книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

частей и специальных приводов. Она проста по устройству и обслуживанию. Статическая сирена представляет собой совокупность свистков, расположенных радиально в еди­ ной кольцевой резонирующей камере с экспоненциальным рупором на выходе. В односвистковых сиренах вместо кольцевой камеры применяется параболический рефлектор. В простейшем виде газоструйный излучатель состоит из сопла, резонатора и устройства для регулирования рас­ стояния между соплом и резонатором.

Известно несколько типов газоструйных излучателей [105]: 1) ударноструйный свисток Гартмана (рис. 2, а), в котором звуковые колебания возникают при ударе струи газа, движущейся со сверхзвуковой скоростью из сопла 1 в цилиндрический резонатор 2; 2) ударноструйный сви­ сток конструкции Куркина (рис. 2, б), отличающийся от излучателя гартмановского типа наличием кониче­ ского штифта 3, расположенного в резонаторе на пути движения газа; по мнению изобретателя, такая конструк­ ция свистка приводит к возникновению косого скачка уплотнения; 3) стержнеструйный свисток (рис. 2, в), отличающийся от излучателя гартмановского типа нали­ чием концентрического стержня 4, который исключает малоэффективную центральную зону в струе; 4) вибро­ струйный свисток (рис. 2, г), основанный на том, что звуковые колебания генерируются при попадании струи газа на острие 5 стенки цилиндрического или тороидаль-

10

ного резонатора 6\ тонкая струя газа вибрирует в резуль­ тате обратного действия на 'нее собственных колебаний полости резонатора; 5) вихревой свисток (рис. 2, д), при работе которого звуковые колебания создаются движу­ щейся вихревой спиралью 7, создающей разряжение в центре камеры. Разряжение периодически нарушается обратным прорывом газа, в результате чего на выходе возникает наклонно пульсирующая струя газа.

Наиболее перспективны для промышленного приме­ нения газоструйные излучатели Гартмана. Они имеют простую конструкцию, небольшие габариты и позволяют

зависит от размеров резонатора и для цилиндрического резонатора определяется по формуле

f —____-____

1 4 (h + 0,3dc) ’

где h — глубина резонатора; с — скорость распростра­ нения звука; dc — диаметр сопла.

Максимально достижимую частоту газоструйного из­ лучателя гартмановского типа можно определить по эмпи­ рической формуле

стройки газоструйного излучателя, который определяет частоту излучения и отдаваемую мощность.

Практически частоту генерирования газоструйного излучателя можно определить сравнительно легко. При колебаниях, носящих синусоидальный характер, частота определяется с помощью микрофона или пьезоэлектриче­ ского датчика давления и электронного частотомера. Учитывая, что при работе газоструйного излучателя по­ мимо основной частоты возникают колебания еще не­ скольких гармоник, то для правильного измерения ча­ стоты основной гармоники нужно использовать анализа­ тор спектра (спектрометр).

Акустическая мощность газоструйного излучателя гартмановского типа может быть рассчитана по формуле

Wа = 2 Ш і Ѵ р 0 — 0,9,

где dc — диаметр сопла; Р 0— рабочее давление.

11

В классическом газоструйном излучателе гартмановского типа диаметр резонатора dp равен диаметру сопла

dc, т. е. коэффициент /С = — = 1 . Однако Гартман отUC

мечал возможность работы излучателя при значениях коэффициента К > 1. Последующие исследования под­ твердили справедливость этого предположения; при этом увеличение коэффициента К (до определенных пределов) позволяет повысить акустическую мощность и коэффи­ циент полезного действия излучателя. Так при исследо­ вании газоструйных излучателей с К — 1,66 установлено, что их акустическая мощность по сравнению с излучате­ лем Гартмана повысилась в среднем в 3,35 раза [62]. Для таких излучателей акустическую мощность газо­ струйного излучателя можно определить по формуле

Wa= 9 8 5 d iy Po — 0,9.

К. п. д. газоструйного излучателя определяется как отношение акустической мощности Wa к мощности струи

\Ѵ:

от точности вычисления акустической мощности излуча­ теля, а это не всегда легко выполнимо, так как трудно учесть необратимости процессов, происходящих при рас­ ширении газа в излучателе. Определить к. п. д. газо­ струйного излучателя гартмановского типа можно и дру­ гим методом. Так, например, оценку к. п. д. такого излучателя можно обосновать при рассмотрении меха­ низма взаимодействия сверхзвукового потока со скачком уплотнения, образующимся на входе в полость резона­ тора [62]. При этом более предпочтительны и экономичны газоструйные излучатели с косым скачком уплотнения. Предполагается, что за физическую основу повышения к. п. д. можно взять потери кинетической энергии струи, связанные с осциллирующим скачком уплотнения. Кине­ тическая энергия струи после скачков и полного тормо­ жения потока в полости резонатора преобразуется в энер­ гию потока из полости, которая и определяет основные

12

потери. Баланс энергий и излучателей можно выразить равенством

Поэтому основным фактором, способным повысить к. п. д., является снижение энергии потока, вытекающего из полости. Для повышения к. п. д. необходимо не только снижение энергии потока, вытекающего из полости, но и увеличение его полной энергии перед стационарным скачком при условии, что величина остальных потерь будет прежней. В этом случае к. п. д. излучателя будет равен 0,7—0,8.

Теоретический расчет к. п. д. излучателя не всегда возможен, поэтому его можно оценивать эксперимен­ тально. Сверхзвуковой поток, истекающий из сопла, попадает в резонатор и там тормозится. Динамический напор струи передается от резонатора к чувствительному элементу, который с помощью специального устройства зарегистрирует силу F г. Изменяя расстояние сопло-резо­ натор, можно получить одну или несколько зон стабиль­ ной работы излучателя в режиме генерации акустических колебаний. Так как часть кинетической энергии струи переходит в акустическую, то прибор зарегистрирует уже меньший динамический напор (силу /%)• Разность сил F 4 — F 2 = AF будет характеризовать энергию струи, идущую на излучение. Следовательно, к. п. д. газоструй­ ного излучателя

Частота газоструйного излучателя находится в обрат­ ной зависимости от диаметра сопла dc: с его уменьшением частота пропорционально возрастает, Однако с умень­

13

шением диаметра сопла снижается расход сжатого воз­ духа, а следовательно, и акустическая мощность излуча­ теля. Обычные газоструйные излучатели Гартмана, рабо­ тающие на высоких частотах звукового диапазона и тем более на ультразвуковых частотах, имеют небольшую мощность, что ограничивает их промышленное примене­ ние. Повысить мощность излучения можно при исполь­ зовании одновременно нескольких одиночных излучателей или создании многосвистковых излучателей.

Многосвистковый излучатель состоит из нескольких газоструйных свистков, объединенных общим экспонен­ циальным рупором. Помимо резонатора у многосвисткового излучателя имеется камера вторичного резонатора.

ного резонатора, расположенную в центре рупора. Звуко­ вые колебания, созданные системой сопло—резонатор, уси­

размеры камеры вторичного резонатора можно регули­ ровать, что позволяет при выборе оптимальных условий повысить акустическую мощность и к. п. д. излучателя. В конструкциях излучателей предусмотрены смена и регулировка сопл и резонаторов в ходе работы без его разборки. При исследовании газоструйных излучателей замечено, что при установке соосно струи круглой шайбы повышается стабильность генерации и увеличивается интенсивность излучения. Лучшие результаты получены при введении соосно со струей металлического стержня (отсюда название стержневые излучатели). Наличие стержня вызывает генерацию почти при всех величинах расстояния резонатора от сопла (/). Кроме того, при оди­ наковой мощности излучателя расход воздуха Q значи­ тельно уменьшается, а к. п. д. повышается. По данным Гартмана, мощность стержневого излучателя также повы-

шается и становится пропорциональна У Р 0— 0.3 вме­

ПУАС с акустическими статическими сиренами. В уста­ новку входит шесть акустических сирен, каждая из кото­ рых представляет собой цилиндрический корпус с экспо­

14

ненциальным рупором. В корпусе перпендикулярно оси расположены сопло и резонатор. Для настройки сирены на разные частоты предусмотрены возможность установки сменных сопл и резонаторов, а также изменение расстоя­ ния между соплом и резонатором и фиксацией их в нужном положении. Экспоненциальный рупор выравнивает зву­ ковое поле сирены и создает его направленность. Чтобы исключить попадание воздуха в озвучаемую среду, между корпусом сирены и рупором предусмотрена возможность установки мембран различного типа, однако в этом случае интенсивность ультразвуковых колебаний снижается. Си­ рены монтируются в технологические аппараты (коагу­ ляционные установки, сушилки и пр.). Для работы сирен необходим компрессор, обеспечивающий подачу сжатого воздуха.

Технические характеристики сирены ПУАС: частота колебаний 5— 15 кГц; уровень силы звука до 170 дБ; избыточное давление воздуха для работы сирены 4— 6 кгс/см2; расход сжатого воздуха около 0,5 м3/мин; габа­ риты 200x185 мм.

В различных отраслях техники широко применяется введение мелкодисперсных твердых и жидких частиц из газов. Одним из путей для решения этой задачи является искусственная коагуляция аэрозолей при помощи высоко­ интенсивных звуковых и ультразвуковых колебаний. При помощи акустических колебаний можно интенсифи­ цировать не только процесс коагуляции взвешенных частиц, но непосредственно и сам процесс их осаждения, причем часто это является более эффективным и экономич­ ным решением задачи интенсификации очистки газов, В особенности это относится к методу звуковой фильтра­ ции аэрозолей, позволяющему снизить остаточную кон­ центрацию частиц до долей миллиграмм на кубический метр газа.

Физическая сущность акустического метода осаждения аэрозолей заключается в укрупнении мельчайших частиц под влиянием попеременно чередующихся разрежений и сгущений звуковых волн.

В НИИХИММАШе разработано ультразвуковое аэро­ динамическое устройство для коагуляции аэрозолей, ко­ торое может использоваться для интенсификации про­ цессов горения и в сушилках разного типа. В указанных устройствах применяются односвистковые или многосвистковые статические сирены,

15

Односвистковая статическая сирена представляет собой цилиндрическую камеру, которая переходит в сопло круглого сечения. Против сопла расположена резонанс­ ная полость. Изменением расстояния между соплом и резонансной полостью, подбором величины последней и изменением давления воздуха создают упругие колебания в газовой среде с нужной частотой и интенсивностью. Отражающий рефлектор имеет параболическую форму и служит для направленного излучения. В случае необхо­ димости разделения газовых потоков на отражатель уста­ навливается тонкая мембрана, изготовленная обычно из лавсана, при этом отсос воздуха осуществляется при помощи патрубка.

Многосвистковая статическая сирена состоит из оди­ наковых свистков, объединенных общим рупором. При использовании для коагуляции аэрозолей сирены монти­ руются в верхней части стальной трубы — коагуляцион­ ной колонны. В нижней части трубы расположен патрубок

частиц, взвешенных в газе, происходит под влиянием соз­ данных статической сиреной ультразвуковых колебаний высокой интенсивности (155— 160 дБ). Скоагулированные частицы отделяются от очищенного газа при помощи вклю­ ченных последовательно циклонов и фильтров, через которые газ проходит по выходе из колонны. При исполь­ зовании устройств для интенсификации процессов сушки, например в сушилках с кипящим слоем, одно аэродинами­ ческое устройство крепится под углом к кипящему слою и предназначено для ускорения процесса сушки, другое устройство находится в выходном трубопроводе и служит для коагуляции частиц высушиваемого материала, уноси­ мых воздухом.

Акустическим институтом АН СССР совместно с дру­ гими проектно-конструкторскими организациями разра­

назначен для создания акустических колебаний в газовой среде. Излучатель может быть применен для процессов коагуляции аэрозолей, интенсификации процессов сушки

16

идля низкотемпературной сушки термочувствительных

илегкоокисляющихся мате­ риалов. Газоструйный излу­ чатель ГСИ-4 состоит из дер­ жателя со стержнем, сопла и резонатора, которые образу­ ют систему, генерирующую акустические колебания в га­ зовой среде. Держатель имеет ряд сквозных отверстий для прохода рабочего (сжатого) воздуха, который подается

Возникающее при этом периодическое изменение дав­ ления в струе вытекающего газа и служит источником акустических колебаний. Для создания направленного пучка акустических волн применяется параболический рефлектор, крепящийся на держателе винтами. В ре­ зультате простоты и надежности конструкции излучатель удобен в работе.

Техническая характеристика ГСИ-4: мощность акусти­ ческая 1500 Вт; расход воздуха 160 нм3/ч; частота 6,5 кГц; избыточное давление 3—3,5 кгс/см2; к. п. д. 30%; диаметр фланца 250 мм; длина излучателя 200 мм; масса

2 кг.

Газоструйный излучатель ГСИ-5 представляет собой модифицированный вариант излучателя ГСИ-4, в котором сохранены все безразмерные параметры, но в 3 раза умень­ шен диаметр сопла. Расход воздуха при этом уменьшился в 9 раз и примерно во столько же раз снизилась акустиче­ ская мощность. На частоте 18,2 кГц при расходе воздуха 0,26 м3/мин можно получить акустическую мощность около ПО Вт. К. п. д. излучателя составляет 26% [20]. Использование рефлектора для создания однонаправлен­ ного излучения приводит к заметному повышению интен­ сивности звука по оси и к. одновременному уменьшению акустической мощности в 2—2,5 раза. Поэтому для полу­ чения более высокого к. п. д. ГСИ-5 рекомендуется при­ менять неглубокие рефлекторы.

Статические сирены, как и динамические, делятся на сирены, работающие с разбавлением озвучаемой средьі^

. '' г ■ ■’ - с;17 І

рабочим воздухом (газом), и сирены, работающие без разбавления озвучаемой среды. В некоторых технологи­ ческих процессах разбавление озвучаемой среды воздухом (газом) нежелательно, например, может заметно снизиться скорость коагуляции из-за уменьшения частичной кон­ центрации аэрозоля, измениться температурный режим процесса. При работе с гигроскопическими продуктами разбавление аэрозоля влажным воздухом, питающим излучатель, может привести к ухудшению его качества.

Для того чтобы исключить возможность разбавления воздухом озвучаемой среды, отработанный воздух после излучателя отсасывают из озвучиваемой зоны эксгаусте­ ром, что приводит к излишнему расходу энергии. Поэтому используют другой способ — излучатель и озвучаемую среду разделяют мембраной, которая передает звуковые колебания и задерживает воздушный (газовый) поток. Однако даже очень тонкие мембраны (30—50 мк) пропу­ скают всего 30—50% акустической энергии, в результате чего к. п. д. излучателя снижается в 2—3 раза [66].

В современных конструкциях газоструйных излучате­ лей предусмотрен отвод рабочего воздуха (газа), вытекаю­ щего из сопла излучателя без дополнительных устройств. Так, например, в газоструйном излучателе ГСИ-4 близкое расположение резонансной камеры к соплу приводит к сильному повороту вытекающей струи воздуха, в резуль­ тате чего она начинает двигаться вдоль сопла назад. Таким образом, воздух отводится из рефлектора через отверстия в корпусе излучателя [19].

В некоторых технологическиях процессах (например, коагуляция аэрозолей) можно применить импульсный метод работы газоструйного излучателя. При этом коагу­ ляция происходит более эффективно, чем при непрерыв­ ной работе излучателя. Основные параметры, определя­ ющие работу импульсных излучателей,— длительность импульса, форма импульса, период повторения и скваж­ ность. С энергетической точки зрения важной характери­ стикой является не только мгновенное значение мощности в импульсе Ри, но и средняя составляющая Рср за период

повторения, так как от этой величины зависит к. п. д. излучателя.

Для импульса прямоугольной формы средняя мощность определяется уравнением

18

где Ртах — максимальная мощность; ти — длительность

импульса; Г — период повторения импульсов; Q = —

скважность.

Отсюда следует, что при озвучивании импульсами затрачиваемая энергия в Q раз меньше, чем при непрерыв­ ном озвучивании. Следовательно, можно предположить, что импульсный метод позволяет повысить к. п. д. газо­ струйных излучателей при коагуляции аэрозолей. Озвучи­ вание целесообразно производить с наиболее высокой частотой повторяемости импульсов. Поскольку мощность колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, озву­ чивание целесообразно производить короткими импуль­ сами, амплитуда которых должна быть значительно больше, чем при непрерывном режиме.

Задаваясь определенными параметрами импульса и допустимым перепадом давления, можно рассчитать необ­ ходимый объем ресивера и производительность компрес­ сора для газоструйного излучателя, работающего в им­ пульсном режиме [176]. Общий энергетический к. п. д. установки при работе излучателя в импульсном режиме значительно больше, чем при непрерывном излучении, так как в первом случае расходуется в Q раз меньше воз­ духа (газа) и достигается примерно такой же эффект зву­ кового воздействия на технологический процесс.

Гидродинамические излучатели* В последние годы для интенсификации процессов гомогенизации (смешивания), эмульгирования и других в промышленности начали использовать акустические гидродинамические излучатели различных конструкций. Они просты по устройству, дешевы и позволяют обрабатывать большие объемы жид­ кости. В гидродинамических излучателях акустические колебания возникают в результате механической энергии струи жидкости.

На практике наибольшее распространение получили гидродинамические излучатели с пластинчатыми или стержневыми резонансными колебательными устройствами, а также вихревые и роторные излучатели [35]. Пластин­ чатые и стержневые излучатели работают по принципу резонансных колебаний пластин или стержней от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла. Струя, попадая на пластину или стерлзень, срывается, в результате чего возникают вихри. Изменяющееся давление в зоне вихрей порождает звуковые волны определенной частоты. Если

19