ГАЗОСТРУЙНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F23Q13/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для интенсификации тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других.

Известен газоструйный акустический излучатель, содержащий соосное сопло и проточный резонатор со сверхзвуковой приемной частью, обращенной к соплу, сверхзвуковой выпускной частью и каналом, соединяющим выпускную и приемную части резонатора, снабженного трубкой с отверстиями, размещенной вдоль оси сопла внутри его и канала так, что отверстия расположены напротив стыка канала и выпускной части резонатора, кроме того, выходной торец трубки выполнен с буртом (SU 1568340 А1, 25.10.1988).

Недостатком известной конструкции газоструйного акустического излучателя является неполное использование возможности повышения интенсификации тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других из-за невысокой мощности акустического излучения для интенсификации тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других, ввиду отсутствия диффузорного участка сопла, что не позволяет получить сверхзвуковую скорость истечения рабочего тела, например газа, на срезе сужающегося сопла, а сверхзвуковое течение потока рабочего тела становится возможным только вне сужающегося сопла, где происходит произвольное течение и расширение струй потока, причем максимальное значение скорости оказывается в сечении с максимальной площадью, а плотность потока в нем имеет минимальное значение. Кроме того, использование известной конструкции приводит к повышенному расходу газа из-за большой площади сечения выходного отверстия сопла при минимальных размерах кольцевой щели, что не обеспечивает экономического преимущества, например ограничивает применение пара.

Известно также акустическое устройство, содержащее корпус с сопловым блоком, выполненным в виде комбинированного конуса с резонирующей камерой, скрепленной с корпусом резьбовым соединением, в теле соплового блока установлены четыре гайки с внутренней сферической поверхностью, симметрично или асимметрично расположенные относительно его продольной оси, внутри каждой гайки установлен жиклер с внешней сферической поверхностью, переходящей в противоположно расположенные наружные и внутренние цилиндрические выступы, и с внутренней поверхностью, выполненной в виде сопла Лаваля, поверх соплового блока неподвижно установлена пружинящая втулка с продольными пазами под наружные цилиндрические выступы жиклеров, в резонирующей камере посредством резьбы установлена втулка с поперечными пазами под внутренние выступы жиклеров, а в дне резонирующей камеры выполнено резьбовое углубление, в котором установлен резонатор с возможностью перемещения вдоль продольной оси соплового блока (RU 2220373 С1, 20.06.2002).

Недостатком известной конструкции газоструйного акустического излучателя является неполное использование возможности повышения интенсификации тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других из-за невысокой мощности акустического излучения. Кроме того, относительно сложная его конструкция и, соответственно, высокая трудоемкость изготовления, что не обеспечивает экономического преимущества известного технического решения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является газоструйный акустический излучатель Гартмана, содержащий корпус с сужающимся коническим соплом и расположенный на выходе из сопла соосно цилиндрический резонатор, соединенный с корпусом скобой (Голямина И.П. Маленькая энциклопедия «Ультразвук», М.: Советская энциклопедия, 1979, стр.76).

Недостатком известной конструкции газоструйного акустического излучателя является неполное использование возможности повышения интенсификации тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других из-за отсутствия у сопла диффузорного участка и, как следствие, отсутствие сверхзвукового течения рабочего тела, например газа, на выходе из сопла. Резонатор известной конструкции размещен на удалении от среза сужающегося (конфузорного) сопла, где происходит свободное течение потока рабочего тела в окружающей его атмосфере, сопровождающееся расширением потока и снижением его плотности, а также, соответственно, скорости струй, находящихся на периферии потока, по существу на краевом периметре его сечения, хотя скорость в центре потока становится сверхзвуковой, но кинетическая энергия его в целом падает, следовательно, снижается и энергия акустического излучения. Снижение динамики потока от его свободного расширения в атмосферу до совершения им полезной работы обусловливает низкий кпд акустического излучателя Гартмана, который составляет (5÷6)%.

При этом соединение резонатора с корпусом одной скобой не обеспечивает соосности сопла и резонатора из-за асимметричной деформации, вызванной термическим расширением материала скобы, при использовании газоструйного акустического излучателя в зоне повышенных температур, например в топке парового котла, что ограничивает использование данного газоструйного акустического излучателя в диапазоне температур, например, (400÷1100)°С, когда рабочим телом является пар с температурой (320÷400)°С.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение интенсификации тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других путем максимального преобразования кинетической энергии газового потока в энергию акустического высокочастотного излучения.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в газоструйном акустическом излучателе, содержащем корпус с сужающимся, например, коническим соплом и расположенным на выходе из сопла соосно цилиндрическим резонатором, соединенным с корпусом скобой, согласно изобретению сопло выполнено из сужающейся и расширяющейся частей, а в полости расширяющейся части сопла установлено с возможностью перемещения вдоль центральной продольной оси расширяющейся части сопла центральное тело, лобовая поверхность которого расположена поперек центральной продольной оси расширяющейся части сопла.

В газоструйном акустическом излучателе центральное тело, установленное в полости расширяющейся части сопла, соединено с корпусом посредством цапфы, выполненной в виде двух цилиндрических соосных втулок, скрепленных между собой, по меньшей мере, двумя скобами, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии.

В газоструйном акустическом излучателе в критической части сопла установлен вкладыш, внутренняя поверхность которого составляет, по меньшей мере, часть сужающейся и расширяющейся частей сопла, а вкладыш выполнен из материала, твердость и эрозионная стойкость которого превышает твердость и эрозионную стойкость материала корпуса.

Выполнение газоструйного акустического излучателя, содержащего корпус с сужающимся, например, коническим соплом и расположенным на выходе из сопла соосно цилиндрическим резонатором, соединенным с корпусом скобой, таким образом, что сопло выполнено из сужающейся и расширяющейся частей, а в полости расширяющейся части сопла установлено с возможностью перемещения вдоль центральной продольной оси расширяющейся части сопла центральное тело, лобовая поверхность которого расположена поперек центральной продольной оси расширяющейся части сопла, повышает интенсивность тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции и сушки за счет акустического излучения, образующегося в результате взаимодействия сверхзвукового потока рабочего тела, например пара или воздуха, с лобовой поверхностью центрального тела, перед которой образуется отсоединенный скачок уплотнения с плотностью, многократно превышающей усредненную плотность потока, текущего в расширяющейся части сопла со сверхзвуковой скоростью, при этом кинетическая энергия сверхзвукового потока переходит в потенциальную энергию сжатого газа, который, периодически расширяясь, взаимодействует с набегающим течением следующего за ним потока газа и образует мощные направленные по потоку ударные волны, генерирующие высокочастотное акустическое излучение, частота и интенсивность которого определяется периодичностью сжатия и расширения газа области отсоединенного скачка уплотнения, а так же скоростью потока газа во всей полости расширяющейся части сопла. Кроме того, установка в полости расширяющейся части сопла центрального тела с возможностью перемещения вдоль центральной продольной оси расширяющейся части сопла повышает интенсивность тепло- и массообменных процессов за счет точной настройки газоструйного акустического излучателя на требуемые характеристики акустического излучения, например частота 25 кГц, интенсивность 120 дБ. При этом расположение лобовой поверхности центрального тела поперек центральной продольной оси расширяющейся части сопла позволяет генерировать акустическое излучение максимальной мощности при минимальном расходе рабочего тела за счет образования перед лобовой поверхностью центрального тела отсоединенного скачка уплотнения максимальной плотности и, соответственно, максимального давления газа в нем, который, периодически расширяясь, взаимодействует с набегающим течением следующего за ним потока газа и образует мощные ударные волны, генерирующие высокочастотные акустические колебания.

Выполнение газоструйного акустического излучателя таким образом, что центральное тело, установленное в полости расширяющейся части сопла, соединено с корпусом посредством цапфы, выполненной в виде двух цилиндрических соосных втулок, скрепленных между собой, по меньшей мере, двумя скобами, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии, дополнительно повышает интенсивность тепло- и массообменных процессов: горения, смешения, коагуляции, сушки и других за счет расширения диапазона настройки частот и интенсивности акустического излучения.

Кроме того, скрепление между собой цилиндрических соосных втулок, по меньшей мере, двумя скобами, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии, позволяет избежать асимметричной деформации от термического расширения материала и обеспечить первоначально установленную соосность центрального тела с расширяющейся частью сопла при использовании газоструйного акустического излучателя в условиях, например, в интервале температур (400÷1100)°С в топке парового котла.

Выполнение газоструйного акустического излучателя таким образом, что в критической части сопла установлен вкладыш, внутренняя поверхность которого составляет, по меньшей мере, часть сужающейся и расширяющейся частей сопла, а вкладыш выполнен из материала, твердость и эрозионная стойкость которого превышает твердость и эрозионную стойкость материала корпуса, повышает технологичность изготовления газоструйного акустического излучателя, а также увеличивает ресурс в условиях температур, например, от 400°С до 1100°С и обеспечивает экономическое преимущество, повышает технические и эксплуатационные характеристики.

Изобретение поясняется лучшим вариантом конструкции газоструйного акустического излучателя.

На фиг.1 показан акустический излучатель в разрезе.

На фиг.2 показан вид А на фиг.1 акустического излучателя со стороны цапфы.

Газоструйный акустический излучатель работает по принципу преобразования кинетической энергии движущегося газового потока в энергию акустических колебаний посредством торможения части газового потока лобовой поверхностью центрального тела, в результате торможения перед лобовой поверхностью возникает отсоединенный скачок уплотнения, а кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию сжатого газа, который, периодически расширяется и взаимодействует с набегающим течением следующего за ним сверхзвукового потока газа и образует мощные направленные по потоку ударные волны, генерирующие акустические колебания, частота и интенсивность которых определяется периодичностью сжатия и расширения газа в области отсоединенного скачка уплотнения.

Газоструйный акустический излучатель содержит: корпус 1 с сужающимся соплом 2 и расположенный на выходе из сопла 2 цилиндрический резонатор 3, соединенный с корпусом 1 скобой 4, показано на фиг.1. Сопло выполнено из сужающейся части 5 и расширяющейся части 6, полость 7 расширяющейся части 6 сопла, центральную продольную ось 8 расширяющейся части 6 сопла, центральное тело 9 с лобовой поверхностью 10, расположенной поперек центральной продольной оси 8 расширяющейся части 6 сопла, показано на фиг.2. Газоструйный акустический излучатель также содержит: цапфу 11, показано на фиг.2, выполненную в виде двух цилиндрических соосных втулок 12, 13, скрепленных между собой, по меньшей мере, двумя скобами 4, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии, вкладыш 14, внутренняя поверхность которого составляет, по меньшей мере, часть сужающейся и расширяющейся частей 5, 6 сопла, показано на фиг.1, 2.

Кроме того, на фиг.1, фиг.2 показано: поз.15 - поток рабочего тела - газа (пар, воздух), поступающий в акустический излучатель; поз.16 - критическое сечение сопла; поз.17 - область отсоединенного скачка уплотнения фиг.1; поз.18 - стопорная гайка фиксирования втулки 13 цапфы 11 на корпусе 1; поз.19 - стопорная гайка фиксирования центрального тела 9 в цапфе 11.

Газоструйный акустический излучатель работает следующим образом. Поток рабочего тела 15 под давлением, например, 15 кгс/см² подается в сужающуюся часть 5 сопла корпуса 1, далее через критическое сечение 16 в полость 7 расширяющейся части 6 сопла корпуса 1, где разгоняется до скорости, превышающей скорость звука, и взаимодействует с лобовой поверхностью 10 центрального тела 9, установленной поперек центральной продольной оси 8 расширяющейся части 6 сопла, в результате часть сверхзвукового потока тормозится и создает перед лобовой поверхностью 10 центрального тела 9 отсоединенный скачок уплотнения 17. Плотность газа отсоединенного скачка уплотнения 17 многократно превышает усредненную плотность сверхзвукового потока в расширяющейся части 6 сопла, при этом кинетическая энергия сверхзвукового газового потока переходит в потенциальную энергию сжатого газа, который периодически расширяется и взаимодействует с набегающим сверхзвуковым течением следующего за ним потока газа и образует мощные, направленные по потоку ударные волны, генерирующие акустические колебания, частота и интенсивность которых определяется периодичностью сжатия и расширения газа области отсоединенного скачка уплотнения 17, а также скоростью течения части газа, избежавшего столкновения с лобовой поверхностью 10 во всей полости 7 расширяющейся части 6 сопла, которая создает относительно стабильную динамику сверхзвукового течения рабочего тела, не только перед лобовой поверхностью 10, но и за ней, по существу во всей полости 7 расширяющейся части 6 сопла. Кроме того, сверхзвуковое течение части рабочего тела за лобовой поверхностью 10 центрального тела 9 оказывает на область сжатого газа отсоединенного скачка уплотнения 17, расположенного перед лобовой поверхностью 10, эжектирующее воздействие, которое повышает скорость импульсного истечения газа из данной области и повышает, тем самым, частоту и интенсивность акустического излучения.

В предлагаемом газоструйном акустическом излучателе перемещение центрального тела 9 в полости 7 расширяющейся части 6 сопла вдоль центральной продольной оси 8 позволяет выполнить точную настройку акустического излучателя на требуемую частоту акустического излучения, например от 6 кГц до 120 кГц.

При этом перемещение центрального тела 9, установленного в полости 7 расширяющейся части 6 сопла вдоль центральной продольной оси 8, осуществляется посредством цапфы 11, выполненной в виде двух цилиндрических соосных втулок 12, 13, скрепленных между собой, по меньшей мере, двумя скобами 4, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии, за счет, например, резьбового соединения центрального тела 9 с втулкой 12 цапфы 11 и стопорной гайки 19, а также перемещением по резьбе корпуса 1 втулки 13 цапфы 11 с последующим стопорением гайкой 18, в результате обеспечивается многовариантное позиционирование центрального тела 9 в полости 7 расширяющейся части 6 сопла.

При этом увеличивается эффективная длина расширяющейся части 6 сопла, которая изменяет динамику течения потока рабочего тела 15 без замены основных элементов конструкции акустического излучателя, например корпуса 1, что дополнительно расширяет спектр вариантов точной настройки акустического излучателя по частотам акустического излучения, например, от 6 кГц до 150 кГц. При этом выполнение цапфы 11 в виде двух цилиндрических соосных втулок 12, 13, скрепленных между собой, по меньшей мере, двумя скобами 4, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии, позволяет избежать асимметричной деформации материала скоб 4 от термического расширения при использовании акустического излучателя в диапазоне температур (400÷1100)°С и обеспечить первоначально установленную соосность центрального тела 9 с расширяющейся частью 6 сопла.

Установленный в критической части сопла корпуса 1 вкладыш 14 с внутренней поверхностью, составляющей, по меньшей мере, часть сужающейся и расширяющейся части 5, 6 сопла с критическим сечением 16, размеры которого в значительной мере определяют динамику течения потока рабочего тела 15 в расширяющейся части 6 сопла, а следовательно, величину характеристик акустического излучения.

При этом твердость и эрозионная стойкость материала вкладыша 14 превышает твердость и эрозионную стойкость материала корпуса 1, что позволяет при взаимодействии поверхности вкладыша 14 с аэродинамическим потоком рабочего тела 15 увеличить ресурс предлагаемой конструкции газоструйного акустического излучателя в условиях температур, например, (400÷1100)°С при использовании газоструйного акустического излучателя в топке парового котла.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для интенсификации тепло- и массообменных процессов. В корпусе 1 сопло выполнено из сужающейся части 5 и расширяющейся части 6. Центральное тело 9 имеет возможность перемещаться вдоль центральной продольной оси 8 расширяющейся части 6 сопла. Лобовая поверхность 10 центрального тела 9 расположена поперек центральной продольной оси 8. Часть газа, прошедшего сужающуюся часть 5 сопла, критическое сечение 16 и расширяющуюся часть 6 сопла, тормозится лобовой поверхностью 10 центрального тела 9. В результате торможения перед лобовой поверхностью возникает отсоединенный скачок уплотнения 17. Периодическое расширение газа скачка уплотнения 17 и взаимодействие его с набегающим сверхзвуковым потоком генерирует интенсивное акустическое излучение. Эффект усиливается перемещением центрального тела 9 вдоль центральной продольной оси 8 посредством цапфы. Цапфа выполнена в виде двух цилиндрических соосных втулок 12, 13. Техническим результатом изобретения является создание резонансного акустического воздействия на тепло- и массообменные процессы путем максимального преобразования кинетической энергии газового потока в энергию акустического излучения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газоструйный акустический излучатель, содержащий корпус с сужающимся, например коническим, соплом и расположенный на выходе из сопла соосно цилиндрический резонатор, соединенный с корпусом скобой, отличающийся тем, что сопло выполнено из сужающейся и расширяющейся частей, а в полости расширяющейся части сопла установлено с возможностью перемещения вдоль центральной продольной оси расширяющейся части сопла центральное тело, лобовая поверхность которого расположена поперек центральной продольной оси расширяющейся части сопла.2. Газоструйный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что центральное тело, установленное в полости расширяющейся части сопла, соединено с корпусом посредством цапфы, выполненной в виде двух цилиндрических соосных втулок, скрепленных между собой, по меньшей мере, двумя скобами, расположенными в окружном направлении одна относительно другой на одинаковом расстоянии.3. Газоструйный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что в критической части сопла установлен вкладыш, внутренняя поверхность которого составляет, по меньшей мере, часть сужающейся и расширяющейся частей сопла, а вкладыш выполнен из материала, твердость и эрозионная стойкость которого превышают твердость и эрозионную стойкость материала корпуса.