RU2116846C1

RU2116846C1 - Low-frequency piston radiator

Info

Publication number: RU2116846C1
Application number: RU97106080/28A
Authority: RU
Inventors: Ю.Я. Борисов; М.А. Миронов; Н.С. Исаев
Original assignee: Борисов Юлиан Ярославович
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: signalling and acoustic intensification of heat-and-mass exchange processes. SUBSTANCE: piston has not contact with tube walls and is directed in tube by means of antifriction bearings so that sliding friction is replaced by rolling friction. To prevent gas overflow through clearance between tube walls and piston which balances pressure on both sides of piston and to avoid acoustic short circuit inhibiting the radiation, value of clearance must not exceed viscous wave length at piston oscillation frequency. In this case, gas viscosity in clearance and its inertia provide for required tightness of clearance. EFFECT: higher reliability in operation. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к акустическим излучателям, предназначенным для работы в газовых средах, например при подаче звуковых сигналов, а также для интенсификации тепломассообменных процессов, протекающих в газах или на границе газ - жидкость и газ - твердое тело, и может быть использовано в электротифонах, в пищевой промышленности и фармацевтике для интенсификации процессов сушки, в химической и металлургической промышленности для очистки выбросов запыленных газов и т.д. The invention relates to acoustic emitters designed to work in gaseous media, for example, when sound signals are supplied, as well as to intensify heat and mass transfer processes occurring in gases or at a gas-liquid-gas-solid interface, and can be used in electrotyphons, in food industry and pharmaceuticals for the intensification of drying processes, in the chemical and metallurgical industries for the purification of dusty gas emissions, etc.

Известны излучатели, в которых акустические колебания создаются при возвратно-поступательном перемещении поршня, приводимого в движение приводом, например кривошипно-шатунным механизмом: электротифон, по авт.св. 357587, кл. G 10 K, 7/04, инфразвуковой генератор по авт.св. 1703099, кл. B 06 B, 1/10, низкочастотный акустический генератор с системой обратной связи по международной заявке 88/07894, кл. B 06 B, 1/20. Known emitters in which acoustic vibrations are created by the reciprocating movement of the piston, driven by a drive, for example a crank mechanism: an electrotyphon, according to autosw. 357587, cl. G 10 K, 7/04, infrasound generator according to autostart 1703099, cl. B 06 B, 1/10, a low-frequency acoustic generator with a feedback system according to international application 88/07894, cl. B 06 B, 1/20.

Известны также широко используемые на судах электротифоны, как отечественные ТЭ-1 и ТЭ-2, так и зарубежные: шведские МА 18/130, МА 18/90, МА 18/75 (Каталог фирмы Kockums, 1985) и японские МН 700, МН 550 (Судостроение за рубежом 1985, N 5 /221/, с. 107-111). Electrotyphons widely used on ships are also known, both domestic TE-1 and TE-2, as well as foreign ones: Swedish MA 18/130, MA 18/90, MA 18/75 (Catalog of the company Kockums, 1985) and Japanese MH 700, MN 550 (Shipbuilding abroad 1985, N 5/221 /, p. 107-111).

Наиболее близким техническим решением к заявленному является генератор звука низкой частоты по патенту США 5109948, кл. G 10 K, 5/00, UScl.181-142. Он же заявлен в качестве международной заявки WO 090/00095, кл. B 06 B, 1/20. Этот генератор содержит привод в виде электромотора и шток с поршнем, перемещающимся в трубе. The closest technical solution to the claimed is a low-frequency sound generator according to US patent 5109948, cl. G 10 K, 5/00, UScl. 181-142. He is declared as an international application WO 090/00095, cl. B 06 B, 1/20. This generator contains a drive in the form of an electric motor and a rod with a piston moving in a pipe.

Все технические решения имеют общий недостаток - очень низкую эффективность, так как большая часть энергии привода при перемещении поршня тратится на преодоление сил трения, возникающих при движении уплотнительных колец на поршне по стенкам трубы в одних подобных конструкциях (судовые тифоны) или подобных же сил в отсутствии уплотнительных колец, но при выполнении поршня плотно прилегающим своей образующей к стенкам трубы - в других технических решениях. All technical solutions have a common drawback - a very low efficiency, since most of the drive energy when moving the piston is spent on overcoming the friction forces that arise when the sealing rings on the piston move along the pipe walls in some similar structures (ship typhons) or similar forces in the absence of O-rings, but when the piston is tightly fitting with its generatrix to the pipe walls - in other technical solutions.

Задачей изобретения является увеличение КПД излучателя. The objective of the invention is to increase the efficiency of the emitter.

Поставленная задача достигается тем, что в низкочастотном поршневом излучателе, содержащем привод, а также поршень, расположенный в трубе, последний установлен с зазором h величиной
h ≤ δ = (ν/π•f)^0,5
где
δ - длина вязкой волны на частоте излучения;
f - частота излучения, равная частоте колебаний поршня;
ν - коэффициент кинематической вязкости газа (воздуха), находящегося в зазоре между поршнем и трубой.The problem is achieved in that in the low-frequency piston emitter containing the drive, as well as the piston located in the pipe, the latter is installed with a gap h of size
h ≤ δ = (ν / π • f) ^0.5
Where
δ is the viscous wavelength at the radiation frequency;
f is the radiation frequency equal to the oscillation frequency of the piston;
ν is the coefficient of kinematic viscosity of the gas (air) located in the gap between the piston and the pipe.

При этом направлении движения поршня в трубе обеспечивается подшипниками качения, располагаемыми либо в теле поршня, либо в стенках трубы. In this direction of movement of the piston in the pipe, it is provided by rolling bearings located either in the piston body or in the pipe walls.

Следует отметить, что т.к. для выбранной газовой среды ν является величиной постоянной, а f равна заданной частоте колебаний, то и длина вязкой волны тоже величина постоянная. На низких звуковых частотах она составляет доли мм. It should be noted that since ν is a constant value for the selected gas medium, and f is equal to a given oscillation frequency, then the length of the viscous wave is also a constant value. At low sound frequencies, it is a fraction of mm.

В изобретении в качестве подшипников качения могут быть применены подшипники цилиндрического типа, при этом оси цилиндрических подшипников располагаются в плоскости, перпендикулярной оси симметрии трубы. In the invention, cylindrical bearings can be used as rolling bearings, while the axes of the cylindrical bearings are located in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the pipe.

На чертеже 1 изображена конструкция изобретения, где 1 - поршень; 2 - труба; 3 - зазор между поршнем и трубой; 4 - подшипники качения; 5 - шатунно-кривошипный механизм привода; 6 - электродвигатель привода. The drawing 1 shows the construction of the invention, where 1 is a piston; 2 - pipe; 3 - the gap between the piston and the pipe; 4 - rolling bearings; 5 - connecting rod-crank drive mechanism; 6 - electric motor drive.

Поршень 1 расположен в трубе 2 с зазором 3 на подшипниках качения 4, поршень связан с помощью шатунно-кривошипного механизма 5 с электродвигателем 6. При этом на фиг. 1 приведен пример реализации привода в виде электродвигателя и шатунно-кривошипного механизма. The piston 1 is located in the pipe 2 with a clearance 3 on the rolling bearings 4, the piston is connected by a connecting rod and crank mechanism 5 to the electric motor 6. In this case, in FIG. 1 shows an example of the implementation of the drive in the form of an electric motor and a crank mechanism.

Устройство работает следующим образом. Электродвигатель 6 с помощью шатунно-кривошипного механизма 5 обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня 1 с заданной амплитудой и частотой. Направление движения поршня 1 в трубе 2 и поддержание постоянным зазора 3 обеспечивается подшипниками качения 4, расположенными либо на внутренней поверхности трубы 2, либо на внешней поверхности поршня 1. Движение поршня 1 создает в трубе 2 акустические колебания заданной частоты, излучаемые в пространство. The device operates as follows. The electric motor 6 using the connecting rod and crank mechanism 5 provides reciprocating movement of the piston 1 with a given amplitude and frequency. The direction of movement of the piston 1 in the pipe 2 and maintaining a constant clearance 3 is provided by rolling bearings 4 located either on the inner surface of the pipe 2 or on the outer surface of the piston 1. The movement of the piston 1 creates acoustic vibrations of a given frequency in the pipe 2, emitted into the space.

В результате использования в излучателе зазора 3, не превышающего длину вязкой волны на частоте излучения инерции газа, находящегося в зазоре 3, и его вязкость и инерция оказываются достаточными, чтобы обеспечить требуемую герметизацию зазора при движении поршня 1 и устранить перетекание газа через зазор 3, а следовательно, и возможность возникновения акустического короткого замыкания, сводящегося к выравниванию давлений по обе стороны торцев поршня 1. As a result of the use of a gap 3 in the emitter that does not exceed the length of a viscous wave at the radiation inertia frequency of the gas located in the gap 3, its viscosity and inertia are sufficient to provide the required sealing of the gap during the movement of the piston 1 and to prevent gas from flowing through the gap 3, and therefore, the possibility of an acoustic short circuit, which reduces to equalization of pressure on both sides of the ends of the piston 1.

Применение в предлагаемой конструкции подшипников качения способствует резкому снижению потребляемой мощности, и хотя трение и здесь имеет место, но оно существенно снижено, т.к. коэффициенты кинематической вязкости газов, определяющих силы трения в пристенном слое, и смазочных масел, используемых в излучателях с уплотнительными кольцами, отличаются на два порядка. The use of rolling bearings in the proposed design contributes to a sharp decrease in power consumption, and although friction also occurs here, but it is significantly reduced, because the kinematic viscosity coefficients of the gases, which determine the friction forces in the wall layer, and the lubricating oils used in emitters with O-rings, differ by two orders of magnitude.

Проверка работы предлагаемого излучателя проведена с использованием цилиндрического поршня диаметром 95 мм, колеблющегося с частотой 25 Гц. Измерения звукового давления проводились в камере малого объема. При работе поршня с уплотнительными кольцами для работы излучателя применялся электродвигатель мощностью 1100 Вт (расчетная потребляемая мощность 1 кВт). Полученное в камере давление равнялось 120 дБ. Тот же излучатель с поршнем без колец и с линейными подшипниками качения при зазоре h = 0,3 мм развивал звуковое давление 119 дБ, но работал он с двигателем 120 Вт (расчетное значение потребляемой мощности в этом случае 50 Вт). Таким образом, при практически неизменном уровне звукового давления (разница 1 дБ) затраты электроэнергии могут быть снижены на порядок. The operation of the proposed emitter was tested using a cylindrical piston with a diameter of 95 mm, oscillating with a frequency of 25 Hz. Sound pressure measurements were carried out in a small-volume chamber. During the operation of the piston with o-rings, an electric motor with a power of 1100 W was used for the operation of the emitter (estimated power consumption of 1 kW). The pressure obtained in the chamber was 120 dB. The same emitter with a piston without rings and with linear rolling bearings with a gap h = 0.3 mm developed a sound pressure of 119 dB, but it worked with a 120 W engine (the calculated value of power consumption in this case is 50 W). Thus, at a practically constant sound pressure level (1 dB difference), energy costs can be reduced by an order of magnitude.

Claims

1. A low-frequency piston emitter containing a drive and a piston located in the pipe, characterized in that the piston is installed in the pipe with a gap, and the gap value h is selected from the ratio

where δ is the length of the viscous wave at the radiation frequency;
f is the radiation frequency equal to the oscillation frequency of the piston;
ν is the coefficient of kinematic viscosity of the gas in the gap between the pipe and the piston,
while the direction of movement of the piston in the pipe is provided by rolling bearings.

2. The emitter according to claim 1, characterized in that the rolling bearings are installed on the inner surface of the pipe.

3. The emitter according to claim 1, characterized in that the rolling bearings are installed on the outer surface of the piston.

4. The emitter according to claim 1, characterized in that the rolling bearings are cylindrical, and their axes are located in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the pipe.