CN111570242A - 用于稠油降粘的超声换能器及超声换能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于稠油降粘的超声换能器，其包含：第一振子，其为半波长振子，包含第一后盖板、第一压电陶瓷晶堆以及第二压电陶瓷晶堆，其中，第一压电陶瓷晶堆与第二压电陶瓷晶堆衔接处为第一节面，第一节面处的振子振速为零；第一变幅杆，其为半波长三段式变幅杆，包含第一前盖板、第一过渡段部分以及第一圆柱部分，其中，第一过渡段部分包含第二节面，第二节面处的振子振速为零；第二变幅杆，其为半波长三段式变幅杆，包含第二圆柱部分、第二过渡段部分以及辐射头，其中，第二过渡段部分包含第三节面，第三节面处的振子振速为零。本发明具备耐高温、能长时间连续工作、批量处理规模大等优点，能够提高原油的运输能力。
Description
技术领域
本发明涉及声化学和声能应用领域，具体地说，涉及一种用于稠油降粘的超声换能器及超声换能装置。
背景技术
关于夹心式压电陶瓷功率超声换能器的理论计算和工程设计，目前的相关研究大部分局限在实验室，发展了许多设计理论。但截止目前，应用于生产线的大功率变幅杆换能器还比较少，并存在以下缺陷：换能器不耐高温、不能长时间连续工作、批量处理规模小等。
因此，本发明提供了一种用于稠油降粘的超声换能器及超声换能装置。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于稠油降粘的超声换能器，所述超声换能器包含：
第一振子，其为半波长振子，包含第一后盖板、第一压电陶瓷晶堆以及第二压电陶瓷晶堆，其中，所述第一压电陶瓷晶堆与所述第二压电陶瓷晶堆衔接处为第一节面，所述第一节面处的振子振速为零；
第一变幅杆，其为半波长三段式变幅杆，包含第一前盖板、第一过渡段部分以及第一圆柱部分，其中，所述第一过渡段部分包含第二节面，所述第二节面处的振子振速为零；
第二变幅杆，其为半波长三段式变幅杆，包含第二圆柱部分、第二过渡段部分以及辐射头，其中，所述第二过渡段部分包含第三节面，所述第三节面处的振子振速为零。
根据本发明的一个实施例，所述第一后盖板的材质为钢。
根据本发明的一个实施例，所述第一压电陶瓷晶堆以及所述第二压电陶瓷晶堆上均覆有电极。
根据本发明的一个实施例，所述第一变幅杆的材质为铝。
根据本发明的一个实施例，所述第二变幅杆的材质为钛合金。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于稠油降粘的超声换能装置，所述装置包含：
如上任一项所述的超声换能器；
预应力螺栓。
根据本发明的一个实施例，所述预应力螺栓包含：
第一预应力螺栓，其位于所述第一后盖板、所述第一压电陶瓷晶堆、所述第二压电陶瓷晶堆以及所述第一前盖板中心处；
第二预应力螺栓，其位于所述第一圆柱部分以及所述第二圆柱部分中心处。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包含法兰圆盘，所述法兰圆盘包含：
第一法兰圆盘，其位于所述第一前盖板以及所述第一过渡段部分的衔接处；
第二法兰圆盘，其位于所述第二圆柱部分以及所述第二过渡段部分的衔接处。
根据本发明的一个实施例，所述装置还包含风冷水冷降温外壳，其覆盖所述第一振子以及所述第一前盖板的外表面。
根据本发明的一个实施例，所述风冷水冷降温外壳包含气冷出入口、风冷出入口、水冷出入口以及封套。
本发明提供的用于稠油降粘的超声换能器及超声换能装置利用以声空化产生的高温高压和振动等物理效应来加速或改变化学反应过程为原理进行物理降粘这一技术，利用大功率超声换能器产生的声波能量(主要利用超声波的空化作用、热作用和机械作用)降低稠油粘度，本发明具备耐高温、能长时间连续工作、批量处理规模大等优点，能够提高原油的运输能力。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的简化结构图；
图2显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的机电等效电路图；
图3显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器中第一变幅杆的简化结构图；
图4显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器中第二变幅杆的简化结构图；
图5显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的1/2二维模型图；
图6(a)显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的一阶模态分析图；
图6(b)显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的二阶模态分析图；
图6(c)显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的三阶模态分析图；
图6(d)显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的四阶模态分析图；
图6(e)显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的五阶模态分析图；
图7显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的纵向位移分布曲线图；
图8显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能装置的简化结构图；
图9显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能装置的样机实物图；以及
图10显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能装置的实测导纳曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于稠油降粘的超声换能器的简化结构图。如图1所示，超声换能器包含第一振子10、第一变幅杆20以及第二变幅杆30。
第一振子10为半波长振子，包含第一后盖板11、第一压电陶瓷晶堆12以及第二压电陶瓷晶堆13，其中，第一压电陶瓷晶堆12与第二压电陶瓷晶堆13衔接处为第一节面101，第一节面101处的振子振速为零。
第一变幅杆20为半波长三段式变幅杆，包含第一前盖板14、第一过渡段部分21以及第一圆柱部分22，其中，第一过渡段部分21包含第二节面102，第二节面处102的振子振速为零。如图，第一前盖板14共同属于第一振子10以及第一变幅杆20。
第二变幅杆30为半波长三段式变幅杆，包含第二圆柱部分31、第二过渡段部分32以及辐射头33，其中，第二过渡段部分32包含第三节面103，第三节面103处的振子振速为零。
优选地，第一后盖板11的材质为钢。
优选地，第一压电陶瓷晶堆12以及第二压电陶瓷晶堆13上均覆有电极。
优选地，第一变幅杆20的材质为铝。
优选地，第二变幅杆30的材质为钛合金。
进一步地，对于第一振子10，振动时两端振幅最大，第一节面101处振子振速为零。第一节面101的位置随第一后盖板11、第一压电陶瓷晶堆12、第二压电陶瓷晶堆13以及第一前盖板14的密度、声速和尺寸而改变。在设计第一振子10时，必须首先确定第一节面101的位置，以便固定第一振子10并整体考虑换能器的结构。为了设计时简化，可由第一节面101将它分为两部分，前后两部分可以单独设计。
基于等效电路法设计超声换能器，第一后盖板11和第一压电陶瓷晶堆12以及第二压电陶瓷晶堆13和第一前盖板14的的机电等效图如2图所示。
假设超声换能器的工作环境为空气，则第一后盖板11和第一压电陶瓷晶堆12等效机械阻抗为Zm＝jρ11v11tank11l11，
其中ρ11、v11、k11和l11分别为第一后盖板11部分的密度、声速、波数以及长度。
机械共振频率为动态回路中总电抗等于零时的频率。假设Zm＝Rm+jXm，其中Rm和Xm分别为等效电阻和等效电抗。则共振时的总电抗为
即tankel13＝ρeveS1/Xm，S1为第一后盖板11端面面积，ke、ρe和ve分别为对应部分的等效波数、密度和等效声速。
同理可得到第二压电陶瓷晶堆13和第一前盖板14的频率方程，为：
根据以上方程，确定超声换能器第一振子10的参数，如表1所示：
表1超声换能器第一振子10参数表
采用具有圆弧过渡段的半波长阶梯型变幅杆，通过传输矩阵法计算各部分的谐振长度。变幅杆的机械振动方程为
任一种形状函数的纵振杆件的纵振状态，用矩阵形式均可表示为：
其中，作用在变幅杆输入端(x＝0)及输出端(x＝L)的力及振动速度分别为F1、
及F2、
第一变幅杆20为半波长三段式变幅杆，如图3所示，其传输矩阵方程为：
其中，F1、
及F4、
分别为作用在第一变幅杆20输入端及输出端的力及振动速度。设第一变幅杆20的面积函数为R(x)，令R(x)|x＝0＝R0，R(x)|x＝L＝RL。
任意形状变幅杆矩阵形式中的四端网络参量为α11，α12，α21，α22为：
其中R0，RL，Rx为当位移坐标分别x＝0，L，x时的半径函数，Z01，Z02分别为第一变幅杆20输入端的输入力阻抗及输出力阻抗，
k为圆波数
为面积系数。设计时设第一变幅杆20小端负载为零，即F4＝0，第一变幅杆20大端处于振幅最大、应力为0的位置，故F1＝0，频率方程由α12＝0即可得出。
得出第一变幅杆20的参数，如表2所示：
表2超声换能器第一变幅杆20参数表
另外，第二变幅杆30为半波长三段式变幅杆，其简化结构图如图4所示，第二变幅杆30的设计原理和第一变幅杆20完全一致，得出第二变幅杆30的参数，如表3所示：
表3超声换能器第二变幅杆30参数表
超声换能器应用于大功率高温环境下长时间工作，虽然利用铝和钢的密度之比较大的特点提高了第一前盖板14的纵向振动位移，但是铝的导热性非常好，在高温条件下工作会导致换能器温度过高而影响工作效率，尤其会提高第一压电陶瓷晶堆12和第二压电陶瓷晶堆13断裂的风险。为了提高整个换能器在高温、耐腐蚀环境下的工作特性，第二变幅杆30使用钛合金材料制作而成。钛的导热系数小、弹性模量小：钛的导热系数λ＝15.24W/(m·K)，为铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％，且有强耐腐蚀性。钛合金第二变幅杆30的简化结构如图4所示。
为了提高计算效率，根据模型的轴对称特性，在第一变幅杆20以及第二变幅杆30的中间部分设计法兰圆盘，将图1的简化结构图简化为图5所示的1/2二维模型图。
忽略第一压电陶瓷晶堆12和第二压电陶瓷晶堆13上所覆电极，用ANSYS进行模态分析，得出超声换能器前五阶的模态分析图，如图6所示。
模态分析结果显示，如图6(a)所示一阶模态、如图6(b)所示二阶模态，振速为零的位置(图6(a)、图6(b)中A处)偏离了第一压电陶瓷晶堆12和第二压电陶瓷晶堆13中间的第一节面101，这会降低机电转换效率；如图6(d)所示四阶模态、如图6(e)所示五阶模态的横向形变严重，说明该模态耦合振动强烈，振动的单一稳定性太差。
如图6(c)所示，三阶模态振速为零的位置从图中难以辨别，为了更清楚地观察三阶模态的振动效果，绘制了纵向位移分布曲线图，如图7所示，三个振速为零的位置分别在45mm，170mm，325mm处，在第二变幅杆顶端处振动幅度达到最大。其中45mm节点处于第一压电陶瓷晶堆12和第二压电陶瓷晶堆13中间的第一节面101附近，从而可以激发出更大功率的声波，有效提高换能器的机电转换率。170mm和325mm为第二节面102和第三节面103附近，均为指数型结构过渡部分，位移节点为应力波腹，局部应力达到峰值，容易发生断裂的风险，故此处设计为指数型结构来缓冲应力分布符合实际情况。
在换能器整个结构中，第一压电陶瓷晶堆12和第二压电陶瓷晶堆13是最容易因受力引起断裂的部件，因此使第一压电陶瓷晶堆12和第二压电陶瓷晶堆13处的应力始终保持在较小的状态是换能器长时间工作的保证。此外根据经验，在第一变幅杆与压电陶瓷片连接处也是比较容易断裂的位置，所以也要同时兼顾此处的应力状态。提取Ansys谐响应分析得出的频率与等效应力值关系以及频率与位移关系，得出不同频率下压电陶瓷晶堆、变幅杆连接处的等效应力以及变幅杆顶端位移，进行统计，结果如表4所示。
表4不同位置处的等效应力与位移
| 频率/kHz | ||||
| f1 | 4.21 | 3453.62 | 14681.8 | 0.029 |
| f2 | 11.98 | 49488.6 | 28862.1 | 0.024 |
| f3 | 16.76 | 488.86 | 1492.59 | 0.019 |
| f4 | 22.60 | 103627 | 43088.7 | 0.013 |
| f5 | 28.49 | 24314.4 | 22879.5 | 0.010 |
根据模态分析与谐响应分析，结合以上考虑上述的应力和位移等因素，综合得出三阶模态(16.76kHz)是最理想的振动模态。
根据上述仿真计算，提供一种用于稠油降粘的超声换能装置，如图8所示。超声换能装置包含如上所述的超声换能器以及预应力螺栓。
优选地，超声换能装置包含电极接头81。
优选地，预应力螺栓包含：第一预应力螺栓821，其位于第一后盖板、第一压电陶瓷晶堆、第二压电陶瓷晶堆以及第一前盖板中心处。第二预应力螺栓822，其位于第一圆柱部分以及第二圆柱部分中心处。
优选地，超声换能装置还包含法兰圆盘，法兰圆盘包含：第一法兰圆盘831，其位于第一前盖板以及第一过渡段部分的衔接处。第二法兰圆盘832，其位于第二圆柱部分以及第二过渡段部分的衔接处。
优选地，超声换能装置还包含风冷水冷降温外壳，其覆盖第一振子以及第一前盖板的外表面。
优选地，风冷水冷降温外壳包含气冷出入口、风冷出入口、水冷出入口以及封套84。
进一步地，封套84位于超声换能器的第一振子10和第一变幅杆20的第一前盖板14外表面。第一振子10对应的封套84部分设置有风冷出口85和风冷入口86，第一前盖板14对应的封套84部分设置有水冷出口87和水冷入口88，如图9所示。
如图9所示的超声换能器及其装置，可在高温环境下长时间在线连续批量处理原油。通过工作频率的设计保证了合理的应力分布，为换能器长时间工作提供保证；换能器结构的设计满足高温、在线、连续工作的稠油降粘的现场需求。
用PV70A型阻抗分析仪测量样机的导纳曲线和导纳圆图如图10所示，导纳曲线在16.86kHz频率处出现了明显的峰值导纳，与仿真结果吻合度较好，并使用功率计对设备正常运行是的功率进行了多次测量，测量值为500W以上。
得出换能器共振频率的实验值、仿真值与理论值的对比，如表5所示：
表5换能器共振频率的实验值、仿真值与理论值对比
有限元仿真结果则更接近于实际测量结果，在设计较为复杂结构的换能器时有限元法更为有效。
综上，本发明提供的用于稠油降粘的超声换能器及超声换能装置利用以声空化产生的高温高压和振动等物理效应来加速或改变化学反应过程为原理进行物理降粘这一技术，利用大功率超声换能器产生的声波能量(主要利用超声波的空化作用、热作用和机械作用)降低稠油粘度，本发明具备耐高温、能长时间连续工作、批量处理规模大等优点，能够提高原油的运输能力。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种用于稠油降粘的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包含：
第一振子，其为半波长振子，包含第一后盖板、第一压电陶瓷晶堆以及第二压电陶瓷晶堆，其中，所述第一压电陶瓷晶堆与所述第二压电陶瓷晶堆衔接处为第一节面，所述第一节面处的振子振速为零；
第一变幅杆，其为半波长三段式变幅杆，包含第一前盖板、第一过渡段部分以及第一圆柱部分，其中，所述第一过渡段部分包含第二节面，所述第二节面处的振子振速为零；
第二变幅杆，其为半波长三段式变幅杆，包含第二圆柱部分、第二过渡段部分以及辐射头，其中，所述第二过渡段部分包含第三节面，所述第三节面处的振子振速为零。
2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一后盖板的材质为钢。
3.如权利要求1-2中任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述第一压电陶瓷晶堆以及所述第二压电陶瓷晶堆上均覆有电极。
4.如权利要求1-3中任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述第一变幅杆的材质为铝。
5.如权利要求1-4中任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述第二变幅杆的材质为钛合金。
6.一种用于稠油降粘的超声换能装置，其特征在于，所述装置包含：
如权利要求1-5中任一项所述的超声换能器；
预应力螺栓。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预应力螺栓包含：
第一预应力螺栓，其位于所述第一后盖板、所述第一压电陶瓷晶堆、所述第二压电陶瓷晶堆以及所述第一前盖板中心处；
第二预应力螺栓，其位于所述第一圆柱部分以及所述第二圆柱部分中心处。
8.如权利要求6-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包含法兰圆盘，所述法兰圆盘包含：
第一法兰圆盘，其位于所述第一前盖板以及所述第一过渡段部分的衔接处；
第二法兰圆盘，其位于所述第二圆柱部分以及所述第二过渡段部分的衔接处。
9.如权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包含风冷水冷降温外壳，其覆盖所述第一振子以及所述第一前盖板的外表面。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述风冷水冷降温外壳包含气冷出入口、风冷出入口、水冷出入口以及封套。
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