Кавитационно-акустический излучатель
Полезная модель относится к гидродинамической технике для генерации акустических колебаний в жидкотекучих средах и позволяет увеличить интенсивность акустических волн ультразвукового диапазона в жидкой среде с переносом энергии на расстояния до 2000 м при больших давлениях. Кавитационно-акустический излучатель содержит профилированный корпус, имеющий три механически сопряженных и акустически связанных между собой элемента, каждый из которых выполнен в виде цилиндрической трубы. Первый элемент корпуса имеет открытый входной торец, перпендикулярный выходным каналам третьего элемента корпуса. Внутри корпуса соосно с ним установлены два средства для передачи потока жидкости и формирования акустической волны. 1 с.п. ф-лы, 4 з.п. ф-лы., 1 фиг.
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).
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/см2. 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.
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 7×105 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.
1. Кавитационно-акустический излучатель, содержащий 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.
2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, 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 корпуса сопряжены конической поверхностью.
3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что плохообтекаемое тело имеет плоскую фронтальную поверхность, обращенную к входному торцу первого элемента и ориентированную перпендикулярно оси корпуса, и противолежащую коническую поверхность, соединенную последовательно со стержнем и диском.
4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что толщина стенки корпуса кратна целому числу длины полуволны.
5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что диаметр каждого из выходных каналов имеет величину не менее длины волны ультразвукового диапазона.
