Отправить заявку

Продукция / Гидродинамический генератор акустических колебаний

Гидродинамический генератор акустических колебаний

Новый гидродинамический генератор акустических колебаний

Простейший вихревой генератор волн давления (акустический генератор или осциллятор) работает следующим образом. При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 1 диаметром d (см. рис. 1) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в поперечном сечении форму кольца с наружным радиусом R=D/2 и внутренним rm. Этот поток представляет собой рабочую жидкость, подаваемую в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II) , вращающийся как квазитвердое тело. Он образуется вследствие вовлечения в движение первичным потоком жидкости из окружающей среды, в которую происходит истечение жидкости из генератора.

Рис. 1. Схема течения закрученного потока в камере гидродинамического генератора волн давления: 1 – корпус, 2 – входные (тангенциальные) отверстия, 3 – вихревая камера, 4 – сопло.

Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи жидкости (например, при истечении ее в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды находится в одном и том же (жидком) состоянии, то при определенных геометрических размерах камеры завихрения, входных сопел и выходного сопла, в потоке генерируются регулярные пульсации давления. Их частота и амплитуда зависит от расхода среды, геометрических размеров вихревого генератора, давления на его входе и выходе. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как акустические колебания слышимого и ультразвукового спектра значительной интенсивности. Оказалось, что при затопленном истечении вторичный поток отклоняется от оси вихревой камеры и совершает регулярное прецессионное движение вокруг нее. При этом амплитуда смещения оси вторичного вихря ɛ при определенном соотношении геометрических размеров может достигать максимума. Отклонение вторичного потока вызывает деформацию первичного потока на границе их сопряжения.

Причиной автоколебаний в закрученном потоке жидкости являются колебания скорости и давления в первичном вихре, вызванные периодической деформацией его границ вторичным вихрем, совершающим прецессионное вращательное движение относительно оси камеры.

Развитие прецессий вторичного вихря становится возможным только тогда, когда распределение в нем вращательной составляющей скорости близко к закону вращения твердого тела u/r=const, где u – тангенциальная составляющая скорости вторичного вихря, r – текущий радиус вихря. В этом случае количество энергии вращения передаваемой от первичного вихря вторичному вихрю, становится настолько значительным, что часть ее преобразуется в энергию поперечных колебаний.

Математическое моделирование вихревого потока является достаточно сложной задачей и осуществляется при помощи уравнений непрерывности и Навье-Стокса, с использованием численных методов.

Как показали исследования вихревого излучателя, существует минималь­ная длина вихревой камеры LMIN, в пределах которой вторичный вихрь не успе­вает принять вращательное движение по всему поперечному сечению, а отсюда не возникает его прецессионное движение и, как следствие, не возникает излуче­ние звука. Отсюда следует, что колебания возникают только при L>LMIN. С увеличением длины камеры интенсивность колебаний возрастает, достигая максимального значения при некоторой длине L=LOPT , а затем уменьшается. Это оптимальное значение длины вихревой камеры, с точки зрения максимизации интенсивности акустических колебаний, определяется безразмерным параметром, зависящим от основных размеров: A=D•(D−d)/(n•d2), где n – число входных отвер­стий. Данная величина называется степенью закручивания потока. Нами установлена зависимость LOPT от степени закручивания потока A.

Не маловажным фактором определяющим частоту излучения звука, а также акустическую мощность и к.п.д. генератора, является относительный диаметр выходного сопла вихревой камеры: Dc* =Dc/D, где D – диаметр камеры, Dc – диаметр сопла. Диаметр выходного сопла может быть не обязательно равен диаметру вихревой камеры, как это изображено на рис. 1, т.к. на выходе в затопленное пространство вихревая камера может иметь как сужение, так и расширение выходного отверстия (сопла). Нами определено оптимальное значение Dc*.

Для случая нескольких параллельно расположенных излучателей нами предложен способ увеличения амплитуды прецессионных колебаний и тем самым усиления звукового излучения, за счёт гидродинамического взаимодействия потоков выходящих из вихревых камер этих генераторов, вращающихся в противоположенных направлениях.

При расходах обрабатываемой среды более 10 м3/ч полезно устанавливать не один вихревой генератор, а несколько, чтобы суммарный расход поровну «делился» между параллельно установленными осцилляторами. Так при расходе нефти 120÷130 м3/ч, будет целесообразно установить 8 симметрично расположенных по окружности вихревых генераторов создающих закрутки потоков в направлениях противоположенному по отношению к каждому соседнему осциллятору (см. рис. 2). Все осцилляторы будут смонтированы внутри единого корпуса кавитатора. Мощность акустического излучения данных осцилляторов будет взаимно усиливаться в резонансной камере, за счет взаимодействия закрученных во взаимно противоположенных направлениях потоков.


Рис. 2. Схема течения закрученных потоков исходящих из вихревых осцилляторов в резонансную камеру кавитатора (аксиальная составляющая скорости потока направлена перпендикулярно плоскости рисунка).

При работе излучателя наряду с генерацией звуковых волн наблюдаются и кавитационные явления.

Резкое понижение давления в жидкости, приводящее к кавитации, может вызываться как чисто гидродинамическими эффектами вследствие, например, закона Бернулли (так называемая гидродинамическая кавитация), так и за счёт звуковых волн (акустическая кавитация).

При гидродинамической кавитации парогазовые пузырьки могут достигать больших размеров (сантиметров и более). Акустическая кавитация характеризует­ся весьма малыми размерами возникающих пузырьков (10-3 ÷ 10-2 см).

Эти пузырь­ки неустойчивы. В зависимости от перепада давления между пузырьком и жидко­стью они растут, пульсируют или схлопываются. При схлопывании пузырька дав­ление в его центре возрастает. В результате этого в жидкости в направлении от центра схлопнувшегося пузырька формируется и распространяется сферическая ударная волна. Сжатие пузырька, кроме того, приводит к резкому возрастанию температуры внутри пузырька. Возникающие при схлопывании пузырька давле­ние и температура могут достигать, соответственно, сотен МПа и тысяч оК.

Из вышесказанного следует, что эмульгирование вибратором дисперсной фазы будет происходить в два этапа. Вначале в результате неустойчивости меж­фазных волн образуются довольно крупные капли или частицы, которые на вто­рой стадии дробятся уже ударными волнами, возникающими при схлопывании кавитационных пузырьков.

Кавитационная обработка ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина.

Нефть не обладает вязкостью, подчиняющейся законам Ньютона, Пуазейля, Стокса, так как длинные беспорядочно расположенные молекулы парафина и смол образуют гибкую решетку, в которой располагается раствор. Поэтому система оказывает значительное сопротивление силам сдвига. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул. Связи эти сравнительно малы, поэтому необходимо незначительное воздействие акустических волн.

Таким образом, кавитация влияет на изменение структурной вязкости, т.е. на разрыв Ван-дер-ваальсовых связей. Кавитация будет также способствовать гомогенному и мелкодисперсному распределению воды и пузырьков газа, изначально содержащихся в нефти, что также будет приводить к уменьшению ее вязкости.

Гидродинамический акустический кавитатор работает за счет энергии потока, который поступает с подающего насоса, соответственно в нем отсутствуют движущиеся части. Однако перевод части механической энергии потока в энергию гидродинамической и акустической кавитации потребует определенного перепада давления на кавитаторе, которое определяется расчетом.

Кавитатор устанавливается на байпасе к основному трубопроводу. При его вводе в работу, открывают задвижки на байпасе по обе стороны от кавитатора, и перекрывают задвижку на основном трубопроводе расположенной между врезкой в него входной и выходной стороны трубы байпаса.

На данном графике частотный спектр колебаний возбуждаемых в жидкости данным генератором. На данном графики видны пики в районе 3, 10, 16, 23 кГц. Именно в этом частотном спектре (на верхней границе слышимого звука и нижней границе ультразвука) происходит акустическое воздействие на обрабатываемый продукт (поток нефти). Боятся шума не следует, т.к. мы имеем дело с генерацией колебаний в затопленной струе. В этом случае звук существенно отражается при прохождении границы жидкость-металл и металл-воздух. Поэтому снаружи трубы шум не будет заметно проявляться.

Пример габаритов аппарата.

Аппарат имеет корпус в виде трубы 325х8. Т.е. его диаметр совпадает с диаметром трубы. Длина аппарата 600-800 мм. Соединение с трубой фланцевое, фланец со стороны входа и выхода: Ду 300, Ру 40. Т.е. данный аппарат будет внешне представляет собой трубу совпадающую с основным трубопроводом, с фланцами на концах.

 
 
 

О компании Для инвесторов Нефтедобыча Нефтепереработка Газификация и пиролиз Спиртовая промышленность Водоподготовка и очистка сточных вод Продукция Услуги Выполненные проекты Статьи