ООО НПП АКМА
Москва, ул. Шверника, 4 (495)228 1907 (495)228 1909 akma@npo-akma.ru
Главная Продукция Услуги Прайс-лист Контакты
 

Сравнительные испытания ультразвуковых излучателей с волноводами стержневого типа.

В настоящее время разработано и производится большое количество ультразвуковых излучателей с волноводами стержневого типа, которые могут использоваться для борьбы с накипеобразованием. Они отличаются друг от друга активным материалом преобразователя (никель, пермендюр, альфер, феррит, пьезокерамика), конструкцией излучающей части, длиной и формой волновода. Ультразвуковые излучатели, в зависимости от особенностей протекания процесса накипеобразования, могут устанавливаться на различные элементы конструкции теплообменного аппарата. В одних случаях они привариваются к трубной доске, в других - к боковой поверхности бака или трубы, в-третьих, преобразователь закрепляется таким образом, чтобы его торец воздействовал непосредственно на воду.

В случае установки излучателя на трубную решетку ультразвуковые колебания распространяются к трубному пучку по металлическому «волноводу». Длина волны на частоте f = 20 кГц будет равна λ = с /f. Для стали 20 с = 5100 м/с, следовательно λ = 25 см. Поскольку этот характерный размер сравним с диаметром трубной решетки, то амплитуда ультразвуковых колебаний на всех трубках пучка будет примерно равной, что при равенстве акустических сопротивлений излучателя и нагрузки обеспечит эффективную защиту теплообменной поверхности. В этом случае основную роль будут играть микропотоки нагреваемой жидкости в направлении вектора Умова-Пойнтинга (вектора потока энергии), которые не позволят центрам кристаллизации нерастворимых солей осесть на металлической поверхности трубок пучка.

В случае ввода ультразвукового излучения непосредственно в нагреваемую воду длина волны на частоте f = 20 кГц будет равна λ = с /f. Для воды с = 1500 м/с и λ = 7,5 см. Так как длина волны меньше диаметра подводящего патрубка, то излученный сигнал, распространяясь вдоль него без рассеяния, значительно увеличивает количество центров кристаллизации. Это позволяет, несмотря на меньшее в 30 раз акустическое сопротивление, уменьшить скорость образования отложений на поверхности теплообменных пластин.

В случае, когда излучатель крепится к боковой поверхности цилиндрического бака (или трубы большого диаметра), он возбуждает в ней изгибные колебания. Результаты экспериментальных исследований процесса передачи энергии при возбуждении изгибных колебаний показывают, что активная часть акустического сопротивления оболочки всего в 2 - 3 раза превышает соответствующую величину для воды [2]. Однако энергия этих колебаний не передается в воду так как оболочка не создает объемную скорость в протекающей воде. При этом если труба механически связана с теплообменной поверхностью, то этот способ также может быть использован для снижения скорости накипеобразования, хотя эффективность снижения будет значительно меньше, чем в первом варианте.

В случае ввода ультразвукового излучения непосредственно в нагреваемую воду, излученный сигнал, распространяясь вдоль подводящего патрубка, значительно увеличивает количество центров кристаллизации в воде и выпадение нерастворимых солей на них позволяет уменьшить скорость образования отложений на поверхности теплообменных пластин.

Наиболее распространенным параметром, по которому оценивается качество ультразвуковых преобразователей и производится сравнение их между собой, является колебательное смещение торцов ненагруженных преобразователей. Данный параметр характеризует стоячие волны, возбуждаемые преобразователем в излучателе со свободными торцами. Сравнение результатов таких измерений для различных излучателей затруднено тем, что конструкции их волноводов различаются между собой

Кроме этого, идентичный прижим измерительных акселерометров к торцам излучателей обеспечить практически невозможно.

Известно, что эффективность ультразвука в борьбе с накипеобразованием существенно зависит от амплитуды ультразвуковых колебаний, распространяющихся в защищаемом объекте [2, 5]. Поэтому, при проведении сравнительных испытаний преобразователей, излучающих к тому же сигналы различной формы (радиоимпульс, видеоимпульс, пачка видеоимпульсов), необходимо измерять параметры именно распространяющейся ультразвуковой волны. Для этого следует создать активную нагрузку на излучатели, которая ставила бы сравниваемые преобразователи в равные условия излучения сигнала.

Создание равных условий излучения сигнала означает, что для различных излучателей (предполагается, что все волноводы стальные, а их длина соответствует нечетному количеству четвертей длины волны рабочей частоты преобразователя) отношение их выходных сопротивлений к входному волновому сопротивлению нагрузки не изменяется. Такое условие может быть достигнуто в случае, если нагрузка представляет собой не предмет конечных размеров и конкретной конфигурации, а среду с независящими от координат плотностью и скоростью звука. В качестве такой среды удобнее всего использовать воду, заполняющую емкость больших размеров по сравнению с длиной излучаемой волны. Только в этом случае влиянием на результаты измерений отражений от стенок емкости можно пренебречь, а настройка задающего генератора на резонансную частоту излучателя в каждом конкретном случае позволит скомпенсировать реактивную нагрузку присоединенной массы жидкости.

В качестве параметра, объективно характеризующего излучаемые преобразователем акустические сигналы, целесообразнее всего использовать амплитуду звукового давления. Выбор звукового давления обусловлен существующей современной метрологической базой: наличием образцовых гидрофонов, рабочих средств измерения и стендов для их аттестации в требуемом диапазоне частот. При этом методика измерения звукового давления должна предусматривать измерение параметров только распространяющейся ультразвуковой волны, путем исключения влияния на результаты измерений реактивной составляющей сигнала, и учитывать отражение бегущей ультразвуковой волны от поверхности.

Предложенная методика измерения акустических параметров ультразвуковых излучателей помимо указанных преимуществ не требует наличия узлов крепления измерительных датчиков к излучателю, которые всегда вносят дополнительные погрешности в результаты измерения.

Амплитуда звукового давления (P) на некотором расстоянии (r) от излучателя в однородной изотропной среде описывается следующим выражением:

P = (ω × ρ × Q) / (2 × π × r), (1)

где ω - круговая частота, ρ - плотность среды, Q - объемная скорость, создаваемая излучателем.

Для исследуемых стержневых излучателей объемная скорость равна произведению площади сечения торца (S) и колебательной скорости (υ), которая в свою очередь может быть выражена через амплитуду смещения торца (L) : υ = L × ω. По результатам измерения звукового давления на фиксированном расстоянии от излучателя в направлении его оси можно определить колебательное смещение поверхности его торца, нагруженного на воду:

L = (2 × π × r × Р) / (ω² × ρ × S). (2)

Конструктивные особенности противонакипных ультразвуковых излучателей не позволяют опускать их в воду на такую глубину, при которой можно было бы пренебречь влиянием волны, отраженной от поверхности воды, на результаты измерений. Однако, эта проблема разрешима. При погружении в воду торцевой части волновода преобразователя влияние поверхности воды на результаты измерений может быть учтено введением в выражение (1) множителя 2 × sin(2 × π × h / λ), где h - глубина погружения торца волновода (предполагается, что фазовый центр излучателя лежит в плоскости торца волновода), λ - длина звуковой волны. При этом предполагается, что модуль коэффициента отражения от поверхности равен 1. Амплитуда звукового давления в направлении, проходящем через центр торца волновода ортогонально к поверхности воды составит:

P = (ω × ρ × Q) × 2 × sin (2 × π × h / λ) / (2 × π × r) (3)

Предполагается, что размеры торца волновода малы по сравнению с длиной излучаемой волны, торец волновода плоский и его плоскость ортогональна оси волновода, амплитуда смещения точек поверхности торца не зависит от расстояния до его центра и ось волновода ортогональна поверхности воды.

В тех случаях, когда торец волновода имеет более сложную форму либо предполагается, что амплитуда смещения торца волновода является функцией расстояния от его центра, необходимо до начала проведения сравнительных испытаний уточнить положение фазового центра излучателя. Для этого измерительный гидрофон устанавливается на глубине 1 м, торец преобразователя опускается в воду над измерительным гидрофоном на глубину h1, измеряется амплитуда звукового давления излучаемых акустических волн P1. После этого измерительный гидрофон устанавливается на глубине h2 и измеряется амплитуда звукового давления P2. По результатам измерений, в предположении, что фазовый центр расположен на оси волновода, определяется величина первоначального погружения h фазового центра излучателя:

h = [λ / (2 × π)] × arctg{ sin(2 × π × H / λ) / [(P2 / P1 ) - cos(2 × π × H / λ)]}

где H = h2 - h1. При этом h1 и h2 не должны быть кратны λ/4, а для простоты вычислений их следует выбирать в пределах λ/2.

Сравнительные испытания излучателей ультразвуковых противонакипных устройств, наименования которых приведены в таблице 1, были проведены в бассейне, размеры которого составляют 6 × 6 × 10 м. Все устройства были предоставлены для испытаний потребителями и представляли собой приборы, подготовленные к промышленной эксплуатации.

Поскольку все устройства излучали сигналы сложной формы (видеоимпульсы, радиоимпульсы и пачки видеоимпульсов), то сигналы с выхода рабочего средства измерения (измерительного гидрофона) подавались на анализатор спектра. Для последующих расчетов выбиралась та спектральная составляющая мгновенного спектра, которая соответствовала паспортным данным о полезном сигнале. При этом на входы излучателей подавались сигналы либо с выходов генераторов, на работу, с которыми рассчитаны данные преобразователи, либо сигналы, эквивалентные сигналам, указанным в паспортах проходивших испытания ультразвуковых устройств.

Результаты измерений эффективного значения спектральной плотности соответствующей компоненты спектра давления в звуковой волне, создаваемой преобразователями в воде, были пересчитаны к безграничному пространству по формуле:

Р0 = Р / 2 × sin (2 × π × h / λ).

Полученные данные приведены в таблице 2. Здесь же показаны результаты расчетов смещения торцов преобразователей, нагруженных на воду.

Полученные в процессе испытаний данные позволяют сравнить между собой ультразвуковые излучатели, выпускаемые разными производителями. Они показывают возможности разных преобразователей при их работе на малую нагрузку, конечно без учета конфигурации полей, которые преобразователи будут создавать в конкретном замкнутом пространстве.

Использование результатов проведенных в бассейне сравнительных испытаний преобразователей в случае выбора устройств для работы на воду или установки их на боковую поверхность корпуса теплообменника вполне оправдано. При установке излучателей на трубную доску или на фронтальную поверхность котла эти результаты должны быть скорректированы с учетом эффективной площади магнитострикционного пакета. Это, например, подтверждают результаты измерений, проведенных для двух преобразователей, приваренных к трубным доскам одинаковых теплообменников. Определялась максимальная амплитуда смещения боковой поверхности трубной доски. Результаты измерений приведены в таблице 3. Здесь же для сравнения приведены для тех же преобразователей значения амплитуды звукового давления в воде на расстоянии 1 м от торца излучателя в направлении его оси.

Большую эффективность противонакипных устройств, излучающих в воду сигналы большей амплитуды, показали и результаты экспериментальных исследований, проведенных авторами на подогревателе МВН 1437-05 (АО «Подольский огнеупор» г. Щербинка). Жесткость воды составляла 7 мг-экв/л, максимальная температура 72°С. Одновременное использование для предотвращения накипеобразования трех ультразвуковых устройств, излучающих видеоимпульсы с частотой следования 25 Гц (2 устройства А7-АУН, каждый с 2 преобразователями, и 1 устройство УЗУ-6Н с 2 преобразователями) привело лишь к ослаблению сцепления с теплообменной поверхностью осаждающейся на ней накипи, что упростило последующую чистку подогревателя. Установка на тот же подогреватель противонакипного устройства Акустик-Т2 с двумя преобразователями, работавшими в режиме радиоимпульсов, привела к уменьшению образовавшегося на теплообменных поверхностях за контрольное время слоя накипи примерно в 10 раз. Остальная образовавшаяся за это время накипь представляла собой шлам, скопившийся на дне теплообменника, поскольку продувки за время проведения эксперимента не проводились. В обоих случаях ультразвуковые устройства устанавливались на предварительно очищенный теплообменник.

Методика сравнения ультразвуковых излучателей (при их работе непосредственно на воду) по создаваемому давлению в бегущей волне, справедлива для любых конструкций стержневого типа. Сравнение результатов измерений амплитуды излучаемой звуковой волны в зоне Фраунгофера в направлении оси волновода, приведенные к расстоянию 1 м и безграничному пространству может служить критерием выбора наиболее эффективной конфигурации ультразвуковых устройств для защиты реального объекта от накипных отложений.

Таблица 1

Наименование устройстваПроизводительПараметры сигналаПлощадь пакета преобразователя, см²
Длительность импульса, мсекЧастота следования импульсов, Гц
Акустик«Энергозапчасть»3,06,2521
Акустик-Т2NНПП «АКМА»7,012,59
Акустик-Т2НПП «АКМА»2,012,59
Антинакипь БПИАОЗТ «ИНВЕНТ»6,012,5-
УЗУ - 8НАОЗТ «МРТЗ»3,06,259
УЗУ - 6НАОЗТ «МРТЗ»1,0257
ИЛ - 1МХООО «ИЛ»1,5257
Экоакустик ООО «Инвак»0,5255
ВолнаНПП «Агроприбор»0,72516

Таблица 2

Наименование устройстваЧастота излучения, кГцЗвуковое давление в водной среде на расстоянии 1 м от излучателя, Р, ПаСмещение торца волновода, L, мкм
Антинакипь БПИ21,617631,91
Акустик18,014500,24
Акустик-Т2N22,219950,49
Акустик-Т222,722820,74
УЗУ - 8Н22,818590,59
УЗУ - 6Н16,71820,33
ИЛ - 1МХ15,7400,09
Экоакустик 15,81900,37
Волна22,81950,19

Таблица 3

Наименование устройстваАмплитуда звукового давления в воде, ПаАмплитуда смещения трубной доски, мкм
Акустик-Т222820,1
УЗУ - 6Н1820,015
 
ООО НПП АКМА