Способ и устройство для возбуждения акустических колебаний в компактных, дискретных, влагонасыщенных и жидких средах
METHOD AND DEVICE FOR EXCITATION OF ACOUSTIC OSCILLATIONS IN COMPACT, DISCRETE, MOISTURE-SATURATED AND LIQUID MEDIA

Изобретение относится к акустике и предназначено для возбуждения акустических колебаний в компактных, дискретных, влагонасыщенных и жидких средах.
Известно устройство для осуществления импульсно - периодического лазерно-ультразвукового контроля твердых материалов (патент РФ  2653123, G01N 29/04, опубл. 07.05.2018 г.). Выполняется  генерация  серии оптических импульсов,  преобразование их в акустические сигналы, излучение полученных сигналов в исследуемый материал, возбуждение продольных и сдвиговых волн в приповерхностном слое исследуемого материала, прием отраженных сигналов приемником, выполненным в виде решетки, собранной из локальных пьезоэлементов, обработку принятых сигналов в реальном масштабе времени в цифровой форме с сохранением их фаз, при этом генерацию серии оптических импульсов осуществляют в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц, а сканирование производят через решетку из оптически прозрачных пьезоэлементов, акустический импеданс которых согласован с акустическим импедансом оптико-акустического генератора. Технический результат заключается в обеспечении возможности проведения при одностороннем режиме доступа к образцу надежного лазерно-ультразвукового контроля, обладающего большой разрешающей способностью и высокой чувствительностью.
Данное устройства позволяет импульсно - периодически нагревать поверхностный слой материала. В нагретой области возникают напряжение, так как нижележащие слои материала не успевают нагреваться в силу короткой длительности (десятки наносекунд) излучения квантового генератора. Это явление вызывает возбуждение продольные и сдвиговые волн в приповерхностном слое исследуемого материала. Размеры области, генерирующей акустическое излучение, ограничены апертурой, энергией, длительностью импульса и количеством импульсов квантового генератора, что позволяет возбуждать только сферические волны. Размеры апертуры термоциклического акустического излучателя не ограничены при росте числа теплообменников и длины рабочих волноводов, что позволяет возбуждать сферические, цилиндрические и плоские продольные колебания в компактных, дискретных, влагонасыщенных и жидких средах с напряжением в узле сжатия акустической волны ниже предела текучести материала волновода.
Известно устройство для импульсной тепловой обработки сыпучих материалов (патент РФ 2361160, F26B7/00, F26B17/10, опубл. 10.07.2009 г.).  Способ импульсной тепловой обработки сыпучего материала путем нагрева и испарения с частиц поверхностной и структурной влаги, которые в потоке газовзвеси пропускают через кипящий слой и удаляют с потоком перегретого водяного пара из слоя на их закалку-охлаждение, при этом тепловую обработку - термообработку частиц широкого класса сыпучих материалов и получение чистых или с допускаемыми в конечных продуктах примесями - ведут в кипящем слое гранул твердого теплоносителя без последующей стадии очистки конечного продукта, для чего материал гранул твердого теплоносителя подбирают схожим или инертным по химическому составу с материалом термообрабатываемых частиц, при этом тепло для их нагрева получают от изолированного источника выделения тепла - печи кипящего слоя, в которую погружен кипящий слой гранул твердого теплоносителя.
Данное устройство позволяет вести импульсный нагрев и закалку-охлаждение сыпучих материалов с целью испарения с частиц поверхностной и структурной влаги.  Это явление в отличие от термоциклического акустического излучателя не вызывает возбуждение продольные и сдвиговые волн в обрабатываемых частицах, так как происходит их объемный нагрев и охлаждение.
Известно устройство электролитного нагрева металлических изделий (патент РФ 164083,  C21D1/00, опубл. 20.08.2016 г.). Технический результат устройства электролитного нагрева металлических изделий заключается в выполнении дополнительного контура возвращения в электролит выделяющихся газов, обеспечивающего корректировку химического состава электролита, повышение его долговечности и стабилизацию температуры нагрева. Данное устройство обеспечивает электролитный нагрев металлических изделий. В термоциклическом акустическом излучателе планируется использовать электролит не только для нагрева, но и для охлаждения акустического волновода.
Известно устройство электролитного нагрева металлических изделий (патент 124682, C21D1/00, опубл. 10.02.2013 г.). Технический результат устройства электролитного нагрева металлических изделий заключается в выполнении дополнительной горизонтальной перегородки с отверстиями, обеспечивающими равномерную подачу электролита ко всей нагреваемой поверхности обрабатываемого изделия, эффективное удаление перегретого электролита, утонение оболочки, повышение плотности тока  через нее и увеличение температуры нагрева верхних участков обрабатываемого изделия, что позволяет значительно снизить общий градиент температуры.
Данное устройство обеспечивает улучшение качества электролитного нагрева металлических изделий. В отличие от данного устройства, в термоциклическом акустическом излучателе планируется использовать электролит не только для нагрева, но, прежде всего, для низкотемпературного охлаждения акустического волновода.
Известен звукохимический реактор, выполненный в виде заполненного гелием под давлением вертикального резонатора на стоячих волнах, в котором свободно падают капли жидкости, которые многократно пересекают чередующиеся зоны пучностей стоячей волны, где и протекают звукохимические реакции (патент РФ 88295, B06B1/02, B06B3/00, H01L41/00). При этом происходит непосредственная доставка акустической энергии к каждой капле жидкости, минуя ее передачу через металлическую стенку вибратора. Данное устройство обеспечивает доставку акустической энергии только к капли жидкости. В термоциклическом акустическом излучателе доставка акустической энергии планируется выполнять в виде сходящейся в жидкость цилиндрической волны, что исключит появление жесткой кавитации вблизи металлических стенок.
Известен способ поверхностного упрочнения деталей, который включает нагрев и закалку за счет быстрого отвода тепла в основную массу детали (авторское свидетельство СССР 194130, C21D1/09, опубл. 07.07.1985 г.). Нагрев производят лучом, с целью получения локального поверхностного упрочнения металла в труднодоступных местах и малой глубины упрочненного слоя. Данный способ поверхностного упрочнения деталей происходит с помощью лазерного излучения приводит к резкому повышению температуры металла (выше критических точек). Время нагрева отдельного участка поверхности исчисляется несколькими долями секунды. Нагретый участок начинает быстро охлаждаться за счет отвода тепла в холодные слои детали – происходит закалка нагретого участка поверхности детали. Глубина закаленного слоя не превышает одного миллиметра. Данное устройство позволяет генерировать цилиндрические и плоские продольные колебания лишь с использованием множества синхронно работающих квантовых генераторов. В отличие от данного устройства размеры апертуры термоциклического акустического излучателя не ограничены при росте числа теплообменников и длины рабочих волноводов, что позволяет возбуждать сферические, цилиндрические и плоские продольные колебания в материале основы.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства для возбуждения акустических колебаний в компактных, дискретных, влагонасыщенных и жидких средах для промышленного применения, способных генерировать сферическую, цилиндрическую и плоскую продольную акустическую волну с напряжением в узле сжатия на уровне не выше предела текучести материала основы акустического волновода.
Преимуществом заявленного изобретения является то, что размеры области, генерирующей акустическое излучение, ограничены апертурой, энергией и длительностью импульса квантового генератора, что позволяет возбуждать только сферические волны. Размеры апертуры термоциклического акустического излучателя не ограничены, если неограниченно увеличивать число теплообменников и длину рабочих волноводов, что позволяет возбуждать сферические, цилиндрические и плоские продольные колебания в компактных, дискретных, влагонасыщенных и жидких средах. Это позволяет разрабатывать: технологические установки для объемной обработки сварных соединений конструкционных материалов в зоне термического влияния с целью снятия внутренних напряжений; акустические генераторы на площади около квадратного километра и более для глубинной обработки нефтегазовых месторождений с целью повышения объемов извлечения углеводородного топлива; проточные химические реакторы на основе жесткой кавитации для стерилизации водных растворов, получения топлива из водных суспензий угля с мазутом или эмульсии дизтоплива с водой и т.д.
Данный способ позволяет получать генерацию акустической волны с напряжением в узле сжатия ниже предела текучести материала волновода. Поставленная задача решается тем, что способ возбуждения акустических колебаний в компактных, дискретных, влагонасыщенных и жидких средах, включает термоциклическую обработку акустических волноводов в теплообменниках с помощью нагретой и охлажденной жидкости, в качестве которой, например, могут выступать чистые металлы или их сплава с низкой температурой плавления, как помощью распылителей, так и без них. При этом жидкость для термообработки может быть представлена в виде суспензии с материалом гранул твердого теплоносителя со средним размером много меньше 0,5 мм или ином. Материал гранул подбирают схожим или инертным по химическому составу с материалом акустического волновода, но близким к нему по плотности. При этом все акустические волноводы, в той части где происходит термоциклирование, должны быть предварительно нагружены до уровня предельных упругих деформаций обработкой акустических волноводов в течение одной минуты, нагревающей жидкостью с градиентом температуры не более 130 ºС между охлаждающей и нагревающей жидкостями, с последующим легким натяжением и фиксацией их положения с помощью крепежных устройств. Это необходимо для достижения предельной мощности генерации акустических колебаний как при нагревании, так и при охлаждении акустических волноводов. Если акустические волноводы зафиксированы, но не напряжены и находятся при комнатной температуре, то генерация акустического излучения происходит при охлаждении ниже комнатной температуры и нагревании до комнатной температуры. В этом случае при нагревании выше комнатной температуры и охлаждения до комнатной температуры генерации акустического излучения не происходит. Физика процесса заключена в объемном охлаждении или нагревании участка нагруженного акустического волновода, приводящее к уменьшению его линейных размеров, что вызывает рост или снижение до нуля напряжений в акустических волноводах. Именно это и порождает возникновение продольных акустических волн в материале волновода. В том случае, если изменение длины акустического волновода за счет охлаждения или нагревания выйдет за пределы упругости материала основы, то это приведет к его пластическому деформированию. Следовательно, данный способ позволяет получать генерацию акустической волны с напряжением в узле сжатия ниже предела текучести материала волновода. В исследовательском термоциклическом акустическом излучателе на рис. 1 распылители жидкости изготавливались из медных труб внутренним диаметром 4 мм. Площадь трубы  =  = 3,14 х 4 12,6 . Для распыления сверлились отверстия диаметром 0,5 мм. Площадь отверстия для распыления  =  =  0,2 . Количество отверстий определялось отношением   =  = 63. Отверстия располагались в два ряда с шагом по осям отверстий около 3 мм, что позволяло вести обработку акустических волноводов на линейном размере l = 100 мм. В качества материала для акустического волновода был выбран сплав алюминия марки АД31. Коэффициент теплового расширения (далее, КТР) АД31 составляет величину 23,4 мкм/м°С. Изменение линейных размеров тела прямо пропорционален перепаду температур при термоциклировании: Δl = КТР х l х ΔТ, где ΔТ – перепад температур. Оценим линейную деформацию при перепаде температуры между охлаждающей и нагревающей жидкости ΔТ = 50 ºC для свободного акустического волновода из АД31 длиной l = 1:10 м. Δl = КТР х l х ΔТ = 23,4 х 1:10 х 50 = 117 мкм = 117:1000000 м. Оценим относительную деформация волновода  = Δl / l =117:1000000/1:10 = 117:100000 м. Из основ линейной теорий упругости (учитывая, что  1) оценим максимальное напряжение (далее, σ), которое может возникнуть в жестко фиксированном и предварительно нагруженном акустическом волноводе вследствие нагрева или охлаждения. Сравним величину σ в акустической волне с пределом текучести (далее, ) алюминиевого сплава АД31. Это необходимо выполнить для того, чтобы исключить пластическую деформацию или разрушение акустических волноводов в процессе работы. Для выполнения оценки воспользуемся законом Гука, который устанавливает линейную связью между деформацией и напряжением с коэффициентом пропорциональности в виде модуля упругости (далее, Е). Из справочной информации известно, что Е для алюминиевого сплава АД31 при температуре 20°С Е равен 71 ГПа, а  равен 0,21 ГПа. Из закона Гука получим уравнение σ = E х , следовательно
у = 71 х 117 : 100000  0,08 ГПа.
Сравним величины  и у. Получим  / у =  0,21/0,08  2,6. Следовательно у в 2,6 раза меньше . Оценим предельный перепад температур между охлаждающей и нагревающей жидкости, который равен ДТ · 2,6 = 50 · 2,6 = 130 єC. Дальнейший рост перепада температур приведет к пластической деформации акустических волноводов. Анализ экспериментально измеренной акустической волны показал, что в ней присутствуют колебания с частотой от 2 до 25 Гц. Исследования проводились для акустических волноводов из алюминиевого сплава АД31 диаметром 1,6 мм. Учитывая, что для улучшения качества теплообмена скорее всего нужно уменьшать диаметр акустического волновода диапазон частоты акустического излучения следует расширить от 1 до 100 Гц.
Устройство для осуществления способа, состоящее из корпусов, фиксирующих элементов для акустических волноводов, распылителей с нагревающей и охлаждающей жидкостью, устройств для управления подачей в распылители нагревающей и охлаждающей жидкости, которые состоят из накопителей нормального давления для раздельного или общего возврата от теплообменных устройств, очистки и восполнения жидкости, изолированных термостатов высокого давления для нагрева жидкости, изолированных термостатов высокого давления для охлаждения жидкости, теплоизолированных водопроводов высокого давления для нагретой и, соответственно, охлажденной жидкостей с управляемыми по радиосвязи клапанами впрыска жидкости в теплообменные устройства.
Устройство также может состоять из корпусов, фиксирующих элементов для акустических волноводов, устройств для непрерывной подачи в корпуса теплообменных устройств охлаждающего электролита, которые состоят из накопителей нормального давления для возврата от теплообменных устройств, очистки и восполнения электролита, изолированных термостатов высокого давления для охлаждения электролита, теплоизолированных водопроводов высокого давления для охлажденного электролита, устройств для объемного импульсно-периодического нагрева части акустических волноводов предназначенных для термоциклирования.
Также в заявленном устройстве включены конструкционные элементы ввода акустического излучения в компактные, дискретные, влагонасыщенные и жидкие среды, которое обеспечивают акустический контакт рабочих волноводов с акустическими волноводами, объединяют рабочие волноводы на поверхности среды и служат для акустического контакта рабочих волноводов с обрабатываемой средой.
Заявленное устройство может содержать неограниченное количество элементов. Например, увеличенное количество акустических волноводов. В этом случае акустические волноводы располагаются в корпусе теплообменника в несколько рядов в шахматном порядке или ином порядке при направлении обработки охлаждающей или нагревающих жидкостей с одной или противоположных сторон, или поперечно друг к другу. При этом затенение задних рядов акустических волноводов компенсируется отражением свободных струй жидкости ближайших к распылителю рядов акустических волноводов, в том числе исходя из использования определенной формы акустических волноводов и размещением на их поверхности отражающих элементов (проволоки).
В случае включения увеличенного количества акустических волноводов в несколько рядов в шахматном порядке или ином порядке для непрерывной подачи только охлаждающей жидкостью с одной или противоположных сторон, в качестве охлаждающей жидкости планируется использовать электролит. В этом случае импульсно-периодический нагрев акустических волноводов планируется вести за счет приложения импульсного напряжения к акустическим волноводам и иными конструкционными элементами в теплообменном устройстве в охлаждающем электролите или режим непрерывного охлаждения иной жидкостью акустических волноводов с использованием импульсного нагрева токами высокой частоты или от периодического контакта волноводов с обрабатываемой среды, находящейся под высокой температурой.
Устройство может включать увеличенное количество акустических волноводов за счет максимально плотного размещения в теплообменном устройстве в шахматном или ином порядке. В этом случае распылители выводятся вверху и внизу в пазы на корпусе и опаиваются для герметизации корпусов. При этом фиксирование, в том числе предельных, упругих напряжений в акустических волноводах может достигнуто с помощью следующих элементов, которые обеспечивают как герметичность теплообменного устройства, так возможность равномерного натяжения всех волноводов. Данные элементы изготавливаются на фрезерном станке, в том числе с ЧПУ с одной установки. При этом в них кроме пазов для крепления внешними стяжками изготавливаются отверстия для свободного сквозного прохода акустических волноводов. При чем толщина первых двух данных элементов выбирается из расчета не только герметичного соединения сверху и снизу через уплотнения к каждому теплообменнику, но и к герметизации всех акустических волноводов в каждом теплообменнике через резиновое уплотнение, которое изготавливается с ними вместе. Следующие два элемента сверху и снизу также располагаются на стяжках, но двигаются на них свободно. Данные элементы предназначены для формирования упругих напряжений в акустических волноводах каждого теплообменника. Это достигается с помощью сжатия двух элементов между собой и смещением одного элемента относительно другого за счет свободного положения на стяжках и приложения боковой нагрузки. В этом случае возникает изгиб всех волноводов, что препятствует их перемещению, когда с помощью гаек и контргаек данные два элемента снизу и сверху смещаются по стяжкам. В том случае, если одного изгиба будет недостаточно, то следует увеличить толщину элементов, диаметр стяжек, ввести между ними прокладку, изменять форму отверстие, расстояние между осями отверстий под волноводы или последовательно увеличивать количество изгибов за счет крепления к двум элементам дополнительных элементов с последующим их смещением.
На рисунке 1 представлен общий вид устройства, где 1-корпус, 2- акустические волноводы, 3- распылители, 4- медная проволока, 5- фиксирующие элементы боковые, 6- фиксирующий элемент центральный, 7- отверстия для распыления жидкости.