МОНОФОН ДЛЯ ЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, к теплообменным устройствам типа акустических газоструйных устройств. Полезная модель может быть использовано для интенсификации тепло-массообменных процессов в газовых средах (горение, смешение, коагуляция, сушка и др.). Заявленное в качестве полезной модели устройство позволяет создавать в газовых средах звуковые поля дискретной частоты в широком диапазоне частот, что обеспечивает возможность использовать полезную модель в различных отраслях промышленности для звуковой очистки загрязненных активных поверхностей от сыпучих и иных отложений.
Известно устройство для очистки и сушки активных поверхностей [1], которое основано на генерировании интенсивного акустического поля. Однако в известном устройстве недостаточно полно реализуется преобразование кинетической энергии потока газа в акустическую, что снижает интенсификацию тепло- и массообменных процессов и, как следствие, качество очистки.
Известен газоструйный акустический излучатель, который относится к акустической теплотехники [2]. Однако известное устройство имеет достаточно низкий КПД очистки.
Известна установка звуковой очистки [3], которая содержит ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний. Однако известное устройство имеет неравномерную интенсивность акустического воздействия по всей активной 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. Устройство предназначено для звуковой очистки различных активных 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 заявляемой полезной модели 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 монофон для звуковой очистки, 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 заявленной полезной моделью, 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 заявляемой полезной модели основана на преобразовании кинетической энергии газовой струи в акустическую энергию.
Анализ мирового уровня техники в данной области [6] 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 для этой сферы производства.
Заявляемое устройство предназначено для решения этой актуальной для разных отраслей промышленности проблемы.
Реализация заявленной полезной модели поясняется Фиг.1, на которой представлена схема монофона для звуковой очистки. Устройство 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 устройства 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 о 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 [7]:
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.
a
a
Для повышения эффективности и качества очистки заявленным устройством резонансная труба имеет глубину полости, которая для инфразвукового диапазона частот выбирается по соотношению f=a/4L; сопло, выходящее со стороны фланца-дна по оси резонансной трубы имеет число Маха M=1; глубина полости внутренней
a
трубы для инфразвукового диапазона частот выбирается по соотношению f=a/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 устройства-прототипа для выявления его недостатков и анализа причин с целью дальнейшего их устранения в заявленной полезной модели.
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.
Пример 2.
и
Для заявленной полезной модели глубину полости резонансной трубы оптимально выбрать равной длине резонансной трубы монофона (например, равной 4-4,5 м.); параметр иглы d, (диаметр иглы) можно выбрать, с учетом, что она всегда тонкая, постоянным и равным от 3-5 мм.
1
1
В заявленном устройстве при натекании воздушной струи на полость внутренней трубы, при определяющих этот процесс настраиваемых параметрах, реализуется автоколебательный процесс, который [при относительно коротких трубах (L/d=1-3)] проявляется с ярко выраженным дискретным тоном. Такой эффект широко используется при построении газоструйных излучателей ультразвукового диапазона.
В заявленном полезной модели 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, при котором глубина полости внутренней трубы близка к глубине резонансной трубы (~1).
В заявленной полезной модели резонанс на основной акустической частоте резонансной трубы достигается при истечении из сопла как дозвуковых, так и сверхзвуковых струй. 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:
a
- сопло выполнено с геометрическим числом Маха сопла М=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).
2
2
В лабораторных условиях, в виду существующих ограничений, была выбрана резонансная труба диаметром d=200 мм, с глубиной полости L=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.
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 1 собой бетонное помещение размерами 16×9×6 м. В процессе экспериментальных исследований производились:
- осциллографическая запись временных сигналов датчиков, регистрирующих изменение давления в полостях внутренней и резонансной труб;
cp
- осциллографическая запись сигналов микрофона в октаве со среднегеометрической частотой f=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 1
f<sub>cp</sub>, Гц
31,5
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
ГИ I, дБ
112
105
100
113
113
113
118
94
113
ГРИ I, ДБ
129,5
119
97
119
118
115
115
94
104
В таблице 1 указаны параметры: - f<sub>cp</sub> - средне-геометрическая частота октавы;- I - уровень звукового давления в данной октаве.
cp
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=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, предлагаемая полезная модель по всем параметрам относится к устройствам, способным возбудить процесс на частоте любого обертона резонансной трубы при совпадении с этой частотой частоты продольной моды газоструйного излучателя. В предлагаемой полезной модели -струя с внутренней трубой, размещенные в резонансной трубе, выполняют функцию автоколебательного источника энергии.
В основе преимущества использования заявленного устройства в "звуковом" диапазоне очистки основаны на следующих положениях: монофон имеет сферическую диаграмму направленности и звук практически достигает в озвучиваемом объеме всех скрытых и удаленных мест; у монофона доля отраженной звуковой энергии значительно выше, при озвучивании внутренних объемов с теплоизолированными стенками; длина звуковой волны при инфразвуке сравнима, во многих случаях, с характерными размерами технологических аппаратов.
Заявленный инфразвуковой газоструйный резонансный излучатель можно с учетом опробования этой конструкции в лабораторных и производственных условиях, использовать: для "звуковой" очистки; для интенсификации звуковыми волнами тепло-массообменных процессов в газовых средах; а также на основе акустической коагуляции аэрозолей в качестве эффективного средства пожаротушения в замкнутых и полузамкнутых объемах, где в короткий срок необходимо погасить огонь и коагулировать аэрозоли; и как эффективное психотропное оружие при борьбе с грызунами и мышами в сельском хозяйстве (при звуковом облучении больших площадей). Заявленную полезную модель можно отнести к приоритетным направлениям, решающим актуальные и первостепенные проблемы в указанных сферах производства.
Использованная литература:
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству (SU) №1568340 А1.
2. Заявка RU №92011173 А на изобретение
3. Патент РФ №2175274
4. Патент РФ №2181635
5. Описание изобретения к авторскому свидетельству (SU) №1587765 A1 (прототип)
6. Патент Франции 0006833 (инфрафон).
7. Щелоков Я.М., Авакумов A.M., Сазыкин Ю.К. Очистка поверхностей нагрева котлов-утилизаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 223 с.
8. Полубояринов А.К., Цветков А.И.. Экспериментальное исследование продольных мод в течении Гартмана // Прикладная аэродинамика и тепловые процессы. - Изд-во ИТПМ СО АН СССР, Новосибирск, 1980. с.99-112.