Лабораторные ультразвуковые установки. Типы и конструкции ультразвуковых очистных установок. Технологическое использование УЗК
С помощью простейшей ультразвуковой установки можно показать распространение ультразвука в различных средах, отражение и преломление ультразвука на границе двух сред, поглощение ультразвука в различных веществах. Кроме этого имеется возможность показать получение масляных эмульсий, очистку загрязненных деталей, ультразвуковую сварку, ультразвуковой жидкостный фонтан, биологическое воздействие ультразвуковых колебаний.
Изготовление подобной установки может быть осуществлено в школьных мастерских силами учащихся старших классов.
Установка для демонстрации опытов с ультразвуком состоит из электронного генератора (рис.1), кварцевого преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые и линзового сосуда (рис.2) для фокусировки ультразвука. В блок питания входит только силовой трансформатор Тр1, так как анодные цепи ламп генератора питаются непосредственно переменным током (без выпрямителя). Такое упрощение не сказывается отрицательно на работе прибора и в то же время заметно упрощает его схему и конструкцию.
Электронный генератор выполнен по двухтактной схеме на двух лампах 6ПЗС, включенных по триодной схеме (экранные сетки ламп соединены с анодами). В анодные цепи ламп включен контур L1C2, определяющий частоту генерируемых колебаний, а в сеточные цепи - катушка обратной связи L2. В катодные цепи включено небольшое сопротивление R1, в значительной степени определяющее режим ламп.
Рис.1. Принципиальная схема генератора
Высокочастотный сигнал подается на кварцевый резонатор через разделительные конденсаторы С4 и С5. Кварц размещается в герметическом кварцедержателе (рис. 2) и соединяется с генератором проводами длиной 1 м.
Рис. 2. Линзовый сосуд и кварцедержатель
Кроме рассмотренных деталей, в схеме имеются еще конденсаторы C1 и С3 а также дроссель Др1 через который на аноды ламп подается анодное напряжение. Этот дроссель предотвращает короткое замыкание высокочастотного сигнала через конденсатор C1, и междувитковую емкость силового трансформатора.
Основными самодельными деталями генератора являются катушки L1 и L2, выполненные в виде плоских спиралей. Для их изготовления необходимо выпилить деревянный шаблон. Из доски шириной 25 см выпиливаются два квадрата, которые служат щечками шаблона. В центре каждой щечки следует сделать отверстия для металлического стержня диаметром 10-15 мм, а в одной из щечек вырезать отверстие или канавку шириной 3 мм для крепления вывода катушки. На металлическом стержне с обоих концов нарезают резьбу и между двумя гайками размещают щечки на расстоянии, равном диаметру наматываемой проволоки. На этом изготовление шаблона можно считать законченным и приступить к намотке катушек.
Металлический стержень одним концом зажимают в тисках, между щечками укладывают первый (внутренний) виток провода, после чего стягивают гайки и продолжают намотку. Катушка L1 имеет 16 витков, а катушка L2-12 витков медного провода диаметром 3 мм. Катушки L1 и L2 изготавливаются отдельно, затем размещаются одна над другой на крестовине из текстолита или пластмассы (рис. 3). Для того, чтобы придать катушкам большую прочность в крестовинах ножовкой или напильником выпиливаются углубления. Для закрепления катушек одну из них сверху следует прижать второй крестовиной (без углублений), а вторую положить прямо на пластину из органического стекла, гетинакса или пластмассы, укрепленную на металлическом шасси генератора.
Рис. 3
Дроссель высокой частоты наматывается на керамическом или пластмассовом каркасе диаметром 30 мм проводом марки ПЭЛШО-0,25 мм. Намотка ведется внавал секциями по 100 витков в каждой. Всего дроссель имеет 300-500 витков. В данной конструкции применен самодельный силовой трансформатор, выполненный на сердечнике из пластин Ш-33, толщина набора 33 мм. Сетевая обмотка содержит 544 витка провода ПЭЛ-0,45. Сетевая обмотка рассчитана на включение в сеть с напряжением 127 B. В случае использования сети с напряжением 220 в обмотка I должна содержать 944 витка провода ПЭЛ-0,35. Повышающая обмотка имеет 2980 витков провода ПЭЛ-0,14 и накальная обмотка ламп - 30 витков провода ПЭЛ-1,0. Такой трансформатор можно заменить силовым трансформатором марки ЭЛС-2, используя только сетевую обмотку, накальную обмотку ламп и повышающую обмотку полностью, или же любым силовым трансформатором мощностью не менее 70 BA и с повышающей обмоткой, обеспечивающей при нагрузке 470 B на анодах ламп 6ПЗС.
Кварцедержатель изготавливается из бронзы по чертежу, помещенному на рис. 4. В корпусе с помощью сверла диаметром 3 мм просверливается Г-образное отверстие для вывода провода л, В корпус вставлено резиновое кольцо е, которое служит для амортизации и изоляции кварца. Кольцо можно вырезать из обычной резинки для стирания карандаша. Контактное кольцо б вырезается из латунной фольги толщиной 0,2 мм. Это кольцо имеет лепесток м для припаивания провода. Оба провода л и и должны иметь хорошую изоляцию. Провод и припаивается к опорному флянцу О. Не рекомендуется скручивать провода между собой.
Рис.4. Кварцедержатель
Линзовый сосуд состоит из цилиндра е и ультразвуковой линзы б (рис.5). Цилиндр выгибают из пластинки органического стекла толщиной 3 мм на круглом деревянном шаблоне диаметром 19 мм.
Рис.5. Линзовый сосуд
Пластину нагревают над пламенем до размягчения, изгибают по шаблону и склеивают уксусной эссенцией. Склеенный цилиндр связывают нитками и оставляют до высыхания на два часа. После этого наждачной бумагой выравнивают торцевые концы цилиндра и снимают нитки. Для изготовления ультразвуковой линзы б нужно сделать специальное приспособление (рис. 6) из стального шарика диаметром 18-22 мм от шарикового подшипника. Шарик следует отжечь, нагрев его до красного каления и медленно охладив. После этого в шарике просверливают отверстие диаметром 6 мм и нарезают внутреннюю резьбу. Для закрепления этого шарика в патроне сверлильного станка из прута нужно изготовить стержень с резьбой на одном конце.
Рис.6. Приспособление
Стержень с навинченным шариком зажимают в патрон станка, включают станок на средних оборотах и, вдавливая шарик в пластину органического стекла толщиной 10 - 12 мм, получают необходимое сферическое углубление. Когда шарик углубится на расстояние, равное его радиусу, сверлильный станок выключают и, не прекращая нажима на шарик, охлаждают его водой. В результате в пластине органического стекла получается сферическое углубление ультразвуковой линзы. Из пластины с углублением вырезают ножовкой квадрат со стороной 36 мм, выравнивают мелкозернистой наждачной бумагой образовавшийся вокруг углубления кольцевой выступ и стачивают снизу пластину так, чтобы в центре углубления осталось дно толщиной 0,2 мм. Затем отшлифовывают до прозрачности поцарапанные наждачной бумагой места и на токарном станке обрезают углы так, чтобы сферическое углубление осталось в центре пластины. С нижней стороны пластины необходимо сделать выступ высотой 3 мм и диаметром 23,8 мм для центровки линзы на кварцедержателе.
Обильно смочив уксусной эссенцией или дихлорэтаном один из торцовых концов цилиндра, приклеивают его на ультразвуковую линзу так, чтобы центральная ось цилиндра совпала с осью, проходящей через центр линзы. После высыхания в склееном сосуде просверливают три отверстия для подстроечных винтов. Вращать эти винты лучше всего с помощью специальной отвертки, изготовленной из обычной проволоки длиной 10-12 см и диаметром 1,5-2 мм и снабженной ручкой из изоляционного материала. После изготовления указанных деталей и монтажа генератора можно приступить к налаживанию прибора, которое обычно сводится к настройке контура L1C2 в резонанс с собственной частотой кварца. Кварцевую пластинку в (рис.4) следует вымыть с мылом в проточной воде и высушить. Контактное кольцо б сверху зачищают до блеска. Аккуратно накладывают кварцевую пластинку сверху контактного кольца и, капнув несколько капель трансформаторного масла на края пластинки, завинчивают крышку д, так, чтобы она прижала кварцевую пластинку. Для индикации ультразвуковых колебаний углубления а и г на крышке заполняют трансформаторным маслом или керосином. После включения питания и минутного прогрева вращают ручку настройки и добиваются резонанса между колебаниями генератора кварцевой пластинки. В момент резонанса наблюдается максимальное вспучивание жидкости, налитой в углублении на крышке. После настройки генератора можно приступить к демонстрации опытов.
Конструкция генератора.
Одна из наиболее эффективных демонстраций - это получение фонтана жидкости под действием ультразвуковых колебаний. Для того чтобы получить фонтан жидкости, нужно "линзовый" сосуд разместить поверх кварцедержателя так, чтобы между дном "линзового" сосуда и кварцевой пластиной не образовалось скопления воздушных пузырьков. Затем следует налить в линзовый сосуд обычной питьевой воды и через минуту после включения генератора на поверхности воды появится ультразвуковой фонтан. Высоту фонтана можно изменять с помощью подстроечных винтов, предварительно подстроив генератор с помощью конденсатора С2. При правильной настройке всей системы можно получить водяной фонтан высотой 30-40 см (рис.7).
Рис.7. Ультразвуковой фонтан.
Одновременно с появлением фонтана возникает водяной туман, являющийся результатом кавитационного процесса, сопровождающегося характерным шипением. Если в "линзовый" сосуд вместо воды налить трансформаторного масла, то фонтан по высоте заметно увеличивается. Непрерывное наблюдение фонтана можно вести до тех пор, пока уровень жидкости в "линзовом" сосуде не снизится до 20 мм. Для длительного наблюдения фонтана следует оградить его стеклянной трубкой Б, по внутренним стенкам которой фонтанирующая жидкость сможет стекать обратно.
При воздействии ультразвуковых колебаний на жидкость в ней образуются микроскопические пузырьки (явление кавитации), что сопровождается значительным повышением давления в месте образования пузырьков. Это явление приводит к разрушению частиц вещества или живых организмов, находящихся в жидкости. Если "в линзовый" сосуд с водой поместить маленькую рыбку или же дафний, то через 1-2 минуты облучения ультразвуком они погибнут. Проекция "линзового" сосуда с водой на экран дает возможность наблюдать последовательно все процессы этого опыта в большой аудитории (рис.8).
Рис.8. Биологическое действие ультразвуковых колебаний.
С помощью описываемого устройства можно демонстрировать применение ультразвука для очистки мелких деталей от загрязнения. Для этого в основание фонтана жидкости, помещают небольшую деталь (шестеренку от часов, кусочек металла и т.п.), обильно смазанную солидолом. Фонтан значительно уменьшится и может прекратиться вовсе, но загрязненная деталь постепенно очищается. Следует заметить, что очистка деталей ультразвуком требует применения более мощных генераторов, поэтому очистить всю загрязненную деталь за короткий отрезок времени нельзя и нужно ограничиться только очисткой нескольких зубьев.
Используя кавитационное явление, можно получить масляную эмульсию. Для этого в "линзовый" сосуд наливается вода и сверху добавляется немного трансформаторного масла. Чтобы избежать разбрызгивания эмульсии, нужно линзовый сосуд с содержимым накрыть стеклом. При включении генератора образуется фонтан воды и масла. Через 1-2 мин. облучения в линзовом сосуде образуется устойчивая эмульсия молочного цвета.
Известно, что распространение ультразвуковых колебаний в воде можно сделать видимым и наглядно продемонстрировать некоторые свойства ультразвука. Для этого необходима ванна с прозрачным и ровным дном и по возможности больших размеров, с высотой бортов не менее 5-6 см. Ванна размещается над отверстием в демонстрационном столе, так чтобы можно было осветить все прозрачное дно снизу. Для освещения хорошо использовать шестивольтовую автомобильную электрическую лампочку в качестве точечного источника света для проекции исследуемых процессов на потолок аудитории (рис.9).
Рис.9. Преломление и отражение ультразвуковых волн.
Можно применять и обычную лампочку освещения небольшой мощности. В ванну наливают воду так, чтобы кварцевая пластинка в кварцедержателе при вертикальном размещении погружалась в нее полностью. После этого можно включать генератор и, переводя кварцедержатель из вертикального положения в наклонное, наблюдать распространение ультразвукового луча в проекции на потолке аудитории. Кварцедержатель при этом можно держать за подведенные к нему провода л и ц или же предварительно закрепить в специальный держатель, с помощью которого можно плавно изменять соответственно углы падения ультразвукового луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Ультразвуковой луч наблюдается в виде светлых пятен, расположенных вдоль распространения ультразвуковых колебаний в воде. Размещая на пути распространения ультразвукового луча какое-либо препятствие, можно наблюдать отражение и преломление луча.
Описываемая установка позволяет проводить и другие опыты, характер которых зависит от изучаемой программы и оборудования учебного кабинета. В качестве нагрузки генератора можно включать пластинки из титаната бария и вообще любые пластинки, обладающие пьезоэффектом на частотах от 0,5 МГц до 4,5 МГц. При наличии пластин на другие частоты требуется изменить количество витков в катушках индуктивности (увеличивать для частот ниже 0,5 МГц и уменьшать для частот выше 4,5 МГц). При переделке колебательного контура и катушки обратной связи на частоты 15 кГц можно включать вместо кварца любой магнитострикционный преобразователь мощностью не более 60 ВА
Установка состоит из лабораторной стойки, ультразвукового генератора, высокоэффективного, высокодобротного магнитострикционного преобразователя и трех волноводов-излучателей (концентраторов) к преобразователю. имеет ступенчатую регулировку выходной мощности, 50%, 75%, 100% номинальной выходной мощности. Регулировка мощности и наличие в комплекте трех различных волноводов-излучателей (с коэффициентом усиления 1:0.5, 1:1 и 1:2) позволяет получить различную амплитуду ультразвуковых колебаний в исследуемых жидкостях и упругих средах, ориентировочно, от 0 до 80 мкм на частоте 22 кГц.
Многолетний опыт изготовления и продаж ультразвукового оборудования подтверждает осознанную необходимость в оснащении всех видов современного высокотехнологичного производства Лабораторными установками.
Получение нано-материалов и нано-структур, внедрение и развитие нано-технологий невозможно без применения ультразвукового оборудования.
С помощью данного ультразвукового оборудования возможно:
- получение нано-порошков металлов;
- использование при проведении работ с фуллеренами;
- исследование протекания ядерных реакций в условиях сильных ультразвуковых полей (холодный термояд);
- возбуждение сонолюминисценции в жидкостях, в исследовательских и промышленных целях;
- создание мелкодисперсных нормализованных прямых и обратных эмульсий;
- озвучивание древесины;
- возбуждение ультразвуковых колебаний в расплавах металлов для дегазации;
- и многое, многое другое.
Современные ультразвуковые диспергаторы с цифровыми генераторами серии И10-840
Ультразвуковая установка (диспергатор, гомогенизатор, эмульгатор) И100-840 предназначена для лабораторных исследований воздействия ультразвука на жидкие среды с цифровым управлением, с плавной регулировкой, с цифровым выбором рабочей частоты, с таймером, с возможностью подключения различных по частоте и мощности колебательных систем и записью параметров обработки в энергонезависимую память.
Установка может быть укомплектована ультразвуковыми магнитострикционными или пьезокермическими колебательными системами с рабочей частотой 22 и 44 кГц.
При необходимости возможно комплектование диспергатора колебательными системами на 18, 30, 88 кГц.
Ультразвуковые лабораторные установки (диспергаторы) используются:
- для лабораторных исследований влияния ультразвуковой кавитации на различные жидкости и помещенные в жидкость образцы;
- для растворения трудно или мало растворимых веществ и жидкостей в других жидкостях;
- для проведения испытаний различных жидкостей на кавитационную прочность. Например, для определения стабильности вязкости промышленных масел (см. ГОСТ 6794-75 на масло АМГ-10);
- для исследований изменения скорости пропитки волокнистых материалов под воздействием ультразвука и для улучшения пропитки волокнистых материалов различными наполнителями;
- для исключения агрегатирования минеральных частиц при гидросортировке (абразивные порошки, геомодификаторы, природные и искусственные алмазы и т. д.);
- для ультразвуковой отмывки сложных изделий автомобильной топливной аппаратуры, форсунок и карбюраторов;
- для исследований на кавитационную прочность деталей машин и механизмов;
- и в самом простом случае - как высоко интенсивная ультразвуковая моющая ванна. Осадок и отложения на лабораторной посуде и стекле удаляются или растворяются за считанные секунды.
Общие сведения
Установка ультразвуковая УЗУ-1,6-О предназначена для очистки металлических фильтроэлементов и фильтропакетов гидравлической топливной и масляной систем летательных аппаратов, авиационных двигателей и стендового оборудования от механических примесей, смолистых веществ и продуктов коксования масел.
На установке возможна очистка фильтропакетов из материала Х18 Н15-ПМ по технологии завода-изготовителя фильтропакетов.
Структура условного обозначения
УЗУ4-1,6-О:
УЗУ - установка ультразвуковая;
4 - исполнение;
1,6 - мощность колебательная номинальная, кВт;
О - очистка;
У, Т2 - климатическое исполнение и категория размещения
по ГОСТ 15150-69, температура окружающего воздуха
от 5 до 50°С. ї Окружающая среда - невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, не содержащая агрессивных паров, газов, способных нарушить нормальную работу установки.
Установка соответствует требованиям ТУ16-530.022-79.
Нормативно-технический документ
ТУ 16-530.022-79
Технические характеристики
Напряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, В - 380/220 Мощность потребляемая кВт, не более: без освещения и нагревателей - 3,7 с освещением и нагревателями - 12 Рабочая частота генератора, кГц - 18 Мощность генератора выходная, кВт - 1,6 КПД генератора, %, не менее - 45 Напряжение анодное генератора, В - 3000 Напряжение накала генераторных ламп, В - 6,3 Выходное напряжение генератора, В - 220 Ток подмагничивания, А - 18 Ток анодный, А - 0,85 Ток сеточный, А - 0,28 Количество ванн, шт - 2 Объем одной ванны, л, не менее - 20 Время нагрева моющего раствора в ваннах от 5 до 65°С без включения генератора, мин, не более: при работе на масле АМГ 10 - 20 при работе на водных растворах гексаметафосфата натрия, тринатрийфосфата и азотнокислого натрия или синвала - 35 Длительность непрерывной работы установки, ч, не более - 12 Охлаждение элементов установки воздушно-принудительное. Время ультразвуковой очистки одного фильтроэлемента, мин, не более - 10 Время развертывания установки в рабочее положение, мин, не более - 35 Время свертывания в походное положение, мин, не более - 15 Масса, кг, не более - 510
Гарантийный срок - 18 мес со дня ввода в эксплуатацию.
Конструкция и принцип действия
Конструкция ультразвуковой установки УЗУ4-1,6-О (см. рисунок) представляет собой передвижной контейнер, укомплектованный поблочно.
Общий вид и габаритные размеры ультразвуковой установки УЗУ4-1,6-О
Установка имеет две технологические ванны. Снабжены кареткой для вращения фильтров и переноса их из одной ванны в другую. В каждой ванне установлен магнитострикционный преобразователь типа ПМ1-1,6/18. Охлаждение преобразователя воздушное, генератор встроенный. В комплект поставки установки УЗУ4-1,6-О входят: установка ультразвуковая УЗУ-1,6-О, ЗИП (запасные части и принадлежности), 1 компл., комплект эксплуатационной документации, 1 компл.
Владельцы патента RU 2286216:
Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой очистки и обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции. Установка содержит ультразвуковой стержневой магнитострикционный преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя. В установку дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры. Ультразвуковая установка формирует в обрабатываемой жидкой среде двухчастотное акустическое поле, что обеспечивает повышение интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой очистки и обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции.
Известно устройство для введения ультразвуковых колебаний в жидкость (патент DE, №3815925, В 08 В 3/12, 1989) посредством ультразвукового датчика, который звукоизлучающим конусом при помощи герметично изолирующего фланца закреплен в зоне дна внутри ванны с жидкостью.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является ультразвуковая установка типа УЗВД-6 (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.169), содержащая стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя.
Недостаток выявленных известных ультразвуковых установок состоит в том, что рабочая камера имеет единственный источник ультразвуковых колебаний, которые передаются в нее от магнитострикционного преобразователя через торец волновода, механические свойства и акустические параметры которого определяют максимально допустимую интенсивность излучения. Зачастую получаемая интенсивность излучения ультразвуковых колебаний не может удовлетворить требованиям технологического процесса в отношении качества конечного продукта, что заставляет продлевать время обработки жидкой среды ультразвуком и приводит к снижению интенсивности технологического процесса.
Таким образом, выявленные в процессе патентного поиска ультразвуковые установки, аналог и прототип заявленного изобретения при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания ультразвуковой установки, осуществление которой обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Сущность изобретения заключается в том, что в ультразвуковую установку, содержащую стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры. Кроме того, эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений. При этом нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода. Причем поверхность излучающего торца акустического волновода выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя.
Технический результат достигается следующим образом. Стержневой ультразвуковой преобразователь является источником ультразвуковых колебаний, обеспечивающих необходимые параметры акустического поля в рабочей камере установки для выполнения технологического процесса, что обеспечивает интенсификацию и качество конечного продукта. Акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в обрабатываемую жидкую среду рабочей камеры. При этом герметичность и подвижность соединения обеспечивается благодаря тому, что у волновода излучающий конец присоединен к нижней части трубы рабочей камеры посредством эластичного уплотнительного кольца. Подвижность соединения обеспечивает возможность передачи механических колебаний от преобразователя через волновод в рабочую камеру, в жидкую обрабатываемую среду, возможность выполнения технологического процесса, а следовательно, получения требуемого технического результата.
Кроме того, в заявленной установке эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений в отличие от прототипа, в котором оно установлено в зоне пучности смещений. В результате в установке по прототипу уплотнительное кольцо демпфирует колебания и снижает добротность колебательной системы, а следовательно, снижает интенсивность технологического процесса. В заявленной установке уплотнительное кольцо установлено в зоне узла смещений, поэтому оно не оказывает влияния на колебательную систему. Это позволяет пропустить через волновод больше мощности по сравнению с прототипом и тем самым повысить интенсивность излучения, следовательно, интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта. Кроме того, поскольку в заявленной установке уплотнительное кольцо установлено в зоне узла, т.е. в зоне нулевых деформаций, оно не разрушается от колебаний, сохраняет подвижность соединения излучающего конца волновода с нижней частью трубы рабочей камеры, что позволяет сохранить интенсивность излучения. В прототипе уплотнительное кольцо установлено в зоне максимальных деформаций волновода. Поэтому кольцо постепенно разрушается от колебаний, что постепенно снижает интенсивность излучения, а затем нарушает герметичность соединения и нарушает работоспособность установки.
Использование кольцевого магнитострикционного излучателя позволяет реализовать большую мощность преобразования и значительную площадь излучения (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.34), а следовательно, позволяет обеспечить интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Поскольку труба выполнена цилиндрической, а введенный в установку магнитострикционный излучатель выполнен кольцевым, обеспечивается возможность напрессовки магнитопровода на наружную поверхность трубы. При подаче напряжения питания на обмотку магнитпровода в пластинах возникает магнитострикционный эффект, который приводит к деформации кольцевых пластин магнитопровода в радиальном направлении. При этом благодаря тому, что труба выполнена металлической, а магнитопровод акустически жестко напрессован на трубу, деформация кольцевых пластин магнитопровода трансформируется в радиальные колебания стенки трубы. В результате электрические колебания возбуждающего генератора кольцевого магнитострикционного излучателя преобразуются в радиальные механические колебания магнитострикционных пластин, а благодаря акустически жесткому соединению плоскости излучения магнитопровода с поверхностью трубы механические колебания передаются через стенки трубы в обрабатываемую жидкую среду. При этом источником акустических колебаний в обрабатываемой жидкой среде является внутренняя стенка цилиндрической трубы рабочей камеры. В результате в заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируется акустическое поле со второй резонансной частотой. При этом введение в заявленной установке кольцевого магнитострикционного излучателя увеличивает по сравнению с прототипом площадь излучающей поверхности: излучающая поверхность волновода и часть внутренней стенки рабочей камеры, на наружную поверхность которой напрессован кольцевой магнитострикционный излучатель. Увеличение площади излучающей поверхности повышает интенсивность акустического поля в рабочей камере и, следовательно, обеспечивает возможность интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Расположение нижнего торца магнитопровода кольцевого излучателя в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода является оптимальным вариантом, так как размещение его ниже излучающего конца волновода приводит к образованию мертвой (застойной) зоны для кольцевого преобразователя (кольцевой излучатель - труба). Размещение нижнего торца магнитопровода кольцевого излучателя выше излучающего конца волновода снижает КПД кольцевого преобразователя. Оба варианта приводят к снижению интенсивности воздействия суммарного акустического поля на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, к снижению интенсификации технологического процесса.
Поскольку излучающей поверхностью у кольцевого магнитострикционного излучателя является цилиндрическая стенка, то происходит фокусировка звуковой энергии, т.е. создается концентрация акустического поля по осевой линии трубы, на которую напрессован магнитопровод излучателя. Так как у стержневого ультразвукового преобразователя излучающая поверхность выполнена в виде вогнутой сферы, то эта излучающая поверхность также фокусирует звуковую энергию, но вблизи точки, которая лежит на осевой линии трубы. Таким образом, при различных фокусных расстояниях фокусы обеих излучающих поверхностей совпадают, концентрируя мощную акустическую энергию в малом объеме рабочей камеры. Поскольку нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода, у которого вогнутая сфера выпонена радиусом, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, точка фокусирования акустической энергии лежит на середине осевой линии трубы, т.е. в центре рабочей камеры установки концентрируется мощная акустическая энергия в малом объеме ("Ультразвук. Маленькая энциклопедия", главный ред. И.П.Голянина, М.: Советская энциклопедия, 1979, с.367-370). В области фокусировки акустических энергий обеих излучающих поверхностей интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду в сотни раз выше, чем в других областях камеры. Создается локальный объем с мощной интенсивностью воздействия полем. За счет локальной мощной интенсивности воздействия разрушаются даже труднообрабатываемые материалы. Кроме того, в этом случае от стенок отводится мощный ультразвук, что предохраняет стенки камеры от разрушения и загрязнения обрабатываемого материала продуктом разрушения стенок. Таким образом, выполнение поверхности излучающего торца акустического волновода вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Как было показано выше, в заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируется акустическое поле с двумя резонансными частотами. Первая резонансная частота определяется резонансной частотой стержневого магнитострикционного преобразователя, вторая - резонансной частотой кольцевого магнитострикционного излучателя, напрессованного на трубу рабочей камеры. Резонансная частота кольцевого магнитострикционного излучателя определяется из выражения lcp=λ=с/fрез, где lcp - длина средней линии магнитопровода излучателя, λ - длина волны в материале магнитопровода, с - скорость упругих колебаний в материале магнитопровода, fрез - резонансная частота излучателя (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.25). Иначе говоря, вторая резонансная частота установки определяется длиной средней линии кольцевого магнитопровода, которая в свою очередь обусловлена наружным диаметром трубы рабочей камеры: чем длиннее средняя линия магнитопровода, тем ниже вторая резонансная частота установки.
Наличие двух резонансных частот в заявленной установке позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта. Это объясняется следующим.
При воздействии акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникают акустические течения - стационарные вихревые потоки жидкости, возникающие в свободном неоднородном звуковом поле. В заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируются два вида акустических волн, каждая со своей резонансной частотой: цилиндрическая волна распространяется радиально от внутренней поверхности трубы (рабочей камеры), и плоская волна распространяется вдоль рабочей камеры снизу вверх. Наличие двух резонансных частот усиливает воздействие на обрабатываемую жидкую среду акустических течений, так как на каждой резонансной частоте образуются свои акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость. Это также приводит к возрастанию турбулентности акустических течений и к еще более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкости, что повышает интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду. В результате интенсифицируется технологический процесс без снижения качества конечного продукта.
Кроме того, под воздействием акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникает кавитация - образование разрывов жидкой среды там, где происходит местное понижение давления. В результате кавитации образуются парогазовые кавитационные пузырьки. Если акустическое поле слабое, пузырьки резонируют, пульсируют в поле. Если акустическое поле сильное, пузырек через период звуковой волны (идеальный случай) захлопывается, так как попадает в область высокого давления, создаваемого этим полем. Захлопываясь, пузырьки порождают сильные гидродинамические возмущения в жидкой среде, интенсивное излучение акустических волн и вызывают разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью. В заявленной установке акустическое поле мощнее по сравнению с акустическим полем установки по прототипу, что объясняется наличием в нем двух резонансных частот. В результате в заявленной установке вероятность захлопывания кавитационных пузырьков выше, что усиливает кавитационные эффекты и повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Чем ниже резонансная частота акустического поля, тем крупнее пузырек, так как период у низкой частоты большой и пузырьки успевают вырасти. Жизнь пузырька при кавитации - один период частоты. Захлопываясь, пузырек создает мощное давление. Чем больше пузырек, тем более высокое давлении создается при его захлопывании. В заявленной ультразвуковой установке благодаря двухчастотному озвучиванию обрабатываемой жидкости кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты. При очистке поверхностей или при обработке суспензии мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердых частиц и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, провоцируют образование новых микротрещин в твердых частицах, еще более ослабляя в них механические связи. Твердые частицы разрушаются.
При эмульгировании, растворении и смешивании большие пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. В результате повышается интенсификация технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
Кроме того, в заявленной установке в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами в обрабатываемой жидкой среде возникают биения, обусловленные наложением двух частот (принцип суперпозиций), которые вызывают резкое мгновенное возрастание амплитуды акустического давления. В такие моменты мощность удара акустической волны может в несколько раз превысить удельную мощность установки, что интенсифицирует технологический процесс и не только не снижает, а улучшает качество конечного продукта. Кроме того, резкое возрастание амплитуды акустического давления облегчает подвод кавитационных зародышей в зону кавитации; кавитация возрастает. Кавитационные пузырьки, формируясь в порах, неровностях, трещинах поверхности твердого тела, находящегося в суспензии, образуют локальные акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость во всех микрообъемах, что также позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленная ультразвуковая установка, за счет возможности формирования в обрабатываемой жидкой среде двухчастотного акустического поля, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта: результатов очистки поверхностей, диспергации твердых составляющих в жидкости, процесса эмульгации, перемешивания и растворения составляющих жидкой среды.
На чертеже изображена заявленная ультразвуковая установка. Ультразвуковая установка содержит ультразвуковой стержневой магнитострикционный преобразователь 1 с излучающей поверхностью 2, акустический волновод 3, рабочую камеру 4, магнитопровод 5 кольцевого магнитострикционного излучателя 6, эластичное уплотнительное кольцо 7, шпильку 8. В магнитопроводе 5 предусмотрены отверстия 9 для выполнения обмотки возбуждения (не показана). Рабочая камера 4 выполнена в виде металлической, например стальной, цилиндрической трубы. В примере выполнения установки волновод 3 выполнен в форме усеченного конуса, у которого излучающий конец 10 посредством эластичного уплотнительного кольца 7 герметично присоединен к нижней части трубы рабочей камеры 4, а приемный торец 11 по осевой соединен шпилькой 8 с излучающей поверхностью 2 преобразователя 1. Магнитопровод 5 выполнен в виде пакета магнитострикционных пластин, имеющих форму колец, и акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры 4; кроме того, магнитопровод 5 снабжен обмоткой возбуждения (не показана).
Эластичное уплотнительное кольцо 7 закреплено на излучающем конце 10 волновода 3 в зоне узла смещений. При этом нижний торец магнитопровода 5 кольцевого излучателя 6 расположен в одной плоскости с излучающим концом 10 акустического волновода 3. Причем поверхность излучающего торца 10 акустического волновода 3 выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода 5 кольцевого магнитострикционного излучателя 6.
В качестве стержневого ультразвукового преобразователя может быть использован, например, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь типа ПМС-15А-18 (БТ3.836.001 ТУ) или ПМС-15-22 9СЮИТ.671.119.003 ТУ). Если технологический процесс требует более высоких частот: 44 кГц, 66 кГц и т.д., то стержневой преобразователь выполняют на базе пьезокерамики.
Магнитопровод 5 может быть выполнен из материала с отрицательной стрикцией, например из никеля.
Ультразвуковая установка работает следующим образом. Подают напряжения питания на обмотки возбуждения преобразователя 1 и кольцевого магнитострикционного излучателя 6. Рабочую камеру 4 заполняют обрабатываемой жидкой средой 12, например, для выполнения растворения, эмульгирования, диспергирования или заполняют жидкой средой, в которую помещают детали для очистки поверхностей. После подачи напряжения питания в рабочей камере 4 в жидкой среде 12 формируется акустическое поле с двумя резонансными частотами.
Под воздействием формируемого двухчастотного акустического поля в обрабатываемой среде 12 возникают акустические течения и кавитация. При этом, как было показано выше, кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты.
В кавитирующей жидкой среде, например, при диспергировании или очистке поверхностей мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердой составляющей смеси и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, разбивают ослабленную изнутри частицу на мелкие фракции.
Кроме того, в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами возникают биения, приводящие к резкому мгновенному возрастанию амплитуды акустического давления (к акустическому удару), что приводит к еще более интенсивному разрушению наслоений на очищаемой поверхности и к еще большему измельчению твердых фракций в обрабатываемой жидкой среде при получении суспензии. Одновременно, наличие двух резонансных частот усиливает турбулентность акустических течений, что способствует более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды и более интенсивному разрушению твердых частиц как на поверхности детали, так и в суспензии.
При эмульгировании и растворении большие кавитационные пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких кавитационных пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. Ударная акустическая волна и повышенная турбулентность акустических течений, являющиеся результатами двухчастотного озвучивания обрабатываемой жидкой среды, также разрушают межмолекулярные связи и интенсифицируют процесс перемешивания среды.
В результате совместного воздействия перечисленных выше факторов на обрабатываемую жидкую среду выполняемый технологический процесс интенсифицируется без снижения качества конечного продукта. Как показали испытания, по сравнения с прототипом удельная мощность заявленного преобразователя в два раза выше.
Для усиления кавитационного воздействия в установке может быть предусмотрено повышенное статическое давление, которое может быть реализовано аналогично прототипу (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.169): система трубопроводов, связанных с внутренним объемом рабочей камеры; баллон со сжатым воздухом; предохранительный клапан и манометр. При этом рабочая камера должна быть снабжена герметичной крышкой.
1. Ультразвуковая установка, содержащая стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений.
3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода.
4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что поверхность излучающего торца акустического волновода выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя.
В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том числе и в состав многофункциональных аппаратов входят источник энергии (генератор) и ультразвуковая колебательная система.
УЗ колебательная система технологического назначения состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя).
В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты и создается знакопеременная механическая сила.
Согласующий элемент системы (пассивный концентратор) осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки и внутреннего активного элемента.
Рабочий инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него.
Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резонансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗ колебательной системы на резонансной частоте. Значения резонансной частоты УЗ колебательных систем должны быть пределах разрешенных диапазонов (для многофункциональных УЗ аппаратов это частота 22 ± 1,65 кГц).
Отношение накопленной в УЗ колебательной системе энергии к энергии, используемой для технологического воздействия за каждый период колебаний, называется добротностью колебательной системы. Добротность определяет максимальную амплитуду колебаний на резонансной частоте и характер зависимости амплитуды колебаний от частоты (т.е. ширину частотного диапазона).
Внешний вид типичной ультразвуковой колебательной системы показан на рисунке 2. Она состоит из преобразователя - 1, трансформатора (концентратора) - 2, рабочего инструмента - 3, опоры - 4 и корпуса - 5.
Рисунок 2 - Двухполуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих механических напряжений F
Распределение амплитуды колебаний А и сил (механических напряжений) F в колебательной системе имеет вид стоячих волн (при условии пренебрежения потерями и излучением).
Как видно из рисунка 2, существуют плоскости, в которых смещения и механические напряжения всегда равны нулю. Эти плоскости называются узловыми. Плоскости, в которых смещения и напряжения минимальны называются пучностями. Максимальные значения смещений (амплитуд) всегда соответствую в минимальным значениям механических напряжений и наоборот. Расстояния между двумя соседними узловыми плоскостями или пучностями всегда равны половине длины волны.
В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие акустическую и механическую связь её элементов. Соединения могут быть неразъемными, однако при необходимости смены рабочего инструмента соединения выполняются резьбовыми.
УЗ колебательная система вместе с корпусом, устройствами подвода питающего напряжения, и вентиляционными отверстиями выполняется обычно в виде отдельного узла. В дальнейшем, используя термин УЗ колебательная система, мы будем говорить обо всем узле в целом.
Используемая в многофункциональных УЗ аппаратах технологического назначения колебательная система должна удовлетворять ряду общих требований.
1) Работать в заданном частотном диапазоне;
2) Работать при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки;
3) Обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний;
4) Иметь максимально возможный коэффициент полезного действия;
5) Части УЗ колебательной системы, контактирующие с обрабатываемыми веществами должны обладать кавитационной и химической стойкостью;
6) Иметь жесткое крепление в корпусе;
7) Должна иметь минимальные габариты и вес;
8) Должны выполняться требования техники безопасности.
Ультразвуковая колебательная система, показанная на рисунке 2, является двух полуволновой колебательной системой. В ней преобразователь имеет резонансный размер, равный половине длины волны УЗ колебаний в материале преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний и согласования преобразователя с обрабатываемой средой используется концентратор, имеющий резонансный размер, соответствующий половине длины волны УЗ колебаний в материале концентратора.
Если показанная на рисунке 2 колебательная система выполнена из стали (скорость распространения УЗ колебаний в стали более 5000 м/с), то ее общий продольный размер соответствует L = С2p/w ~ 23 см.
Для выполнения требований высокой компактности и малого веса используются полуволновые колебательные системы, состоящие из четвертьволновых преобразователя и концентратора. Такая колебательная систем схематично показана на рисунке 3. Обозначения элементов колебательной системы соответствуют обозначениям на рисунке 3.
Рисунок 3 - Двухчетвертьволновая колебательная система
В этом случае удается обеспечить минимально возможные продольный размер и массу УЗ колебательной системы, а также уменьшить число механических соединений.
Недостатком такой колебательной системы является соединение преобразователя с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Однако этот недостаток удается частично устранить путем смещения активного элемента преобразователя от точки максимальных действующих напряжений.
Применение УЗ аппаратов
Мощный ультразвук уникальное экологически чистое средство стимуляции физико-химических процессов. Ультразвуковые колебания частотой 20 000 - 60 000 Герц и интенсивностью свыше 0,1 Вт./кв.см. могут вызывать необратимые изменения в среде распространения. Это предопределяет возможности практического использования мощного ультразвука в следующих областях.
Технологические процессы: переработка минерального сырья, обогащение и процессы гидрометаллургии руд металлов и т.д.
Нефтяная и газовая промышленность: рекуперация нефтяных скважин, экстракция вязкой нефти, процессы разделения в системе песок – тяжелая нефть, повышение жидкотекучести тяжелых нефтепродуктов и т.д.
Металлургия и машиностроение: рафинирование металлических расплавов, измельчение структуры слитка / отливки, обработка металлической поверхности для ее упрочнения и снятия внутренних напряжений, очистка внешних поверхностей и внутренних полостей деталей машин и т.д.
Химическая и биохимическая технологии: процессы экстракции, сорбции, фильтрации, сушки, эмульгирования, получения суспензий, смешения, диспергирования, растворения, флотации, дегазации, испарения, коагуляции, коалесценции, процессы полимеризации и деполимеризации, получение наноматериалов и т.д.
Энергетика: сжигание жидкого и твердого топлива, приготовление топливных эмульсий, производство биотоплива и т.д.
Сельское хозяйство, пищевая и легкая промышленность: процессы прорастания семян и роста растений, приготовлении пищевых добавок, кондитерской технологии, приготовлении алкогольных и безалкогольных напитков и т.д.
Коммунальное хозяйство: рекуперация водных скважин, подготовка питьевой воды, снятие отложений с внутренних стенок теплообменных аппаратов и т.д.
Защита окружающей среды: очистка сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, тяжелыми металлами, стойкими органическими соединениями, очистка загрязнённых почв, очистка промышленных газовых потоков и т.д.
Переработка вторичного сырья: девулканизация резины, очистка металлургической окалины от масляных загрязнений и т.д.
