Laboratórne ultrazvukové zariadenia. Typy a konštrukcie ultrazvukových čističiek. Technologické využitie ultrazvukovej kontroly

Článok popisuje návrh najjednoduchšej ultrazvukovej inštalácie určenej na demonštráciu experimentov s ultrazvukom. Inštalácia pozostáva z generátora ultrazvukových vibrácií, žiariča, zaostrovacieho zariadenia a niekoľkých pomocné zariadenia, umožňujúce demonštrovať rôzne experimenty, ktoré vysvetľujú vlastnosti a spôsoby aplikácie ultrazvukových vibrácií.

Pomocou najjednoduchšej ultrazvukovej inštalácie je možné ukázať šírenie ultrazvuku v rôznych prostrediach, odraz a lom ultrazvuku na rozhraní dvoch prostredí, absorpciu ultrazvuku v rôznych látkach. Okrem toho je možné ukázať výrobu olejových emulzií, čistenie kontaminovaných dielov, ultrazvukové zváranie, ultrazvukovú kvapalinovú fontánu, biologické účinky ultrazvukových vibrácií.

Výroba takejto inštalácie môže byť vykonaná v školských dielňach úsilím starších študentov.

Zostava na demonštráciu experimentov s ultrazvukom pozostáva z elektronického generátora (obr. 1), kremenného prevodníka elektrických vibrácií na ultrazvukové a šošovkovej nádoby (obr. 2) na zaostrovanie ultrazvuku. Súčasťou napájacieho zdroja je iba výkonový transformátor Tr1, keďže anódové obvody lámp generátora sú napájané priamo striedavým prúdom (bez usmerňovača). Toto zjednodušenie nemá nepriaznivý vplyv na prevádzku zariadenia a zároveň výrazne zjednodušuje jeho obvod a konštrukciu.

Elektronický generátor je vyrobený podľa push-pull obvodu na dvoch 6PZS svietidlách, zapojených podľa triódového obvodu (mriežky tienenia svietidiel sú spojené s anódami). V anódových obvodoch svietidiel je zahrnutý obvod L1C2, ktorý určuje frekvenciu generovaných kmitov a cievka je zahrnutá v mriežkových obvodoch. spätná väzba L2. V katódových obvodoch je zahrnutý malý odpor R1, ktorý do značnej miery určuje režim lámp.

Obr. Schematický diagram generátor

Vysokofrekvenčný signál je privádzaný do kremenného rezonátora cez blokovacie kondenzátory C4 a C5. Kremeň je umiestnený v utesnenom kremennom držiaku (obr. 2) a pripojený ku generátoru pomocou 1 m drôtov.

Ryža. 2. Nádoba na šošovku a držiak z kremeňa

Okrem uvažovaných detailov sú v obvode aj kondenzátory C1 a C3, ako aj tlmivka Dr1, cez ktorú je anódové napätie privádzané na anódy lámp. Táto tlmivka zabraňuje skratovaniu vysokofrekvenčného signálu cez kondenzátor C1 a medzizávitovú kapacitu výkonového transformátora.

Hlavnými domácimi časťami generátora sú cievky L1 a L2, vyrobené vo forme plochých špirál. Na ich výrobu je potrebné vystrihnúť drevenú šablónu. Z dosky šírky 25 cm sú vyrezané dva štvorce, ktoré slúžia ako líce šablóny. V strede každej líca by mali byť vytvorené otvory pre kovovú tyč s priemerom 10-15 mm a v jednej z líc vyrežte otvor alebo drážku šírky 3 mm na pripevnenie vedenia cievky. Z oboch koncov sa na kovovej tyči vyreže závit a medzi dve matice sa umiestnia lícnice vo vzdialenosti rovnajúcej sa priemeru navinutého drôtu. Na základe toho možno výrobu šablóny považovať za dokončenú a začať navíjať cievky.

Kovová tyč je na jednom konci upnutá vo zveráku, medzi lícami je položená prvá (vnútorná) drôtená cievka, po ktorej sú matice utiahnuté a navíjanie pokračuje. Cievka L1 má 16 závitov a cievka L2 má 12 závitov medeného drôtu s priemerom 3 mm. Cievky L1 a L2 sa vyrábajú samostatne, potom sa umiestňujú nad seba na priečnik z textolitu alebo plastu (obr. 3). Aby cievky získali väčšiu pevnosť, sú v priečnikoch vyrezané vybrania pomocou pílky alebo pilníka. Na zaistenie cievok by sa mala jedna z nich stlačiť zhora druhým krížom (bez zárezov) a druhá by mala byť umiestnená priamo na dosku z organické sklo, getinax alebo plast, namontovaný na kovovom šasi generátora.

Ryža. 3

Vysokofrekvenčná tlmivka je navinutá na keramickom alebo plastovom ráme s priemerom 30 mm s drôtom PELSHO-0,25 mm. Navíjanie sa vykonáva hromadne v sekciách po 100 otáčkach. Celkovo má sýtič 300-500 otáčok. V tomto prevedení je použitý domáci výkonový transformátor vyrobený na jadre z dosiek Sh-33, hrúbka súpravy je 33 mm. Sieťové vinutie obsahuje 544 závitov drôtu PEL-0,45. Sieťové vinutie je určené na pripojenie do siete s napätím 127 V. V prípade siete s napätím 220 V musí vinutie I obsahovať 944 závitov drôtu PEL-0,35. Zvyšovacie vinutie má 2980 otáčok drôtu PEL-0.14 a vinutie vlákna žiaroviek - 30 otáčok drôtu PEL-1.0. Takýto transformátor je možné nahradiť výkonovým transformátorom značky ELS-2 s použitím iba sieťového vinutia, vláknitého vinutia žiaroviek a zvyšovacieho vinutia úplne, alebo ľubovoľným výkonovým transformátorom s výkonom aspoň 70 VA a so stupňovitým vinutím, ktoré poskytuje pri zaťažení 470 V na anódach 6ПЗС lámp.

Držiak kremeňa je vyrobený z bronzu podľa výkresu na obr. 4. V tele sa vyvŕta vrtákom s priemerom 3 mm otvor v tvare L na vyvedenie drôtu l. Do telesa je vložený gumený krúžok e, ktorý slúži na tlmenie nárazov a izoláciu kremeňa. Prsteň je možné vystrihnúť z bežnej gumy na ceruzku. Sklzný krúžok b je vyrezaný z mosadznej fólie hrúbky 0,2 mm. Tento krúžok má očko na spájkovanie drôtu. Oba drôty a musia mať dobrú izoláciu. Drôt je tiež prispájkovaný k nosnej prírube O. Neodporúča sa skrúcať vodiče dohromady.

Obr. Držiak na kremeň

Nádoba šošovky pozostáva z valca e a ultrazvukovej šošovky b (obr. 5). Valec je ohýbaný z plexiskla s hrúbkou 3 mm na okrúhlej drevenej šablóne o priemere 19 mm.

Obr. Nádoba šošovky

Plech sa zahrieva nad plameňom do zmäknutia, vzorovo ohýba a zlepuje octovou esenciou. Zlepený valec sa zviaže niťami a nechá sa dve hodiny schnúť. Potom sa konce valca vyrovnajú brúsnym papierom a odstránia sa vlákna. Na výrobu ultrazvukovej šošovky b je potrebné vyrobiť špeciálny prístroj (obr. 6) z oceľovej guľôčky s priemerom 18-22 mm z guľôčkového ložiska. Guľa by mala byť žíhaná zahriatím na červené teplo a pomalým chladením. Potom sa do gule vyvŕta otvor s priemerom 6 mm a vyreže sa vnútorný závit. Na upevnenie tejto gule v skľučovadle vŕtačky musí byť z tyče vyrobená tyč so závitom na jednom konci.

Obr. Adaptácia

Do skľučovadla stroja sa upne tyč s naskrutkovanou guľôčkou, stroj sa zapne na strednú rýchlosť a zatlačením gule do plexiskla s hrúbkou 10-12 mm sa získa požadované guľové vybranie. Keď sa lopta prehĺbi o vzdialenosť rovnajúcu sa jej polomeru, vŕtačka vypnite a bez zastavenia tlaku na loptu ju ochlaďte vodou. Výsledkom je, že v organickej sklenenej doske sa získa sférická depresia ultrazvukovej šošovky. Z dosky s priehlbinou sa pílkou na železo vyreže štvorec so stranou 36 mm, prstencový výstupok vytvorený okolo priehlbiny sa zarovná jemnozrnným šmirgľovým papierom a platňa sa zospodu prebrúsi tak, aby dno s hrúbka 0,2 mm zostáva v strede vybrania. Potom sa miesta poškrabané brúsnym papierom prebrúsia do priehľadnosti a ďalej sústruh odrežte rohy tak, aby guľové vybranie zostalo v strede dosky. Na spodnej strane platničky je potrebné urobiť výstupok s výškou 3mm a priemerom 23,8mm na vycentrovanie šošovky na quartz držiaku.

Po hojnom navlhčení jedného z koncov valca octovou esenciou alebo dichlóretánom ho prilepte k ultrazvukovej šošovke tak, aby sa stredová os valca zhodovala s osou prechádzajúcou stredom šošovky. Po vysušení v zlepenej nádobe sa vyvŕtajú tri otvory pre nastavovacie skrutky. Najlepšie je otáčať tieto skrutky špeciálnym skrutkovačom vyrobeným z obyčajného drôtu s dĺžkou 10-12 cm a priemerom 1,5-2 mm a vybaveným rukoväťou z izolačného materiálu. Po výrobe týchto dielov a inštalácii generátora môžete začať s nastavovaním zariadenia, ktoré zvyčajne vedie k vyladeniu obvodu L1C2 na rezonanciu s prirodzenou frekvenciou kremeňa. Kremenná platňa v (obr. 4) by sa mala umyť mydlom v tečúcej vode a vysušiť. Kontaktný krúžok b je očistený zhora do lesku. Opatrne položte kremennú dosku na zberný krúžok a kvapnutím niekoľkých kvapiek transformátorového oleja na okraje platne priskrutkujte kryt d tak, aby pritlačil na kremennú dosku. Na indikáciu ultrazvukových vibrácií sú vybrania a a d na veku naplnené transformátorovým olejom alebo petrolejom. Po zapnutí napájania a minútovom zahrievaní otočte ladiacim gombíkom a dosiahnite rezonanciu medzi kmitmi generátora kremenných platní. V momente rezonancie sa pozoruje maximálne napučiavanie kvapaliny naliatej do vybrania na veku. Po nastavení generátora môžete začať predvádzať experimenty.

Dizajn generátora.

Jednou z najefektívnejších ukážok je vytvorenie fontány kvapaliny pod vplyvom ultrazvukových vibrácií. Na získanie fontány s kvapalinou je potrebné umiestniť nádobu „šošoviek“ nad kremenný držiak tak, aby sa medzi dnom nádoby „šošoviek“ a kremennou doskou netvorili žiadne vzduchové bubliny. Potom by ste mali do nádobky na šošovky naliať obyčajnú pitnú vodu a minútu po zapnutí generátora a ultrazvuková fontána... Výšku fontány je možné meniť pomocou nastavovacích skrutiek, po predchádzajúcom nastavení generátora pomocou kondenzátora C2. o správne nastavenie z celého systému si môžete zaobstarať vodnú fontánu s výškou 30-40 cm (obr. 7).

Obr. 7. Ultrazvuková fontána.

Súčasne s výskytom fontány vzniká vodná hmla, ktorá je výsledkom kavitačného procesu, sprevádzaného charakteristickým syčaním. Ak sa do nádoby „šošoviek“ namiesto vody naleje transformátorový olej, fontána sa výrazne zvýši. Nepretržité pozorovanie fontány sa môže vykonávať, kým hladina kvapaliny v nádobe "šošoviek" neklesne na 20 mm. Pre dlhodobé pozorovanie fontány ju treba chrániť sklenenou trubicou B, po vnútorných stenách ktorej môže tryskajúca kvapalina stekať späť.

Pri pôsobení ultrazvukových vibrácií na kvapalinu v nej vznikajú mikroskopické bublinky (jav kavitácie), čo je sprevádzané výrazným zvýšením tlaku v mieste tvorby bublín. Tento jav vedie k zničeniu častíc hmoty alebo živých organizmov v kvapaline. Ak umiestnite malú rybku alebo dafniu "do šošovkovej" nádoby s vodou, potom po 1-2 minútach ultrazvukového ožarovania zomrú. Premietanie „šošovkovej“ nádoby s vodou na plátno umožňuje sledovať postupne všetky procesy tohto zážitku vo veľkom publiku (obr. 8).

Obr. 8. Biologické pôsobenie ultrazvukových vibrácií.

Pomocou opísaného zariadenia je možné demonštrovať použitie ultrazvuku na čistenie malých častí od kontaminácie. Na tento účel sa do spodnej časti fontány s kvapalinou umiestni malá časť (hodinové koleso, kus kovu atď.), hojne namazaná tukom. Fontána sa výrazne zníži a môže sa úplne zastaviť, ale kontaminovaná časť sa postupne vyčistí. Treba si uvedomiť, že čistenie dielov ultrazvukom si vyžaduje použitie výkonnejších generátorov, preto nie je možné vyčistiť celý kontaminovaný diel v krátkom čase a je potrebné sa obmedziť len na čistenie niekoľkých zubov.

Pomocou javu kavitácie je možné získať olejovú emulziu. Za týmto účelom sa do nádoby "šošoviek" naleje voda a zhora sa pridá trochu transformátorového oleja. Aby ste zabránili vyšplechnutiu emulzie, prikryte nádobu na šošovky s obsahom sklom. Keď sa generátor zapne, vytvorí sa fontána vody a oleja. Po 1-2 minútach. ožiarením sa v cievke šošovky vytvorí stabilná mliečna emulzia.

Je známe, že šírenie ultrazvukových vibrácií vo vode je možné zviditeľniť a jasne demonštrovať niektoré vlastnosti ultrazvuku. To si vyžaduje vaňu s priehľadným a rovným dnom a čo najväčšiu, s výškou bočnice aspoň 5-6 cm.Vaňa sa umiestňuje nad otvor v predvádzacom stolíku, aby bolo možné zospodu osvetliť celé priehľadné dno . Na osvetlenie je dobré použiť šesťvoltovú autožiarovku ako bodový zdroj svetla na premietanie skúmaných procesov na strop publika (obr. 9).

Obr. 9. Lom a odraz ultrazvukových vĺn.

Môžete použiť aj obyčajnú žiarovku s nízkym výkonom. Voda sa naleje do kúpeľa tak, aby kremenná platňa v kremennom držiaku bola pri zvislom umiestnení v nej úplne ponorená. Potom môžete zapnúť generátor a posunutím držiaka kremeňa zo zvislej polohy do naklonenej polohy pozorovať šírenie ultrazvukového lúča v projekcii na strop hľadiska. V tomto prípade môže byť kremenný držiak držaný za k nemu pripojené vodiče l a c, alebo môže byť vopred upevnený v špeciálnom držiaku, pomocou ktorého môžete plynulo meniť uhly dopadu ultrazvukového lúča vo zvislej a horizontálne roviny, resp. Ultrazvukový lúč je pozorovaný vo forme svetelných škvŕn umiestnených pozdĺž šírenia ultrazvukových vibrácií vo vode. Umiestnením prekážky do dráhy šírenia ultrazvukového lúča možno pozorovať odraz a lom lúča.

Opísaná inštalácia umožňuje vykonávať ďalšie experimenty, ktorých povaha závisí od študovaného programu a vybavenia učebne. Ako záťaž generátora môžu byť zahrnuté doštičky z titaničitanu bárnatého a vo všeobecnosti akékoľvek platne s piezoelektrickým efektom pri frekvenciách od 0,5 MHz do 4,5 MHz. V prítomnosti dosiek pre iné frekvencie je potrebné zmeniť počet závitov v tlmivkách (zvýšenie pre frekvencie pod 0,5 MHz a zníženie pre frekvencie nad 4,5 MHz). Pri úprave oscilačného obvodu a spätnoväzbovej cievky na frekvenciu 15 kHz môžete namiesto kremeňa zapnúť akýkoľvek magnetostrikčný prevodník s výkonom nepresahujúcim 60 VA

Inštalácia pozostáva z laboratórneho stojana, ultrazvukového generátora, vysokoúčinného magnetostrikčného prevodníka vysokej kvality a troch vlnovodov-emitorov (koncentrátorov) k prevodníku. má stupňovitú reguláciu výstupného výkonu, 50%, 75%, 100% menovitého výstupného výkonu. Riadenie výkonu a prítomnosť troch rôznych vlnovodov v súprave (so ziskom 1: 0,5, 1: 1 a 1: 2) vám umožňuje získať rôzne amplitúdy ultrazvukových vibrácií v skúmaných kvapalinách a elastických médiách, približne od 0 do 80 mikrónov pri frekvencii 22 kHz.

Dlhoročné skúsenosti vo výrobe a predaji ultrazvukové zariadenie potvrdzuje vnímanú potrebu vybaviť všetky typy modernej high-tech výroby laboratórnymi zariadeniami.

Výroba nanomateriálov a nanoštruktúr, zavádzanie a vývoj nanotechnológií nie je možné bez použitia ultrazvukových zariadení.

Pomocou tohto ultrazvukového zariadenia je možné:

získavanie nanopráškov kovov;
použitie pri práci s fullerénmi;
skúmanie priebehu jadrových reakcií v podmienkach silných ultrazvukových polí (studená fúzia);
excitácia sonoluminiscencie v kvapalinách na výskumné a priemyselné účely;
tvorba jemne dispergovaných normalizovaných priamych a reverzných emulzií;
ozvučenie dreva;
budenie ultrazvukových vibrácií v tavenine kovov na odplynenie;
a mnoho mnoho ďalších.

Moderné ultrazvukové dispergátory s digitálnymi generátormi radu I10-840

Ultrazvuková inštalácia (disperzér, homogenizátor, emulgátor) I100-840 je určená na laboratórne štúdie účinku ultrazvuku na tekuté médiá s digitálnym ovládaním, s plynulým nastavením, s digitálnym výberom pracovnej frekvencie, s časovačom, s možnosťou na pripojenie oscilačných systémov rôznej frekvencie a výkonu a zaznamenávanie parametrov spracovania do energeticky nezávislej pamäte.

Inštaláciu je možné doplniť ultrazvukovými magnetostrikčnými alebo piezo-termálnymi vibračnými systémami s pracovnou frekvenciou 22 a 44 kHz.

V prípade potreby je možné dispergátor vybaviť oscilačnými systémami pre 18, 30, 88 kHz.

Ultrazvukové laboratórne zariadenia (dispergátory) sa používajú:

na laboratórne štúdie účinku ultrazvuková kavitácia na rôznych kvapalinách a vzorkách umiestnených v kvapaline;
rozpúšťať ťažko alebo málo rozpustné látky a kvapaliny v iných kvapalinách;
na testovanie rôznych kvapalín na kavitačnú pevnosť. Napríklad na stanovenie stability viskozity priemyselných olejov (pozri GOST 6794-75 pre olej AMG-10);
študovať zmeny v rýchlosti impregnácie vláknitých materiálov pod vplyvom ultrazvuku a zlepšiť impregnáciu vláknitých materiálov rôznymi plnivami;
vylúčiť agregáciu minerálnych častíc pri hydro-triedení (brúsne prášky, geomodifikátory, prírodné a umelé diamanty atď.);
na ultrazvukové čistenie zložitých produktov automobilových palivových zariadení, trysiek a karburátorov;
pre výskum kavitačnej pevnosti častí strojov a mechanizmov;
a v najjednoduchšom prípade - ako vysoko intenzívny ultrazvukový umývací kúpeľ. Sedimenty a usadeniny na skle a skle sa odstránia alebo rozpustia v priebehu niekoľkých sekúnd.

Všeobecné informácie

Ultrazvuková jednotka UZU-1,6-O je určená na čistenie kovových filtračných prvkov a filtračných súprav hydraulických palivových a olejových systémov lietadiel, leteckých motorov a lavicovej techniky od mechanických nečistôt, živicových látok a produktov koksovania ropy.
Jednotka dokáže čistiť filtračné vrecká z materiálu X18 N15-PM podľa technológie výrobcu filtračného vrecka.

Štruktúra symbolov

UZU4-1,6-O:
UZU - ultrazvuková inštalácia;
4 - prevedenie;
1,6 - menovitý oscilačný výkon, kW;
О - čistenie;
У, Т2 - klimatická modifikácia a kategória umiestnenia
podľa GOST 15150-69, teplota okolia
od 5 do 50 °C. ї Prostredie je nevýbušné, neobsahuje vodivý prach, neobsahuje agresívne výpary, plyny, ktoré môžu narušiť normálnu prevádzku inštalácie.
Inštalácia je v súlade s požiadavkami TU16-530.022-79.

Normatívny a technický dokument

TU 16-530.022-79

technické údaje

Napätie trojfázovej napájacej siete s frekvenciou 50 Hz, V - 380/220 Príkon, kW, nie viac: bez osvetlenia a ohrievačov - 3,7 s osvetlením a ohrievačmi - 12 Pracovná frekvencia generátora, kHz - 18 Výkon výkon generátora, kW - 1,6 Účinnosť generátora,%, nie menej - 45 Anódové napätie generátora, V - 3000 Vyhrievacie napätie žiaroviek generátora, V - 6,3 Výstupné napätie generátora, V - 220 Magnetizačný prúd, A - 18 Anódový prúd, A - 0,85 Mriežkový prúd, A - 0,28 Počet vaní, ks - 2 Objem jednej vane, l, nie menej - 20 Čas ohrevu pracieho roztoku v kúpeľoch od 5 do 65 ° С bez zapnutia generátora, min, nie viac: pri prevádzke na olej AMG 10 - 20 počas prevádzky na vodné roztoky hexametafosforečnanu sodného, fosforečnanu sodného a dusičnanu sodného alebo sinvalu - 35 Trvanie nepretržitej prevádzky zariadenia, h, nie viac - 12 Chladenie prvkov inštalácie je nútené vzduchom. čas ultrazvukové čistenie jedného filtračného prvku, min., nie viac - 10 Čas na vysunutie jednotky do prevádzkovej polohy, min., nie viac - 35 Čas návratu do zloženej polohy, min., nie viac - 15 Hmotnosť, kg, nie viac - 510
Záručná doba je 18 mesiacov od dátumu uvedenia do prevádzky.

Dizajn a princíp činnosti

Konštrukcia ultrazvukovej jednotky UZU4-1,6-O (pozri obrázok) je mobilný kontajner, zostavený v blokoch.

Celkový pohľad a rozmery ultrazvuková inštalácia UZU4-1,6-О
Závod má dva technologické kúpele. Vybavený vozíkom na otáčanie filtrov a ich prenášanie z jednej vane do druhej. V každej vani je inštalovaný magnetostrikčný prevodník typu PM1-1,6 / 18. Menič je chladený vzduchom, generátor je zabudovaný. Súčasťou dodávky jednotky UZU4-1,6-O je: ultrazvuková jednotka UZU-1,6-O, náhradné diely a príslušenstvo, 1 sada, sada prevádzkovej dokumentácie, 1 sada.

Držitelia patentu RU 2286216:

Vynález sa týka zariadení na ultrazvukové čistenie a spracovanie suspenzií vo výkonných akustických poliach, najmä na rozpúšťanie, emulgovanie, dispergovanie, ako aj zariadení na príjem a prenos mechanických vibrácií s využitím efektu magnetostrikcie. Inštalácia obsahuje ultrazvukový tyčový magnetostrikčný menič, pracovnú komoru vo forme kovovej valcovej rúrky a akustický vlnovod, ktorého vyžarovací koniec je hermeticky spojený s dnom valcovej rúrky pomocou elastického tesniaceho krúžku, a prijímací koniec tohto vlnovodu je akusticky pevne spojený s vyžarovacím povrchom ultrazvukového tyčového meniča... Do zariadenia je dodatočne zavedený prstencový magnetostrikčný žiarič, ktorého magnetický obvod je akusticky pevne nalisovaný na rúrku pracovnej komory. Ultrazvuková inštalácia tvorí v spracovávanom kvapalnom médiu dvojfrekvenčné akustické pole, ktoré poskytuje zvýšenie intenzifikácie technologického procesu bez zníženia kvality výsledného produktu. 3 C.p. f-ly, 1 dwg

Je známe zariadenie na zavádzanie ultrazvukových vibrácií do kvapaliny (DE patent č. 3815925, V 08 V 3/12, 1989) pomocou ultrazvukového snímača, ktorý je upevnený pomocou kužeľa vydávajúceho zvuk pomocou hermeticky izolujúcej príruby. v spodnej zóne vo vnútri kvapalného kúpeľa.

Najbližší technické riešenie k navrhovanému je ultrazvuková jednotka typ UZVD-6 (A.V. Donskoy, OKKeller, G.S. Kratysh "Ultrazvukové elektrotechnologické inštalácie", Leningrad: Energoizdat, 1982, s. 169), obsahujúci tyčový ultrazvukový menič, pracovnú komoru vyrobenú vo forme kovovej valcovej rúrky a akustický vlnovod, ktorého vysielací koniec je hermeticky spojený so spodnou časťou valcovej rúrky pomocou elastického tesniaceho krúžku a prijímací koniec tohto vlnovodu je akusticky pevne spojený s vysielacou plochou tyčového ultrazvukového meniča.

Nevýhodou identifikovaných známych ultrazvukových zariadení je, že pracovná komora má jediný zdroj ultrazvukových vibrácií, ktoré sú do nej prenášané z magnetostrikčného prevodníka cez koniec vlnovodu, ktorého mechanické vlastnosti a akustické parametre určujú maximálne prípustné vyžarovanie. intenzita. Prijímaná intenzita žiarenia ultrazvukových vibrácií často nedokáže uspokojiť požiadavky technologického procesu vo vzťahu ku kvalite finálneho produktu, čo si vyžaduje predĺženie času úpravy tekutého média ultrazvukom a vedie k zníženiu intenzita technologického procesu.

Ultrazvukové zariadenia, analógy a prototypy nárokovaného vynálezu identifikované v priebehu patentovej rešerše teda pri realizácii nezabezpečujú dosiahnutie technického výsledku, ktorý spočíva vo zvýšení intenzifikácie technologického procesu bez zníženia kvality konečný produkt.

Navrhovaný vynález rieši problém vytvorenia ultrazvukového zariadenia, ktorého realizácia zabezpečuje dosiahnutie technického výsledku, ktorý spočíva vo zvýšení intenzifikácie technologického procesu bez zníženia kvality finálneho produktu.

Podstata vynálezu spočíva v tom, že v ultrazvukovom zariadení obsahujúcom tyčový ultrazvukový menič, pracovnú komoru vo forme kovovej valcovej rúrky a akustický vlnovod, ktorého vysielací koniec je hermeticky spojený so spodnou časťou valcová rúrka pomocou elastického tesniaceho krúžku a prijímací koniec tohto vlnovodu je akusticky pevne spojený s vyžarovacím povrchom tyčového ultrazvukového meniča, navyše je zavedený prstencový magnetostrikčný žiarič, ktorého magnetický obvod je akusticky pevne pritlačený rúrka pracovnej komory. Okrem toho je k vyžarovaciemu koncu vlnovodu v oblasti posuvnej zostavy pripevnený elastický tesniaci krúžok. V tomto prípade je spodný koniec magnetického obvodu prstencového žiariča umiestnený v rovnakej rovine s vyžarujúcim koncom akustického vlnovodu. Okrem toho je povrch vyžarujúceho konca akustického vlnovodu vyrobený konkávne, sféricky, s polomerom gule, ktorý sa rovná polovici dĺžky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčného žiariča.

Technický výsledok sa dosiahne nasledovne. Tyčový ultrazvukový prevodník je zdrojom ultrazvukových vibrácií, ktoré poskytujú požadované parametre akustické pole v pracovnej komore zariadenia na vykonávanie technologického procesu, ktorý zabezpečuje zintenzívnenie a kvalitu finálneho produktu. Akustický vlnovod, ktorého vysielací koniec je hermeticky spojený so spodnou časťou valcovej rúrky a prijímací koniec tohto vlnovodu je akusticky pevne spojený s vyžarovacím povrchom ultrazvukového tyčového meniča, zabezpečuje prenos ultrazvukových vibrácií do spracované kvapalné médium pracovnej komory. V tomto prípade je tesnosť a pohyblivosť spojenia zabezpečená tým, že vyžarovací koniec vlnovodu je spojený so spodnou časťou rúrky pracovnej komory pomocou elastického tesniaceho krúžku. Pohyblivosť spoja poskytuje možnosť prenosu mechanických vibrácií z prevodníka cez vlnovod do pracovnej komory, do kvapalného spracovávaného média, možnosť vykonania technologického procesu a tým aj dosiahnutia požadovaného technického výsledku.

Okrem toho je v nárokovanej inštalácii elastický tesniaci krúžok upevnený na vyžarujúcom konci vlnovodu v zóne uzla posunu, na rozdiel od prototypu, v ktorom je inštalovaný v zóne antinódy posunu. Výsledkom je, že v prototypovej inštalácii O-krúžok tlmí vibrácie a znižuje Q-faktor vibračného systému, a preto znižuje intenzitu technologického procesu. V deklarovanej inštalácii je O-krúžok inštalovaný v oblasti výtlačnej jednotky, takže neovplyvňuje vibračný systém. To umožňuje preniesť cez vlnovod viac energie v porovnaní s prototypom a tým zvýšiť intenzitu žiarenia, teda zintenzívniť technologický proces bez zníženia kvality finálneho produktu. Navyše, keďže v nárokovanej inštalácii je O-krúžok inštalovaný v oblasti zostavy, t.j. v zóne nulových deformácií nekolabuje od vibrácií, zachováva pohyblivosť spojenia vyžarujúceho konca vlnovodu s dno potrubia pracovnej komory, čo umožňuje zachovať intenzitu žiarenia. V prototype je tesniaci krúžok inštalovaný v zóne maximálnej deformácie vlnovodu. Preto sa krúžok v dôsledku vibrácií postupne zrúti, čím sa postupne znižuje intenzita žiarenia a následne sa poruší tesnosť spojenia a naruší sa prevádzka inštalácie.

Použitie prstencového magnetostrikčného žiariča umožňuje realizovať vysoký konverzný výkon a značnú oblasť žiarenia (A.V. Donskoy, OK Keller, G.S. zintenzívnenie technologického procesu bez zníženia kvality konečného produktu.

Pretože rúrka je valcová a magnetostrikčný žiarič zavedený do inštalácie je vytvorený ako prstencový, je možné pritlačiť magnetické jadro na vonkajší povrch rúrky. Pri privedení napájacieho napätia na vinutie magnetického drôtu dochádza v doskách k magnetostrikčnému efektu, ktorý vedie k deformácii prstencových dosiek magnetického obvodu v radiálnom smere. V tomto prípade, v dôsledku skutočnosti, že rúrka je vyrobená z kovu a magnetický obvod je akusticky pevne nalisovaný na rúrku, sa deformácia prstencových dosiek magnetického obvodu premieňa na radiálne kmity steny rúrky. V dôsledku toho sa elektrické vibrácie budiaceho generátora prstencového magnetostrikčného žiariča premieňajú na radiálne mechanické vibrácie magnetostrikčných dosiek a v dôsledku akusticky tuhého spojenia roviny žiarenia magnetického obvodu s povrchom potrubia dochádza k mechanickému kmitaniu. prenášané cez steny potrubia do spracovávaného kvapalného média. V tomto prípade je zdrojom akustických vibrácií v spracovávanom kvapalnom médiu vnútorná stena valcovej rúrky pracovnej komory. V dôsledku toho sa v zariadení podľa nárokov v upravenom kvapalnom médiu vytvorí akustické pole s druhou rezonančnou frekvenciou. V tomto prípade sa zavedením prstencového magnetostrikčného žiariča do nárokovanej inštalácie zväčšuje v porovnaní s prototypom plocha vyžarovacieho povrchu: vyžarovací povrch vlnovodu a časť vnútornej steny pracovnej komory, na vonkajší povrch ktorého je nalisovaný prstencový magnetostrikčný žiarič. Zväčšenie plochy vyžarujúceho povrchu zvyšuje intenzitu akustického poľa v pracovnej komore, a preto umožňuje zintenzívniť technologický proces bez zníženia kvality finálneho produktu.

Umiestnenie spodného konca magnetického obvodu prstencového žiariča v rovnakej rovine s vyžarujúcim koncom akustického vlnovodu je najlepšia možnosť, keďže jeho umiestnenie pod vyžarujúcim koncom vlnovodu vedie k vytvoreniu mŕtvej (stagnujúcej) zóny pre prstencový menič (kruhový žiarič - rúrka). Umiestnenie spodného konca magnetického obvodu prstencového žiariča nad vyžarovací koniec vlnovodu znižuje účinnosť prstencového konvertora. Obe možnosti vedú k zníženiu intenzity vplyvu celkového akustického poľa na spracovávané kvapalné médium a následne k zníženiu intenzifikácie technologického procesu.

Keďže vyžarovacia plocha prstencového magnetostrikčného žiariča je valcová stena, je zvuková energia fokusovaná, t.j. koncentrácia akustického poľa sa vytvára pozdĺž axiálnej línie potrubia, na ktoré je natlačené magnetické jadro žiariča. Pretože vyžarovací povrch ultrazvukového tyčového meniča je vyrobený vo forme konkávnej gule, tento vyžarovací povrch tiež sústreďuje zvukovú energiu, ale blízko bodu, ktorý leží na stredovej osi potrubia. Pri rôznych ohniskových vzdialenostiach sa teda ohniská oboch vyžarovacích plôch zhodujú a sústreďujú silnú akustickú energiu v malom objeme pracovnej komory. Keďže spodný koniec magnetického obvodu prstencového žiariča je umiestnený v rovnakej rovine s vyžarovacím koncom akustického vlnovodu, v ktorom má konkávna guľa polomer rovný polovici dĺžky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčného žiariča, ohniskový bod akustickej energie leží v strede osovej línie potrubia, tzn v strede pracovnej komory inštalácie je v malom objeme sústredená silná akustická energia ("Ultrazvuk. Malá encyklopédia", šéfred. I.P. Golyanin, Moskva: Sovietska encyklopédia 367-370, 1979). V oblasti zaostrovania akustických energií oboch vyžarovacích plôch je intenzita pôsobenia akustického poľa na spracovávané kvapalné médium stonásobne vyššia ako v ostatných priestoroch komory. Vytvorí sa lokálny objem so silnou intenzitou vystavenia poľu. Vplyvom lokálnej mohutnej intenzity nárazu dochádza k zničeniu aj ťažko obrobiteľných materiálov. Okrem toho je v tomto prípade od stien odklonený výkonný ultrazvuk, ktorý chráni steny komory pred zničením a kontamináciou spracovávaného materiálu produktom deštrukcie steny. Tým, že povrch vyžarujúceho konca akustického vlnovodu je konkávny, sférický, s polomerom gule rovným polovici dĺžky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčného žiariča, zvyšuje intenzitu dopadu akustického poľa na spracovávané kvapalné médium. a preto zabezpečuje zintenzívnenie technologického procesu bez zníženia kvality finálneho produktu.

Ako je znázornené vyššie, v nárokovanej inštalácii sa v upravenom kvapalnom médiu vytvára akustické pole s dvoma rezonančnými frekvenciami. Prvá rezonančná frekvencia je určená rezonančnou frekvenciou tyčového magnetostrikčného meniča, druhá - rezonančnou frekvenciou prstencového magnetostrikčného žiariča pritlačeného na trubicu pracovnej komory. Rezonančná frekvencia prstencového magnetostrikčného žiariča sa určí z výrazu lcp = λ = c / fres, kde lcp je dĺžka stredovej čiary magnetického obvodu žiariča, λ je vlnová dĺžka v materiáli magnetického obvodu, c je rýchlosť elastických vibrácií v materiáli magnetického obvodu, fres je rezonančná frekvencia žiariča (A. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh "Ultrazvukové elektrotechnologické inštalácie", Leningrad: Energoizdat, 1982, s. 25). Inými slovami, druhá rezonančná frekvencia inštalácie je určená dĺžkou stredovej čiary prstencového magnetického obvodu, ktorá je zase určená vonkajším priemerom rúry pracovnej komory: čím dlhšia je stredová čiara magnetického obvodu. , čím nižšia je druhá rezonančná frekvencia inštalácie.

Prítomnosť dvoch rezonančných frekvencií v deklarovanej inštalácii umožňuje zintenzívniť technologický proces bez zníženia kvality konečného produktu. Toto je vysvetlené nasledovne.

Pôsobením akustického poľa v spracovávanom kvapalnom médiu vznikajú akustické toky - stacionárne vírivé toky kvapaliny, ktoré vznikajú vo voľnom nehomogénnom zvukovom poli. V deklarovanej inštalácii v spracovanom kvapalnom médiu sa vytvárajú dva typy akustických vĺn, z ktorých každá má svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu: valcová vlna sa šíri radiálne z vnútorný povrch potrubia (pracovná komora) a pozdĺž pracovnej komory sa zdola nahor šíri rovinná vlna. Prítomnosť dvoch rezonančných frekvencií zvyšuje účinok akustických tokov na spracovávané kvapalné médium, pretože pri každej rezonančnej frekvencii sa vytvárajú vlastné akustické toky, ktoré intenzívne premiešavajú kvapalinu. To vedie aj k zvýšeniu turbulencie akustických prúdov a k ešte intenzívnejšiemu premiešavaniu spracovávanej kvapaliny, čím sa zvyšuje intenzita pôsobenia akustického poľa na spracovávané kvapalné médium. Výsledkom je zintenzívnenie technologického procesu bez zníženia kvality konečného produktu.

Okrem toho vplyvom akustického poľa v spracovávanom kvapalnom médiu dochádza ku kavitácii - vzniku ruptúr kvapalného média kde dochádza k lokálnemu poklesu tlaku. V dôsledku kavitácie sa vytvárajú kavitačné bubliny pary a plynu. Ak je akustické pole slabé, bubliny rezonujú, pulzujú v poli. Ak je akustické pole silné, bublina sa po perióde zvukovej vlny zrúti (ideálny prípad), pretože spadne do oblasti vysokého tlaku vytvoreného týmto poľom. Bubliny pri kolapse spôsobujú silné hydrodynamické poruchy v kvapalnom prostredí, intenzívne vyžarovanie akustických vĺn a spôsobujú deštrukciu povrchov pevných látok hraničiacich s kavitujúcou kvapalinou. V nárokovanej inštalácii je akustické pole silnejšie ako akustické pole prototypovej inštalácie, čo sa vysvetľuje prítomnosťou dvoch rezonančných frekvencií v ňom. V dôsledku toho je v nárokovanej inštalácii vyššia pravdepodobnosť kolapsu kavitačných bublín, čo zosilňuje kavitačné účinky a zvyšuje intenzitu pôsobenia akustického poľa na spracovávané kvapalné médium, a preto poskytuje zintenzívnenie technologického procesu bez zníženie kvality konečného produktu.

Čím nižšia je rezonančná frekvencia akustického poľa, tým väčšia je bublina, pretože perióda pri nízkej frekvencii je veľká a bubliny majú čas narásť. Životnosť bubliny počas kavitácie je jedno frekvenčné obdobie. Keď sa bublina zrúti, vytvára silný tlak. Čím väčšia bublina, tým viac vysoký tlak vzniká pri zabuchnutí. V deklarovanej ultrazvukovej inštalácii sa v dôsledku dvojfrekvenčného ozvučenia spracovávanej kvapaliny líšia kavitačné bubliny vo veľkosti: väčšie sú výsledkom vystavenia kvapalnému médiu s nízkou frekvenciou a malé - s vysokou frekvenciou. Pri čistení povrchov alebo spracovaní suspenzie malé bublinky prenikajú do trhlín a dutín pevných častíc a pri zrážaní vytvárajú mikrošokové efekty, ktoré oslabujú integritu pevných častíc zvnútra. Väčšie bubliny, ktoré sa zrútia, vyvolávajú tvorbu nových mikrotrhliniek v pevných časticiach, čím ďalej oslabujú mechanické väzby v nich. Pevné častice sú zničené.

Pri emulgácii, rozpúšťaní a miešaní veľké bubliny ničia medzimolekulové väzby v zložkách budúcej zmesi, skracujú reťazce a vytvárajú podmienky pre malé bublinky na ďalšiu deštrukciu medzimolekulových väzieb. V dôsledku toho sa zvyšuje intenzifikácia technologického procesu bez zníženia kvality konečného produktu.

Okrem toho v nárokovanej inštalácii v dôsledku interakcie akustických vĺn s rôznymi rezonančnými frekvenciami v upravovanom kvapalnom médiu vznikajú údery v dôsledku superpozície dvoch frekvencií (princíp superpozície), ktoré spôsobujú prudký okamžitý nárast amplitúda akustického tlaku. V takýchto momentoch môže byť nárazový výkon akustickej vlny niekoľkonásobne vyšší ako merný výkon inštalácie, čo zintenzívňuje technologický proces a nielenže neznižuje, ale zlepšuje kvalitu konečného produktu. Okrem toho prudké zvýšenie amplitúdy akustického tlaku uľahčuje prívod kavitačných jadier do kavitačnej zóny; zvyšuje sa kavitácia. Kavitačné bubliny, tvoriace sa v póroch, nepravidelnosti, povrchové trhliny pevný v suspenzii tvoria lokálne akustické prúdy, ktoré intenzívne premiešavajú kvapalinu vo všetkých mikroobjemoch, čo zároveň umožňuje zintenzívniť technologický proces bez zníženia kvality výsledného produktu.

Z uvedeného teda vyplýva, že nárokovaná ultrazvuková inštalácia vzhľadom na možnosť vytvorenia dvojfrekvenčného akustického poľa v upravovanom kvapalnom médiu pri realizácii zabezpečuje dosiahnutie technického výsledku, ktorý spočíva vo zvýšení intenzifikácie technologický postup bez zníženia kvality výsledného produktu: výsledky čistenia povrchov, dispergovanie pevných zložiek v kvapaline, proces emulgácie, miešania a rozpúšťania zložiek tekutého média.

Na výkrese je znázornená deklarovaná ultrazvuková inštalácia. Ultrazvuková inštalácia obsahuje ultrazvukový tyčový magnetostrikčný menič 1 s vysielacou plochou 2, akustický vlnovod 3, pracovnú komoru 4, magnetické jadro 5 prstencového magnetostrikčného žiariča 6, elastický tesniaci krúžok 7, kolík 8. Otvory 9 sú poskytnuté v magnetickom jadre 5 na vykonávanie budiaceho vinutia (nezobrazené) ... Pracovná komora 4 je vyrobená vo forme kovovej, napríklad oceľovej, valcovej rúrky. V príklade inštalácie je vlnovod 3 vytvorený vo forme zrezaného kužeľa, v ktorom je vyžarovací koniec 10 pomocou elastického tesniaceho krúžku 7 hermeticky spojený so spodnou časťou rúrky pracovnej komory 4, a prijímací koniec 11 je axiálne spojený kolíkom 8 s vysielacou plochou 2 meniča 1. Magnetické jadro 5 vyrobené vo forme zväzku magnetostrikčných dosiek vo forme krúžkov a akusticky pevne nalisované na rúrku konvertora 1. pracovná komora 4; okrem toho je magnetický obvod 5 vybavený budiacim vinutím (nezobrazené).

Na vyžarujúcom konci 10 vlnovodu 3 je v oblasti posuvnej jednotky pripevnený elastický tesniaci krúžok 7. V tomto prípade je spodný koniec magnetického obvodu 5 prstencového žiariča 6 umiestnený v rovnakej rovine s vyžarovacím koncom 10 akustického vlnovodu 3. Okrem toho je povrch vyžarovacieho konca 10 akustického vlnovodu 3 vyrobený konkávne, guľovité, s polomerom gule rovným polovici dĺžky magnetického obvodu 5 prstencového magnetostrikčného žiariča 6.

Ako tyčový ultrazvukový prevodník je možné použiť napríklad ultrazvukový magnetostrikčný prevodník typu PMS-15A-18 (BT3.836.001 TU) alebo PMS-15-22 9SYUIT.671.119.003 TU. Ak technologický proces vyžaduje vyššie frekvencie: 44 kHz, 66 kHz atď., potom je tyčový menič založený na piezokeramike.

Magnetický obvod 5 môže byť vyrobený z materiálu s negatívnym zúžením, napríklad z niklu.

Ultrazvuková inštalácia funguje nasledovne. Na budiace vinutia meniča 1 a prstencového magnetostrikčného žiariča 6 sú privedené napájacie napätia. Pracovná komora 4 je naplnená kvapalným médiom 12, ktoré sa má upravovať napríklad na rozpúšťanie, emulgáciu, disperziu alebo tekuté médium, do ktorého sa umiestňujú diely na čistenie povrchov. Po privedení napájacieho napätia v pracovnej komore 4 sa v kvapalnom médiu 12 vytvorí akustické pole s dvoma rezonančnými frekvenciami.

Vplyvom vytvoreného dvojfrekvenčného akustického poľa v upravovanom médiu 12 vznikajú akustické toky a kavitácia. V tomto prípade, ako je uvedené vyššie, sa kavitačné bubliny líšia veľkosťou: väčšie sú výsledkom vystavenia kvapalnému médiu s nízkou frekvenciou a malé - s vysokou frekvenciou.

V kavitujúcom kvapalnom médiu, napríklad pri dispergovaní alebo čistení povrchov, malé bublinky prenikajú do trhlín a dutín tuhej zložky zmesi a pri zrážaní vytvárajú mikrošokové efekty, ktoré oslabujú celistvosť pevnej častice zvnútra. Bubliny väčšej veľkosti, ktoré sa zrútia, rozbijú časticu oslabenú zvnútra na malé frakcie.

Okrem toho v dôsledku interakcie akustických vĺn s rôznymi rezonančnými frekvenciami dochádza k úderom, ktoré vedú k prudkému okamžitému zvýšeniu amplitúdy akustického tlaku (k akustickému šoku), čo vedie k ešte intenzívnejšej deštrukcii vrstiev. na čistenom povrchu a k ešte väčšiemu rozdrveniu pevných frakcií v upravovanej kvapaline.médiu pri príjme suspenzie. Prítomnosť dvoch rezonančných frekvencií zároveň zosilňuje turbulenciu akustických tokov, čo prispieva k intenzívnejšiemu premiešavaniu spracovávaného kvapalného média a intenzívnejšej deštrukcii pevných častíc ako na povrchu dielca, tak aj v suspenzii.

Veľké kavitačné bubliny počas emulgácie a rozpúšťania ničia medzimolekulové väzby v zložkách budúcej zmesi, skracujú reťazce a vytvárajú podmienky pre malé kavitačné bubliny pre ďalšiu deštrukciu medzimolekulových väzieb. Akustická rázová vlna a zvýšená turbulencia akustických prúdov, ktoré sú výsledkom dvojfrekvenčného ozvučenia upravovaného kvapalného média, tiež ničia medzimolekulové väzby a zintenzívňujú proces miešania média.

V dôsledku kombinovaného pôsobenia vyššie uvedených faktorov na spracovávané kvapalné médium dochádza k zintenzívneniu vykonávaného technologického procesu bez zníženia kvality výsledného produktu. Ako ukázali testy, v porovnaní s prototypom je merný výkon reklamovaného meniča dvojnásobne vyšší.

Na zvýšenie kavitačného efektu v inštalácii je možné zabezpečiť zvýšený statický tlak, ktorý môže byť realizovaný podobne ako pri prototype (A.V. Donskoy, OKKeller, G.S. Kratysh "Ultrasonic Electrotechnological Installations", Leningrad: Energoizdat, 1982, s. 169) : systém potrubí spojených s vnútorným objemom pracovnej komory; valec na stlačený vzduch; poistný ventil a tlakomer. V tomto prípade musí byť pracovná komora vybavená utesneným krytom.

1. Ultrazvukové zariadenie obsahujúce tyčový ultrazvukový menič, pracovnú komoru vyrobenú vo forme kovovej valcovej rúrky a akustický vlnovod, ktorého vyžarovací koniec je hermeticky spojený s dnom valcovej rúrky pomocou elastického tesnenia prstenca a prijímací koniec tohto vlnovodu je akusticky pevne spojený s tyčovým ultrazvukovým meničom s vysielacou plochou, vyznačujúci sa tým, že do inštalácie je dodatočne zavedený prstencový magnetostrikčný žiarič, ktorého magnetický obvod je akusticky pevne pritlačený na rúrku pracovného komora.

2. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že elastický tesniaci krúžok je upevnený na vyžarujúcom konci vlnovodu v oblasti výtlačnej jednotky.

3. Zariadenie podľa nároku 2, vyznačujúce sa tým, že spodný koniec magnetického obvodu prstencového žiariča je umiestnený v rovnakej rovine s vyžarujúcim koncom akustického vlnovodu.

4. Zariadenie podľa nároku 3, vyznačujúce sa tým, že povrch vyžarovacieho konca akustického vlnovodu je vytvorený konkávne, sféricky, s polomerom gule rovným polovici dĺžky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčného žiariča.

Každý ultrazvukový technologický celok, vrátane multifunkčných zariadení, obsahuje zdroj energie (generátor) a ultrazvukový vibračný systém.

Ultrazvukový vibračný systém pre technologické účely pozostáva z prevodníka, prispôsobeného prvku a pracovného nástroja (emitor).

V prevodníku (aktívnom prvku) vibračného systému sa energia elektrických vibrácií premieňa na energiu elastických vibrácií ultrazvukovej frekvencie a vzniká striedavá mechanická sila.

Prispôsobovací prvok systému (pasívny koncentrátor) transformuje otáčky a zabezpečuje prispôsobenie vonkajšej záťaže a vnútorného aktívneho prvku.

Pracovný nástroj vytvára v spracovávanom objekte ultrazvukové pole alebo naň priamo pôsobí.

Najdôležitejšou charakteristikou ultrazvukových oscilačných systémov je rezonančná frekvencia. Je to spôsobené tým, že účinnosť technologických procesov je určená amplitúdou vibrácií (hodnoty vibračných posunov) a maximálne hodnoty amplitúd sa dosahujú, keď je ultrazvukový vibračný systém vybudený na rezonančnej frekvencii. . Hodnoty rezonančnej frekvencie ultrazvukových vibračných systémov musia byť v povolených rozsahoch (u multifunkčných ultrazvukových zariadení je to frekvencia 22 ± 1,65 kHz).

Pomer energie akumulovanej v ultrazvukovom oscilačnom systéme k energii použitej na technologický dopad pre každú periódu oscilácie sa nazýva faktor kvality oscilačného systému. Faktor kvality určuje maximálnu amplitúdu kmitov na rezonančnej frekvencii a charakter závislosti amplitúdy kmitov od frekvencie (t.j. šírky frekvenčného rozsahu).

Vzhľad Typický ultrazvukový vibračný systém je znázornený na obrázku 2. Pozostáva z meniča - 1, transformátora (koncentrátora) - 2, pracovného nástroja - 3, podpery - 4 a krytu - 5.

Obrázok 2 - Dvojpolvlnový oscilačný systém a rozdelenie amplitúd oscilácií A a pôsobiacich mechanických napätí F

Rozloženie amplitúdy kmitov A a síl (mechanických napätí) F v kmitacom systéme má podobu stojatých vĺn (za predpokladu, že sa zanedbá straty a žiarenie).

Ako je možné vidieť na obrázku 2, existujú roviny, v ktorých sú posuny a mechanické napätia vždy nulové. Tieto roviny sa nazývajú uzlové. Roviny, v ktorých sú posuny a napätia minimálne, sa nazývajú antinody. Maximálne hodnoty posunov (amplitúdy) vždy zodpovedajú minimálnym hodnotám mechanického namáhania a naopak. Vzdialenosti medzi dvoma susednými uzlovými rovinami alebo antinodami sa vždy rovnajú polovici vlnovej dĺžky.

V oscilačnom systéme sú vždy spojenia, ktoré zabezpečujú akustické a mechanické spojenie jeho prvkov. Spoje môžu byť jednodielne, ak je však potrebné vymeniť pracovný nástroj, spoje sú závitové.

Ultrazvukový oscilačný systém spolu s krytom, zariadeniami na napájanie napájacieho napätia a vetracími otvormi sa zvyčajne vykonáva ako samostatná jednotka. V nasledujúcom texte s použitím pojmu oscilačný systém USA budeme hovoriť o celej jednotke ako celku.

Oscilačný systém používaný v multifunkčných ultrazvukových zariadeniach na technologické účely musí spĺňať množstvo všeobecných požiadaviek.

1) Práca v danom frekvenčnom rozsahu;

2) Pracujte so všetkými možnými zmenami zaťaženia počas technologického procesu;

3) Poskytnite požadovanú intenzitu žiarenia alebo amplitúdu vibrácií;

4) Majú najvyššiu možnú účinnosť;

5) Časti ultrazvukového vibračného systému v kontakte so spracovávanými látkami musia mať kavitačnú a chemickú odolnosť;

6) Majte v puzdre pevný držiak;

7) musí mať minimálne rozmery a hmotnosť;

8) Musia byť splnené bezpečnostné požiadavky.

Ultrazvukový oscilačný systém znázornený na obrázku 2 je dvojvlnový oscilačný systém. V ňom má menič rezonančnú veľkosť rovnajúcu sa polovici vlnovej dĺžky ultrazvukových vibrácií v materiáli meniča. Na zvýšenie amplitúdy vibrácií a prispôsobenie prevodníka spracovávanému médiu sa používa koncentrátor, ktorý má rezonančnú veľkosť zodpovedajúcu polovici vlnovej dĺžky ultrazvukových vibrácií v materiáli koncentrátora.

Ak je oscilačný systém znázornený na obrázku 2 vyrobený z ocele (rýchlosť šírenia ultrazvukových vibrácií v oceli je viac ako 5000 m / s), potom jeho celková pozdĺžna veľkosť zodpovedá L = C2p / w ~ 23 cm.

Pre splnenie požiadaviek na vysokú kompaktnosť a nízku hmotnosť sa používajú polvlnové oscilačné systémy pozostávajúce zo štvrťvlnného meniča a koncentrátora. Takýto oscilačný systém je schematicky znázornený na obrázku 3. Označenia prvkov oscilačného systému zodpovedajú označeniam na obrázku 3.

Obrázok 3 - Dvojštvrťvlnový oscilačný systém

V tomto prípade je možné zabezpečiť minimálny možný pozdĺžny rozmer a hmotnosť ultrazvukového vibračného systému, ako aj znížiť počet mechanických spojení.

Nevýhodou takéhoto oscilačného systému je spojenie meniča s koncentrátorom v rovine najväčších mechanických namáhaní. Tento nedostatok je však možné čiastočne eliminovať posunutím aktívneho prvku meniča z miesta maximálnych prevádzkových napätí.

Aplikácia ultrazvukových prístrojov

Výkonný ultrazvuk je jedinečný ekologický prostriedok na stimuláciu fyzikálnych a chemických procesov. Ultrazvukové vibrácie s frekvenciou 20 000 - 60 000 Hertzov a intenzitou nad 0,1 W / cm2. môže spôsobiť nezvratné zmeny v distribučnom prostredí. To predurčuje možnosti praktické využitie výkonný ultrazvuk v nasledujúcich oblastiach.

Technologické procesy: spracovanie nerastných surovín, zušľachťovanie a procesy hydrometalurgie kovových rúd a pod.

Olej a plynárenský priemysel: ťažba ropných vrtov, ťažba viskóznej ropy, separačné procesy v systéme piesok - ťažký olej, zvyšovanie tekutosti ťažkých ropných produktov atď.

Hutníctvo a strojárstvo: zušľachťovanie taveniny kovov, drvenie štruktúry ingotu / odliatku, opracovanie kovového povrchu na jeho spevnenie a uvoľnenie vnútorných napätí, čistenie vonkajších povrchov a vnútorných dutín častí strojov atď.

Chemické a biochemické technológie: procesy extrakcie, sorpcie, filtrácie, sušenia, emulgácie, získavanie suspenzií, miešanie, dispergovanie, rozpúšťanie, flotácia, odplyňovanie, odparovanie, koagulácia, koalescencia, procesy polymerizácie a depolymerizácie, získavanie nanomateriálov atď.

Energia: spaľovanie kvapalín a tuhé palivo, príprava palivových emulzií, výroba biopalív a pod.

Poľnohospodárstvo, potravinárstvo a ľahký priemysel: procesy klíčenia semien a rast rastlín, príprava potravinárskych prísad, cukrárska technológia, príprava alkoholických a nealkoholických nápojov atď.

Komunálne služby: obnova studní, príprava pitnej vody, odstraňovanie usadenín z vnútorných stien tepelné výmenníky atď.

Ochrana životné prostredie: čistenie Odpadová voda kontaminované ropnými produktmi, ťažkými kovmi, perzistentnými organickými zlúčeninami, čistenie kontaminovaných pôd, čistenie priemyselných plynov atď.

Recyklácia druhotných surovín: devulkanizácia kaučuku, čistenie hutníckeho kameňa od kontaminácie ropnými látkami a pod.