КАВИТАЦИОННО-АКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике генерации акустических колебаний ультразвукового диапазона в жидкотекучих средах, а именно к устройствам, преобразующим кинетическую энергию потока жидкости в энергию акустических колебаний, и может быть использована для интенсификации акустической кавитации при повышенном гидростатическом давлении, диспергирования, эмульгирования, получения гомогенных смесей в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. В частности, полезная модель относится к конструкции кавитационно-акустического излучателя, предназначенного для формирования импульсных акустических волн ультразвукового диапазона.
Общеизвестно, что кавитационная обработка жидкости способствует ее активации, изменяет ее физико-химические свойства, интенсифицирует химико-технологические процессы. Для этих целей, в частности, используются гидродинамические генераторы кавитации, принцип работы которых 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 поля скоростей и давлений. В гидродинамических кавитаторах в основном реализуется гидродинамическое воздействие за счет развитой турбулентности, пульсаций давления и скорости потока жидкости, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов (см., например, US, 3105460 "Hydroacoustic oscillator-amplifier; US, 3004512 "Acoustic-Vibration Generator and Valve".
Анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что 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, в которых осуществляется возбуждение колебаний элементов в виде пластин, стержней или мембран в резонанс с колебаниями струи жидкости (см., например, патенты US, 3895687; US, 5303784; US, 6173803; RU, 2015749, RU 2188084, RU 2229947).
2
Документ RU, 2325959 раскрывает генератор акустических колебаний ультразвукового диапазона прямоточного действия, имеющий полый корпус в форме трубы, входное и выходное отверстия которой расположены соосно друг к другу, а также расположенное внутри корпуса препятствие для потока жидкости. Препятствие состоит из системы, образованной плохо обтекаемым телом, стержнем и диском. Известное устройство позволяет достигать импульсное давление величиной 60-80 мПа. При частоте ультразвука 360 КГц амплитуда колебаний механической системы составляет 0,1-0,5 мм, обеспечивая интенсивность звука более 1500 Вт/см. Однако вследствие кавитации происходит разрушение корпуса генератора в месте сопряжения с плохообтекаемым телом вплоть до образования сквозных каналов. Кроме того, существенным недостатком известного устройства является узкая область применения вследствие прямоточного его действия. Вышеуказанные недостатки становятся значительными при промышленной эксплуатации.
В основу данной полезной модели поставлена задача разработки конструкции кавитационно-акустического излучателя, обеспечивающей расширение функциональных возможностей излучателя при одновременном увеличении его прочности. Имеется потребность в разработке кавитационно-акустического излучателя, пригодного для раскольматации призабойных зон продуктивных пластов методом площадно-волнового воздействия. Кроме того, имеется также потребность в кавитационно-акустическом излучателе, пригодном для обработки горизонтальных, боковых стволов скважин в условиях малых диаметров обсадных колонн из трудноизвлекаемых продуктивных пластов.
Поставленная задача решается тем, что в кавитационно-акустическом излучателе, содержащем профилированный корпус, имеющий три механически сопряженных и акустически связанных между собой элемента, каждый из которых выполнен в виде цилиндрической трубы одинакового диаметра в пределах каждого элемента, оси первого и второго элементов параллельны оси корпуса и перпендикулярны оси третьего элемента, первый элемент имеет открытый входной торец, а третий элемент имеет, по крайней мере, два противолежащих выходных канала, так что ось первого элемента и ось каждого из выходных каналов взаимноперпендикулярны, при этом внутри корпуса соосно с ним установлены два средства для передачи потока жидкости и формирования акустической волны, где первое средство выполнено в виде плохообтекаемого тела и установлено в области границы первого и второго элементов корпуса, второе средство установлено внутри третьего элемента корпуса и выполнено в виде многогранника, боковые грани которого ориентированы относительно выходных каналов с возможностью поворота направления распространения потока жидкости и ультразвуковой волны на 90° относительно оси корпуса.
Целесообразно, что первый элемент корпуса имеет величину диаметра поперечного сечения меньше, чем величина диаметра второго элемента, при этом первый и второй элементы сопряжены плоской поверхностью, ориентированной перпендикулярно оси корпуса, а второй и третьи элементы сопряжены конической поверхностью.
Предпочтительно, что плохообтекаемое тело имеет плоскую фронтальную поверхность, обращенную к входному торцу корпуса и ориентированную перпендикулярно оси корпуса, а также противолежащую коническую поверхность, соединенную последовательно со стержнем и диском.
Кроме того, толщина стенки корпуса кратна целому числу длины полуволны, а диаметр каждого из выходных каналов имеет величину, не менее длины волны ультразвукового диапазона.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где на фиг.1 приведена принципиальная схема кавитационно-акустического излучателя. На схеме введены следующие обозначения: 1 - первый элемент корпуса; 2 - первое средство для передачи потока жидкости и формирования акустической волны; 3 - стержень; 4 - диск; 5 - второй элемент корпуса; 6 - коническая поверхность корпуса; 7 - третий элемент корпуса; 8 - второе средство для передачи потока жидкости и формирования акустической волны; 9 - выходные каналы.
Далее приводится неограничивающий пример реализации данного устройства.
Пример.
Кавитационно-акустический излучатель имеет три механически сопряженных и акустически связанных между собой элемента: первый элемент корпуса 1, второй элемент корпуса 5 и третий элемент корпуса 7, каждый из которых выполнен в виде цилиндрической трубы одинакового диаметра в пределах каждого элемента (см. фиг.1). Оси первого и второго элементов корпуса параллельны оси корпуса и перпендикулярны оси третьего элемента. Первый элемент корпуса 1 имеет открытый входной торец, а третий элемент корпуса 7 имеет, по крайней мере, два противолежащих выходных канала 9, при этом ось первого элемента корпуса 1 и ось каждого из выходных каналов 9 взаимноперпендикулярны, а открытый входной торец первого элемента корпуса 1 перпендикулярен каждому из выходных каналов 9 третьего элемента корпуса 7. Первый элемент корпуса 1 имеет величину диаметра поперечного сечения меньше, чем величина диаметра второго элемента 5, при этом первый и второй элементы сопряжены плоской поверхностью, ориентированной перпендикулярно оси корпуса. Второй элемент корпуса 5 и третий элемент корпуса 7 сопряжены конической поверхностью. Внутри корпуса и соосно с ним установлены два средства для передачи потока жидкости и формирования акустической волны (см. фиг.1, поз.2 и 8). Первое средство для передачи потока жидкости и формирования акустической волны 2 выполнено в виде плохообтекаемого тела, установленного на пути жидкотекучей среды в области границы первого и второго элементов корпуса (поз.1 и 5, соответственно), и представляет собой колеблющееся препятствие. Плохообтекаемое тело имеет плоскую фронтальную поверхность, обращенную к входному торцу первого элемента корпуса 1, а также противолежащую коническую поверхность, соединенную последовательно со стержнем 3 и диском 4. Плоская фронтальная поверхность первого средства для передачи потока жидкости и формирования акустической волны 2 ориентированна перпендикулярно оси корпуса и обращена к входному торцу первого элемента корпуса 1, т.е. в сторону впуска жидкотекучей среды. Второе средство для передачи потока жидкости и формирования акустической волны 8 установлено внутри третьего элемента корпуса 7 и выполнено в виде многогранника, боковые грани которого ориентированы относительно выходных каналов 9 с возможностью поворота направления распространения потока жидкости и ультразвуковой волны на 90° относительно оси корпуса, т.е. направления потока жидкости на входном торце первого элемента корпуса 1.
5
Данный кавитационно-акустический излучатель ультразвуковых колебаний работает следующим образом. При обтекании жидкотекучей средой, имеющей скорость течения не менее 12 м/сек, первого средства для передачи потока жидкости и формирования акустической волны 2 в виде плохообтекаемого тела, содержащего стержень 3 и диск 4, под диском 4 образуется порядка 7×10 кавитационных каверн в зоне пониженного давления, где происходит схлопывание каверн с давлением (в центре схлопывания каверн) порядка 400 МПа со сферическим распространением ударных волн. Поскольку диаметр диска 4 предпочтительно составляет 80-90% от внутреннего диаметра корпуса, то он подвержен действию поля импульсного давления, тем самым, вызывая упруго-механическое колебание ультразвукового диапазона, направленного вниз по течению жидкой (рабочей) среды. В области конической поверхности корпуса 6 ультразвуковое излучение усиливается. Далее при обтекании второго средства для передачи потока жидкости и формирования акустической волны 8 создаются условия истинной кавитации, которая воздействует на заданный объект и дополнительно обеспечивает условие автомодельной ситуации. Второе средство для передачи потока жидкости и формирования акустической волны 8 позволяет не только развернуть направление ультразвукового излучения на 90° относительно оси корпуса, но и получить дополнительно истинную кавитацию с последующим воздействием непосредственно на заданный объект. Выходные каналы 9 имеют размеры и форму (отверстия, щели и др.) не менее длины волны ультразвукового излучения и обеспечивают прохождение плоского ультразвукового излучения рабочей кавитирущей жидкой среды.
Полезная модель имеет ряд коммерческих преимуществ, включая возможность использования в нефтегазовой промышленности для раскольматации призабойных зон продуктивных пластов методом площадно-волнового воздействия. Применение гидродинамического генератора становится особенно актуально при обработке горизонтальных, боковых стволов скважин вследствие малых диаметров обсадных колонн из трудноизвлекаемых продуктивных пластов, когда другие физико-химические методы повышения нефтеотдачи пластов исчерпаны.