показания датчиков давления), смещается в высокочастотную область спектра акустического сигнала. В новой схеме, схеме газоструйного резонансного излучателя, ярко выраженный максимум акустической энергии наблюдается в первой октаве (f_cp=31,5 Гц). Показания датчиков давления говорят также о том, что в полостях резонансной и внутренней труб протекают процессы на одной частоте ˜37 Гц. Таким образом, проведенные исследования на практике подтверждают теоретические расчеты и обоснование функциональных возможностей заявленного изобретения. Практически в резонансной трубе можно возбудить процесс на частоте любого ее обертона при совпадении с этой частотой частоты продольной моды газоструйного излучателя. В этом смысле в качестве автоколебательного источника энергии выступает струя с внутренней трубой, размещенные в резонансной трубе.

В основе преимущества использования заявленного устройства в "звуковом" диапазоне очистки основаны на следующих положениях: инфразвуковые генераторы имеют сферическую диаграмму направленности, и звук в связи с этим практически достигает в озвучиваемом объеме все скрытые и удаленные места; у инфразвука доля отраженной звуковой энергии значительно выше при озвучивании внутренних объемов с теплоизолированными стенками; длина звуковой волны при инфразвуке сравнима практически в большинстве случаев с характерными размерами технологических аппаратов.

Заявленный инфразвуковой газоструйный резонансный излучатель можно с учетом результатов опробования этой конструкции в лабораторных и промышленных условиях использовать как для "звуковой" очистки, так и для интенсификации звуковыми волнами тепломассообменных процессов в газовых средах; а также для акустической коагуляции аэрозолей (в частности, в качестве эффективного средства пожаротушения в замкнутых и полузамкнутых объемах, где в короткий срок необходимо погасить огонь и коагулировать аэрозоли); в качестве психотропного оружия при борьбе с грызунами и мышами в сельском хозяйстве (при звуковом облучении больших площадей) и др.

Использованная литература

1. Описание изобретения к авторскому свидетельству (SU) №1568340 А1.

2. Заявка RU №92011173 А.

3. Патент РФ №2175274.

4. Патент РФ №2181635.

5. Описание изобретения к авторскому свидетельству (SU) №1587765 А1 (прототип).

6. Щелоков Я.М., Аввакумов A.M., Сазыкин Ю.К. Очистка поверхностей нагрева котлов-утилизаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 223 с.

7. Полубояринов А.К., Цветков А.И.. Экспериментальное исследование продольных мод в течении Гартмана // Прикладная аэродинамика и тепловые процессы. - Новосибирск: Изд-во ИТПМ СО АН СССР, 1980. с.99-112.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в качестве теплообменных устройств типа газоструйных акустических для интенсификации тепломассообменных процессов в газовых средах (горение, смешение, коагуляция, сушка и др.), а также для очистки разных активных поверхностей от сыпучих и иных отложений и применено в различных отраслях промышленности, например, для чистки загрязненных поверхностей. Технический результат изобретения состоит в расширении рабочего диапазона, сокращении расхода воздуха, упрощении настройки и повышении эффективности работы устройства. Инфразвуковой газоструйный резонансный излучатель содержит резонирующий цилиндрический корпус с соосно размещенными в нем соплом, штоком, трубой, в которой установлен с возможностью продольного перемещения и фиксации отражатель, труба и сопло выполнены с возможностью относительного осевого перемещения, резонирующий цилиндрический корпус заглушен со стороны сопла, через сопло проходит игла, а на входе в сопло установлена кольцевая диафрагма, жестко соединенная с иглой. При этом труба, соосно размещенная в резонирующем цилиндрическом корпусе, имеет сквозную перфорацию со стороны устья полости трубы, резонирующий цилиндрический корпус и труба имеют размеры, которые позволяют возбуждать колебания. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Инфразвуковой газоструйный резонансный излучатель, содержащий резонирующий цилиндрический корпус с соосно размещенными в нем соплом, штоком, трубой, в которой установлен с возможностью продольного перемещения и фиксации отражатель, труба и сопло выполнены с возможностью относительного осевого перемещения, резонирующий цилиндрический корпус заглушен со стороны сопла, через сопло проходит игла, а на входе в сопло установлена кольцевая диафрагма, жестко соединенная с иглой, отличающийся тем, что труба, соосно размещенная в резонирующем цилиндрическом корпусе, имеет сквозную перфорацию со стороны устья полости трубы, резонирующий цилиндрический корпус и труба имеют размеры, которые позволяют возбуждать колебания частотой ниже 50 Гц с переходом в инфразвуковую область излучения и определяются по формуле

f=A_o/4L,

где f - частота автоколебательного процесса;

А_о - скорость звука в воздухе (рабочий газ-воздух);

L - длина трубы, размещенной внутри резонирующего цилиндрического корпуса.