Instalace se skládá z laboratorního stojanu, ultrazvukového generátoru, vysoce účinného kvalitního magnetostrikčního měniče a tří vlnovodných zářičů (koncentrátorů) k měniči. má stupňovité nastavení výstupního výkonu, 50 %, 75 %, 100 % jmenovitého výstupního výkonu. Nastavení výkonu a přítomnost tří různých vlnovodných zářičů (se ziskem 1:0,5, 1:1 a 1:2) umožňují získat různé amplitudy ultrazvukových vibrací ve zkoumaných kapalinách a elastických médiích, přibližně od 0 do 80 μm při frekvenci 22 kHz.

Dlouholeté zkušenosti s výrobou a prodejem ultrazvukových zařízení potvrzují vnímaná potřeba při vybavování všech typů moderní high-tech výroby laboratorními instalacemi.

Výroba nanomateriálů a nanostruktur, zavádění a vývoj nanotechnologií je nemožný bez použití ultrazvukového zařízení.

Pomocí tohoto ultrazvukového zařízení je možné:

• získávání kovových nanoprášků;
• použití při práci s fullereny;
• studium průběhu jaderných reakcí v podmínkách silných ultrazvukových polí (studená termojaderná fúze);
• buzení sonoluminiscence v kapalinách pro výzkumné a průmyslové účely;
• tvorba jemně dispergovaných normalizovaných přímých a reverzních emulzí;
• rýhovací dřevo;
• buzení ultrazvukových vibrací v roztavených kovech pro odplynění;
• a mnohem, mnohem víc.

Moderní ultrazvukové dispergátory s digitálními generátory řady I10-840

Ultrazvuková instalace (dispergátor, homogenizátor, emulgátor) ​​I100-840 je určena pro laboratorní studie účinků ultrazvuku na kapalná média s digitálním ovládáním, s plynulým nastavením, s digitální volbou pracovní frekvence, s časovačem, s možností připojit oscilační systémy různé frekvence a výkonu a zaznamenávat parametry zpracování do energeticky nezávislé paměti.

Instalace může být vybavena ultrazvukovými magnetostrikčními nebo piezocermickými oscilačními systémy s pracovní frekvencí 22 a 44 kHz.

V případě potřeby může být dispergátor vybaven oscilačními systémy na 18, 30, 88 kHz.

Ultrazvukové laboratorní jednotky (dispergátory) se používají:

• pro laboratorní studie vlivu ultrazvukové kavitace na různé kapaliny a vzorky umístěné v kapalinách;
• pro rozpouštění obtížně nebo špatně rozpustných látek a kapalin v jiných kapalinách;
• pro testování různých kapalin na kavitační pevnost. Například pro stanovení stability viskozity průmyslových olejů (viz GOST 6794-75 pro olej AMG-10);
• pro studie změn rychlosti impregnace vláknité materiály pod vlivem ultrazvuku a zlepšit impregnaci vláknitých materiálů různými plnivy;
• k zamezení agregace minerálních částic při hydrosortingu (brusné prášky, geomodifikátory, přírodní a umělé diamanty atd.);
• pro ultrazvukové čištění komplexních produktů automobilových palivových zařízení, vstřikovačů a karburátorů;
• pro výzkum kavitační pevnosti částí strojů a mechanismů;
• a v samotném jednoduchý případ- jako vysoce intenzivní ultrazvuková čistící lázeň. Sediment a usazeniny na laboratorním skle a skle jsou odstraněny nebo rozpuštěny během několika sekund.

Majitelé patentu RU 2286216:

Zařízení pro ultrazvukové čištění a zpracování suspenzí ve výkonných akustických polích Vynález se týká zařízení pro ultrazvukové čištění a zpracování suspenzí ve výkonných akustických polích, zejména pro rozpouštění, emulgaci, dispergaci, jakož i zařízení pro generování a přenos mechanických vibrací využívajících magnetostrikční efekt. Instalace obsahuje ultrazvukový tyčový magnetostrikční měnič, pracovní komoru vyrobenou ve formě kovové válcové trubky a akustický vlnovod, jehož vyzařovací konec je hermeticky spojen se spodní částí válcové trubky pomocí elastického těsnicího kroužku. a přijímací konec tohoto vlnovodu je akusticky pevně spojen s vyzařovacím povrchem ultrazvukového tyčového měniče. Do instalace je dodatečně zaveden prstencový magnetostrikční emitor, jehož magnetický obvod je akusticky pevně nalisován na trubku pracovní komory. Ultrazvuková instalace tvoří ve zpracovávaném kapalném médiu dvoufrekvenční akustické pole, které zajišťuje zvýšenou intenzifikaci technologického procesu bez snížení kvality výsledného produktu. 3 plat f-ly, 1 nemocný.

Zařízení pro ultrazvukové čištění a zpracování suspenzí ve výkonných akustických polích Vynález se týká zařízení pro ultrazvukové čištění a zpracování suspenzí ve výkonných akustických polích, zejména pro rozpouštění, emulgaci, dispergaci, jakož i zařízení pro generování a přenos mechanických vibrací využívajících magnetostrikční efekt.

Je známé zařízení pro zavádění ultrazvukových vibrací do kapaliny (patent DE, č. 3815925, B 08 B 3/12, 1989) pomocí ultrazvukového snímače, který je upevněn ke zvukovodu pomocí hermeticky uzavřené příruby na dně. oblast uvnitř lázně s kapalinou.

Nejbližší technické řešení Navržená je ultrazvuková instalace typu UZVD-6 (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh „Ultrazvukové elektrotechnologické instalace“, Leningrad: Energoizdat, 1982, str. 169), obsahující tyčový ultrazvukový měnič, pracovní komoru vyrobenou v r. ve tvaru kovové válcové trubky a akustického vlnovodu, jehož vyzařovací konec je hermeticky spojen se spodní částí válcové trubky pomocí elastického těsnicího kroužku a přijímací konec tohoto vlnovodu je akusticky pevně spojen s vlnovodem. vyzařovací povrch tyčového ultrazvukového měniče.

Nevýhodou identifikovaných známých ultrazvukových zařízení je to, že pracovní komora má jediný zdroj ultrazvukové vibrace, které jsou do něj přenášeny z magnetostrikčního měniče přes konec vlnovodu, jehož mechanické vlastnosti a akustické parametry určují maximální přípustnou intenzitu záření. Výsledná intenzita ultrazvukového vibračního záření často nemůže splňovat požadavky technologického procesu z hlediska kvality výsledného produktu, což nutí prodlužovat dobu úpravy kapalného média ultrazvukem a vede ke snížení intenzity technologický postup.

Ultrazvuková zařízení, analog a prototyp nárokovaného vynálezu identifikovaný při patentové rešerši, když jsou implementovány, nezaručují dosažení technického výsledku, který spočívá ve zvýšení intenzifikace technologického procesu bez snížení kvality konečného produktu. .

Navržený vynález řeší problém vytvoření ultrazvukového zařízení, jehož realizací je zajištěno dosažení technického výsledku spočívajícího ve zvýšení intenzifikace technologického procesu bez snížení kvality finálního produktu.

Podstata vynálezu spočívá ve skutečnosti, že ultrazvukové zařízení obsahující tyčový ultrazvukový měnič, pracovní komoru vytvořenou ve formě kovové válcové trubky a akustický vlnovod, jehož vyzařovací konec je hermeticky spojen se spodní částí válcová trubka pomocí elastického těsnicího kroužku a přijímací konec tohoto vlnovodu je akusticky pevně spojen s vyzařovací plochou tyčového ultrazvukového měniče je zaveden přídavný prstencový magnetostrikční emitor, jehož magnetický obvod je akusticky pevně přitlačen; na potrubí pracovní komory. Kromě toho je k vyzařujícímu konci vlnovodu v oblasti výtlačné jednotky připevněn elastický těsnicí kroužek. V tomto případě je spodní konec magnetického jádra prstencového zářiče umístěn ve stejné rovině s vyzařujícím koncem akustického vlnovodu. Kromě toho je povrch vyzařovacího konce akustického vlnovodu konkávní, sférický, s poloměrem koule rovným polovině délky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčního emitoru.

Technický výsledek je dosažen následovně. Tyčový ultrazvukový měnič je zdrojem ultrazvukových vibrací, které zajišťují potřebné parametry akustického pole v pracovní komoře zařízení pro provádění technologického procesu, který zajišťuje intenzifikaci a kvalitu finálního produktu. Akustický vlnovod, jehož vyzařovací konec je hermeticky spojen se spodní částí válcové trubky a přijímací konec tohoto vlnovodu je akusticky pevně spojen s vyzařovací plochou tyčového ultrazvukového měniče, zajišťuje přenos ultrazvukových vibrací do zpracovávané kapalné médium pracovní komory. V tomto případě je těsnost a pohyblivost spoje zajištěna tím, že vyzařovací konec vlnovodu je spojen se spodní částí trubky pracovní komory pomocí elastického těsnicího kroužku. Pohyblivost spoje zajišťuje možnost přenosu mechanických vibrací z měniče přes vlnovod do pracovní komory, do zpracovávaného kapalného média, schopnost provádět technologický proces a tím dosáhnout požadovaného technického výsledku.

Kromě toho je v nárokované instalaci elastický těsnicí kroužek upevněn na vyzařovacím konci vlnovodu v oblasti posuvného uzlu, na rozdíl od prototypu, ve kterém je instalován v oblasti posuvu. antinoda. Díky tomu v prototypové instalaci těsnící kroužek tlumí vibrace a snižuje jakostní faktor oscilačního systému, a proto snižuje intenzitu technologického procesu. V nárokované instalaci je těsnicí kroužek instalován v oblasti výtlačné jednotky, takže neovlivňuje oscilační systém. To umožňuje průchod více energie vlnovodem ve srovnání s prototypem a tím zvýšení intenzity záření, tedy zintenzivnění technologického procesu bez snížení kvality finálního produktu. Kromě toho, protože v nárokované instalaci je těsnicí kroužek instalován v oblasti sestavy, tj. v zóně nulových deformací se neničí vibracemi, zachovává pohyblivost spojení vyzařujícího konce vlnovodu s dno potrubí pracovní komory, což umožňuje zachování intenzity záření. V prototypu je těsnicí kroužek instalován v zóně maximální deformace vlnovodu. Proto je kroužek postupně ničen vibracemi, což postupně snižuje intenzitu záření a následně porušuje těsnost spoje a zhoršuje výkon instalace.

Použití prstencového magnetostrikčního zářiče umožňuje realizovat vysoký konverzní výkon a významnou oblast záření (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh „Ultrazvukové elektrotechnologické instalace“, Leningrad: Energoizdat, 1982, str. 34), a proto umožňuje intenzifikace technologického procesu bez snížení kvality finálního produktu.

Protože je trubka válcová a magnetostrikční emitor zavedený do instalace je vytvořen ve tvaru prstence, je možné přitlačit magnetický obvod na vnější povrch trubky. Při přivedení napájecího napětí na vinutí magnetického jádra dochází v deskách k magnetostrikčnímu efektu, který vede k deformaci prstencových desek magnetického jádra v radiálním směru. Navíc, vzhledem k tomu, že trubka je vyrobena z kovu a magnetický obvod je akusticky pevně přitlačen na trubku, deformace prstencových desek magnetického obvodu se transformuje na radiální vibrace stěny trubky. V důsledku toho se elektrické vibrace budícího generátoru prstencového magnetostrikčního emitoru přeměňují na radiální mechanické vibrace magnetostrikčních desek a díky akusticky tuhému spojení roviny záření magnetického obvodu s povrchem trubky se mechanická vibrace se přenášejí stěnami potrubí do zpracovávaného kapalného média. Zdrojem akustických vibrací ve zpracovávaném kapalném médiu je v tomto případě vnitřní stěna válcové trubky pracovní komory. V důsledku toho se v nárokované instalaci vytváří akustické pole s druhou rezonanční frekvencí ve zpracovávaném kapalném médiu. Navíc zavedení prstencového magnetostrikčního emitoru v nárokované instalaci zvětšuje plochu vyzařovací plochy ve srovnání s prototypem: vyzařovací plocha vlnovodu a část vnitřní stěny pracovní komory, na jejíž vnější plochu prstencový magnetostrikční emitor je stlačen. Zvětšením vyzařovací plochy se zvyšuje intenzita akustického pole v pracovní komoře a poskytuje se tak možnost zintenzivnění technologického procesu bez snížení kvality finálního produktu.

Umístění spodního konce magnetického jádra prstencového zářiče ve stejné rovině s vyzařujícím koncem akustického vlnovodu je nejlepší možnost, protože jeho umístění pod vyzařovací konec vlnovodu vede k vytvoření mrtvé (stagnacní) zóny pro prstencový měnič (kruhový zářič - trubka). Umístění spodního konce magnetického jádra prstencového emitoru nad vyzařovací konec vlnovodu snižuje účinnost prstencového měniče. Obě varianty vedou ke snížení intenzity dopadu celkového akustického pole na zpracovávané kapalné médium a následně ke snížení intenzifikace technologického procesu.

Protože vyzařovací plocha prstencového magnetostrikčního zářiče je válcová stěna, dochází k fokusaci zvukové energie, tzn. koncentrace akustického pole se vytváří podél středové osy trubky, na kterou je přitlačováno magnetické jádro emitoru. Protože vyzařovací povrch tyčového ultrazvukového měniče je vyroben ve formě konkávní koule, tento vyzařovací povrch také soustřeďuje zvukovou energii, ale blízko bodu, který leží na středové ose potrubí. Tedy pro různé ohniskové vzdálenosti ohniska obou vyzařovacích ploch se shodují a koncentrují silnou akustickou energii do malého objemu pracovní komory. Protože spodní konec magnetického jádra prstencového zářiče je umístěn ve stejné rovině s vyzařujícím koncem akustického vlnovodu, ve kterém má konkávní koule poloměr rovný polovině délky magnetického jádra prstencového magnetostrikčního zářiče, ohniskový bod akustické energie leží uprostřed osové linie potrubí, tzn. ve středu pracovní komory instalace je v malém objemu soustředěna silná akustická energie („Ultrasound. Malá encyklopedie“, šéfredaktor I.P. Golyanin, M.: Soviet Encyclopedia, 1979, s. 367-370). V oblasti zaměření akustických energií obou vyzařovacích ploch je intenzita dopadu akustického pole na zpracovávané kapalné médium stonásobně vyšší než v ostatních oblastech komory. Vytvoří se místní objem se silnou intenzitou expozice pole. Vlivem místní mohutné intenzity nárazu dochází k destrukci i obtížně zpracovatelných materiálů. Navíc je v tomto případě ze stěn odstraněn výkonný ultrazvuk, který chrání stěny komory před zničením a kontaminací zpracovávaného materiálu produktem destrukce stěn. Tím, že se povrch vyzařovacího konce akustického vlnovodu stane konkávní, sférický, s poloměrem koule rovným polovině délky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčního zářiče, zvýší se intenzita účinku akustického pole na zpracovávané kapalné médium, a proto zajišťuje intenzifikaci technologického procesu bez snížení kvality výsledného produktu.

Jak je znázorněno výše, v nárokované instalaci se ve zpracovávaném kapalném médiu vytváří akustické pole se dvěma rezonančními frekvencemi. První rezonanční frekvence je určena rezonanční frekvencí tyčového magnetostrikčního měniče, druhá - rezonanční frekvencí prstencového magnetostrikčního emitoru nalisovaného na trubku pracovní komory. Rezonanční frekvence prstencového magnetostrikčního zářiče se určí z výrazu lcp=λ=с/fres, kde lcp je délka středové osy magnetického jádra zářiče, λ je vlnová délka v materiálu magnetického jádra, c je rychlost pružných vibrací v materiálu magnetického jádra, fres je rezonanční frekvence zářiče (A. V. Donskoy, O. K. Keller, G. S. Kratysh „Ultrazvukové elektrotechnologické instalace“, Leningrad: Energoizdat, 1982, str. 25 ). Jinými slovy, druhá rezonanční frekvence instalace je určena délkou středové osy prstencového magnetického obvodu, která je zase určena vnějším průměrem trubky pracovní komory: čím delší je středová čára magnetického obvodu. , tím nižší je druhá rezonanční frekvence instalace.

Přítomnost dvou rezonančních frekvencí v nárokované instalaci umožňuje zintenzivnit technologický proces bez snížení kvality finálního produktu. To je vysvětleno následovně.

Při vystavení akustickému poli ve zpracovávaném kapalném médiu vznikají akustické toky - stacionární vírové toky kapaliny, které vznikají ve volném nehomogenním zvukovém poli. V nárokované instalaci se ve zpracovávaném kapalném médiu tvoří dva typy akustických vln, z nichž každá má svou vlastní rezonanční frekvenci: válcová vlna se šíří radiálně od vnitřní povrch potrubí (pracovní komora) a rovinná vlna se šíří pracovní komorou zdola nahoru. Přítomnost dvou rezonančních frekvencí zesiluje dopad akustických toků na zpracovávané kapalné médium, protože při každé rezonanční frekvenci se vytvářejí vlastní akustické toky, které intenzivně míchají kapalinu. To vede i ke zvýšení turbulence akustických proudění a k ještě intenzivnějšímu promíchávání upravované kapaliny, čímž se zvyšuje intenzita dopadu akustického pole na upravované kapalné médium. Díky tomu je technologický proces zintenzivněn, aniž by byla ohrožena kvalita konečného produktu.

Navíc vlivem akustického pole dochází ve zpracovávaném kapalném médiu ke kavitaci - vzniku trhlin v kapalném médiu, kde dochází k místnímu poklesu tlaku. V důsledku kavitace se tvoří kavitační bubliny pára-plyn. Pokud je akustické pole slabé, bubliny rezonují a pulsují v poli. Pokud je akustické pole silné, bublina se po určité době zvukové vlny zhroutí (ideální případ), když vstoupí do oblasti vysokého tlaku vytvořeného tímto polem. Když bubliny kolabují, generují silné hydrodynamické poruchy v kapalném prostředí, intenzivní vyzařování akustických vln a způsobují destrukci povrchů pevných těles hraničících s kavitující kapalinou. V nárokované instalaci je akustické pole silnější ve srovnání s akustickým polem prototypové instalace, což se vysvětluje přítomností dvou rezonančních frekvencí v něm. V důsledku toho je v nárokované instalaci vyšší pravděpodobnost kolapsu kavitačních bublin, což zesiluje kavitační účinky a zvyšuje intenzitu dopadu akustického pole na upravované kapalné médium, a proto zajišťuje zintenzivnění technologického procesu bez snížení kvality. konečného produktu.

Čím nižší je rezonanční frekvence akustického pole, tím větší je bublina, protože perioda nízké frekvence je velká a bubliny mají čas růst. Životnost bubliny během kavitace je jedna frekvenční perioda. Když se bublina zhroutí, vytvoří silný tlak. Čím větší bublina, tím více vysoký krevní tlak vzniká, když bouchne. V nárokovaném ultrazvukovém zařízení se v důsledku dvoufrekvenčního měření zpracovávané kapaliny kavitační bubliny liší velikostí: větší jsou důsledkem účinku nízké frekvence na kapalné médium a malé jsou výsledkem vystavení vysoké frekvenci. do kapalného média. Při čištění povrchů nebo při zpracování suspenze pronikají malé bublinky do prasklin a dutin pevných částic a při srážení vytvářejí mikroúdery, které oslabují integritu pevných částic zevnitř. Bubliny větší velikost Když se zaklapnou, vyvolávají tvorbu nových mikrotrhlin v pevných částicích, což dále oslabuje jejich mechanické vazby. Pevné částice se rozkládají.

Velké bubliny při emulgaci, rozpouštění a míchání ničí mezimolekulární vazby ve složkách budoucí směsi, zkracují řetězce a vytvářejí podmínky pro malé bublinky pro další destrukci mezimolekulárních vazeb. V důsledku toho se zvyšuje intenzifikace technologického procesu, aniž by byla ohrožena kvalita konečného produktu.

V nárokované instalaci navíc v důsledku interakce akustických vln s různými rezonančními frekvencemi ve zpracovávaném kapalném médiu vznikají díky superpozici dvou frekvencí (princip superpozice) údery, které způsobují prudký okamžitý nárůst amplitudy. akustického tlaku. V takových chvílích může být nárazová síla akustické vlny několikanásobně vyšší než měrný výkon instalace, což zintenzivňuje technologický proces a nejen že nesnižuje, ale zlepšuje kvalitu konečného produktu. Navíc prudké zvýšení amplitudy akustického tlaku usnadňuje přívod kavitačních jader do kavitační zóny; kavitace se zvyšuje. Kavitační bubliny tvořící se v pórech, nepravidelnostech a povrchových trhlinách solidní, umístěné v suspenzi, tvoří lokální akustické toky, které intenzivně promíchávají kapalinu ve všech mikroobjemech, což také umožňuje zintenzivnit technologický proces bez snížení kvality finálního produktu.

Z výše uvedeného tedy vyplývá, že reklamovaná ultrazvuková instalace díky možnosti vytvoření dvoufrekvenčního akustického pole v upravovaném kapalném médiu při realizaci zajišťuje dosažení technického výsledku spočívajícího ve zvýšení intenzifikace technologického procesu. bez snížení kvality konečného produktu: výsledky povrchového čištění, disperze pevných složek v kapalině, proces emulgace, míchání a rozpouštění složek kapalného média.

Výkres znázorňuje nárokovanou ultrazvukovou instalaci. Ultrazvuková instalace obsahuje ultrazvukový tyčový magnetostrikční měnič 1 s vyzařovací plochou 2, akustický vlnovod 3, pracovní komoru 4, magnetický obvod 5 prstencového magnetostrikčního zářiče 6, elastický těsnící kroužek 7, kolík 8. Magnetický obvod 5 má otvory 9 pro vytvoření budícího vinutí (neznázorněno). Pracovní komora 4 je vytvořena ve formě kovové, například ocelové, válcové trubky. V příkladu instalace je vlnovod 3 vytvořen ve formě komolého kužele, ve kterém je vyzařovací konec 10 hermeticky spojen se dnem trubky pracovní komory 4 pomocí elastického těsnicího kroužku 7 a přijímací konec 11 je axiálně spojen čepem 8 se vyzařovací plochou 2 měniče 1. Magnetické jádro 5 vytvořené ve formě svazku magnetostrikčních desek ve tvaru prstenců a akusticky pevně nalisované na trubku pracovní komory 4 ; Kromě toho je magnetický obvod 5 vybaven budicím vinutím (není znázorněno).

Elastický těsnicí kroužek 7 je upevněn na vyzařovacím konci 10 vlnovodu 3 v oblasti výtlačné jednotky. V tomto případě je spodní konec magnetického jádra 5 prstencového emitoru 6 umístěn ve stejné rovině s vyzařovacím koncem 10 akustického vlnovodu 3. Navíc je povrch vyzařovacího konce 10 akustického vlnovodu 3 vytvořen konkávní, kulový, s kulovým poloměrem rovným polovině délky magnetického jádra 5 prstencového magnetostrikčního emitoru 6.

Jako tyčový ultrazvukový měnič lze použít například ultrazvukový magnetostriktivní měnič typu PMS-15A-18 (BT3.836.001 TU) nebo PMS-15-22 9SYuIT.671.119.003 TU. Pokud technologický proces vyžaduje vyšší frekvence: 44 kHz, 66 kHz atd., pak je tyčový měnič založen na piezokeramice.

Magnetické jádro 5 může být vyrobeno z materiálu s negativním zúžením, například z niklu.

Ultrazvuková instalace funguje následovně. Napájecí napětí jsou přiváděna do budicích vinutí měniče 1 a prstencového magnetostrikčního emitoru 6. Pracovní komora 4 je naplněna kapalným médiem 12, které se zpracovává např. pro rozpouštění, emulgaci, disperzi nebo plnění kapalným médiem. do kterých se umisťují díly pro čištění povrchů. Po přivedení napájecího napětí v pracovní komoře 4 se v kapalném médiu 12 vytvoří akustické pole se dvěma rezonančními frekvencemi.

Vlivem generovaného dvoufrekvenčního akustického pole dochází ve zpracovávaném médiu 12 ke akustickým tokům a kavitaci. Současně, jak je ukázáno výše, kavitační bubliny se liší velikostí: větší jsou důsledkem dopadu nízkých frekvencí na kapalné médium a malé jsou výsledkem vysokých frekvencí.

V kavitujícím kapalném médiu, například při dispergování nebo čištění povrchů, pronikají malé bublinky do trhlin a dutin pevné složky směsi a při srážení vytvářejí mikroúdery, které oslabují integritu pevné částice zevnitř. Větší bubliny, kolabující, rozbíjejí částici, oslabenou zevnitř, na malé frakce.

Navíc v důsledku interakce akustických vln s různými rezonančními frekvencemi dochází k úderům vedoucím k prudkému okamžitému zvýšení amplitudy akustického tlaku (akustický šok), což vede k ještě intenzivnější destrukci vrstev na povrchu. čištění a k ještě většímu mletí pevných frakcí ve zpracovávaném prostředí při získání suspenze. Přítomnost dvou rezonančních frekvencí zároveň zesiluje turbulenci akustických toků, což přispívá k intenzivnějšímu promíchání zpracovávaného kapalného média a intenzivnější destrukci pevných částic jak na povrchu dílu, tak v suspenzi.

Velké kavitační bubliny při emulgaci a rozpouštění ničí mezimolekulární vazby ve složkách budoucí směsi, zkracují řetězce a vytvářejí podmínky pro malé kavitační bubliny pro další destrukci mezimolekulárních vazeb. Akustická rázová vlna a zvýšená turbulence akustických proudění, které jsou výsledkem dvoufrekvenční sonifikace zpracovávaného kapalného média, také ničí mezimolekulární vazby a zintenzivňují proces míchání média.

V důsledku kombinovaného vlivu výše uvedených faktorů na zpracovávané kapalné médium dochází k zintenzivnění prováděného technologického procesu bez snížení kvality výsledného produktu. Jak ukázaly testy, ve srovnání s prototypem je výkonová hustota deklarovaného měniče dvojnásobná.

Pro posílení kavitačního efektu lze v instalaci zajistit zvýšený statický tlak, který lze realizovat obdobně jako u prototypu (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh „Ultrasonic electrotechnological installations“, Leningrad: Energoizdat, 1982, str. 169) : soustava potrubí připojených k vnitřnímu objemu pracovní komory; válec na stlačený vzduch; pojistný ventil a tlakoměrem. V tomto případě musí být pracovní komora vybavena utěsněným víkem.

1. Ultrazvukové zařízení obsahující tyčový ultrazvukový měnič, pracovní komoru vyrobenou ve formě kovové válcové trubky a akustický vlnovod, jehož vyzařovací konec je hermeticky spojen se spodní částí válcové trubky pomocí elastické těsnící kroužek a přijímací konec tohoto vlnovodu je akusticky pevně spojen s vyzařovacím plošným tyčovým ultrazvukovým měničem, vyznačující se tím, že do instalace je dodatečně zaveden prstencový magnetostrikční emitor, jehož magnetický obvod je akusticky pevně přitlačen na trubku pracovní komora.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pružný těsnicí kroužek je upevněn na vyzařovacím konci vlnovodu v oblasti výtlačné jednotky.

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že spodní konec magnetického jádra prstencového zářiče je umístěn ve stejné rovině s vyzařovacím koncem akustického vlnovodu.

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že povrch vyzařovacího konce akustického vlnovodu je vytvořen konkávní, sférický, s poloměrem koule rovným polovině délky magnetického obvodu prstencového magnetostrikčního emitoru.

Tento způsob zpracování je založen na mechanickém působení na materiál. Ultrazvukové se mu říká proto, že frekvence dopadů odpovídá rozsahu neslyšitelných zvuků (f = 6-10 5 kHz).

Zvukové vlny jsou mechanické elastické vibrace, které se mohou šířit pouze v elastickém prostředí.

Když se zvuková vlna šíří v elastickém prostředí, hmotné částice provádějí kolem svých poloh pružné oscilace rychlostí nazývanou oscilační.

Kondenzace a řídnutí média v podélné vlně je charakterizována přebytkem, tzv. akustickým tlakem.

Rychlost šíření zvukové vlny závisí na hustotě prostředí, ve kterém se pohybuje. Zvuková vlna při šíření v hmotném prostředí nese energii využitelnou v technologických procesech.

Výhody ošetření ultrazvukem:

Možnost získávání akustické energie pomocí různých technických technik;

Široká škála aplikací ultrazvuku (od rozměrového zpracování po svařování, pájení atd.);

Snadná automatizace a ovládání;

nedostatky:

Zvýšené náklady na akustickou energii ve srovnání s jinými druhy energie;

Potřeba vyrábět generátory ultrazvukových vibrací;

Nutnost výroby speciální nástroje s speciální vlastnosti a tvar.

Ultrazvukové vibrace jsou doprovázeny řadou efektů, které mohou být použity jako základ pro vývoj různých procesů:

Kavitace, tedy tvorba bublin v kapalině a jejich praskání.

V tomto případě vznikají velké lokální okamžité tlaky, dosahující 10 8 N/m2;

Absorpce ultrazvukových vibrací látkou, ve které se část energie přemění na teplo a část se vynaloží na změnu struktury látky.

Tyto efekty se používají pro:

Separace molekul a částic různých hmotností v heterogenních suspenzích;

Koagulace (zvětšování) částic;

Dispergování (drcení) látky a její smíchání s ostatními;

Odplyňování kapalin nebo tavenin v důsledku tvorby velkých plovoucích bublin.

1.1. Prvky ultrazvukových zařízení

Jakákoli ultrazvuková instalace (USU) obsahuje tři hlavní prvky:

Zdroj ultrazvukových vibrací;

Akustický transformátor rychlosti (náboj);

Detaily uchycení.

Zdroje ultrazvukových vibrací (UV) mohou být dvojího druhu – mechanické a elektrické.

Mechanicky přeměňují mechanickou energii, například rychlost pohybu kapaliny nebo plynu. Patří mezi ně ultrazvukové sirény nebo píšťalky.

Elektrické zdroje ultrazvukového zkoušení transformace elektrická energie do mechanických elastických vibrací odpovídající frekvence. Převodníky jsou elektrodynamické, magnetostrikční a piezoelektrické.

Nejpoužívanější jsou magnetostrikční a piezoelektrické měniče.

Princip činnosti magnetostrikčních měničů je založen na podélném magnetostrikčním efektu, který se projevuje změnou délky kovového tělesa z feromagnetických materiálů (aniž by se změnil jejich objem) vlivem magnetické pole.

Magnetostriktivní účinek různé materiály jiný. Nikl a permendur (slitina železa a kobaltu) mají vysokou magnetostrikci.

Pouzdro magnetostrikčního měniče je jádro vyrobené z tenkých desek, na kterých je umístěno vinutí, které v něm budí střídavý proud. elektromagnetické pole vysoká frekvence.

Princip činnosti piezoelektrických měničů je založen na schopnosti některých látek měnit své geometrické rozměry (tloušťku a objem) v elektrickém poli. Piezoelektrický efekt je reverzibilní. Pokud je deska piezomateriálu vystavena tlakové nebo tahové deformaci, objeví se na jejích okrajích elektrické náboje. Pokud je piezoelektrický prvek umístěn v proměnné elektrické pole, pak se deformuje, vzrušující ultrazvukové vibrace v prostředí. Oscilační deska vyrobená z piezoelektrického materiálu je elektromechanický měnič.

Široce se používají piezoelementy na bázi baryum titanu a zirkoničitan-titan olovnatý.

Akustické transformátory rychlosti (koncentrátory podélných elastických kmitů) mohou mít jiný tvar(obr. 1.1).

Rýže. 1.1. Tvary nábojů

Slouží k přizpůsobení parametrů snímače zátěži, k uchycení oscilačního systému a k zavedení ultrazvukových vibrací do oblasti zpracovávaného materiálu. Tato zařízení jsou tyče různých průřezů, vyrobené z materiálů s odolností proti korozi a kavitaci, tepelnou odolností a odolností vůči agresivnímu prostředí.

1.2. Technologické využití ultrazvukové vibrace

V průmyslu se ultrazvuk používá ve třech hlavních oblastech: působení na materiál, intenzifikace a ultrazvukové řízení procesů.

Síla na materiál

Používá se pro mechanické zpracování tvrdých a supertvrdých slitin, výrobu stabilních emulzí atd.

Nejčastěji se používají dva typy ošetření ultrazvukem při charakteristických frekvencích 16–30 kHz:

Rozměrové zpracování na strojích pomocí nástrojů;

Čištění v lázních s tekutými prostředky.

Hlavním pracovním mechanismem ultrazvukového stroje je akustická jednotka (obr. 1.2). Je určen k uvedení pracovního nástroje do oscilačního pohybu. Akustická jednotka je napájena z generátoru elektrických oscilací (obvykle trubice), ke kterému je připojeno vinutí 2.

Hlavním prvkem akustické jednotky je magnetostrikční (nebo piezoelektrický) měnič energie elektrických vibrací na energii mechanických elastických vibrací - vibrátor 1.

Rýže. 1.2. Akustická jednotka ultrazvukové instalace

Vibrace vibrátoru, které se střídavě prodlužuje a zkracuje s ultrazvukovou frekvencí ve směru magnetického pole vinutí, jsou zesilovány koncentrátorem 4 připevněným na konci vibrátoru.

Ocelový nástroj 5 je připevněn k náboji tak, že mezi jeho koncem a obrobkem 6 je mezera.

Vibrátor je umístěn v ebonitovém pouzdru 3, do kterého je přiváděna tekoucí chladicí voda.

Nástroj musí mít tvar daného úseku díry. Z trysky 7 je do prostoru mezi koncem nástroje a povrchem obrobku přiváděna kapalina s drobnými zrnky brusného prášku.

Od kmitajícího konce nástroje získávají brusná zrna vysokou rychlost, narážejí na povrch součásti a vyrážejí z ní nejmenší třísky.

Přestože produktivita každého úderu je zanedbatelná, produktivita instalace je poměrně vysoká, což je způsobeno vysokou frekvencí vibrací nástroje (16–30 kHz) a velkým množstvím brusných zrn pohybujících se současně s velkým zrychlením.

Jakmile jsou vrstvy materiálu odstraněny, nástroj se automaticky posune.

Abrazivní kapalina je přiváděna do zóny zpracování pod tlakem a smývá odpad ze zpracování.

Pomocí ultrazvukové technologie můžete provádět operace jako děrování, sekání, vrtání, řezání, broušení a další.

K čištění povrchů se používají ultrazvukové vany (obr. 1.3). kovové části z korozních produktů, oxidových filmů, minerální oleje atd.

Provoz ultrazvukové lázně je založen na využití účinku lokálních hydraulických rázů, které vznikají v kapalině pod vlivem ultrazvuku.

Princip činnosti takové lázně je následující: obrobek (1) je ponořen do nádrže (4) naplněné tekutým pracím médiem (2). Emitorem ultrazvukových vibrací je membrána (5), spojená s magnetostrikčním vibrátorem (6) pomocí adhezivní kompozice (8). Vana je instalována na stojanu (7). Vlny ultrazvukových vibrací (3) se šíří v pracovní oblast kde se zpracování provádí.

Rýže. 1.3. Ultrazvuková lázeň

Ultrazvukové čištění je nejúčinnější při odstraňování nečistot z těžko přístupných dutin, prohlubní a malých kanálků. Navíc tento způsob umožňuje získat stabilní emulze takových nemísitelných látek obvyklými způsoby kapaliny jako je voda a olej, rtuť a voda, benzen a další.

Ultrazvukové zařízení je poměrně drahé, proto je ekonomicky výhodné používat ultrazvukové čištění malých dílů pouze v podmínkách hromadné výroby.

Intenzifikace technologických procesů

Ultrazvukové vibrace výrazně mění průběh některých chemických procesů. Například polymerace při určité intenzitě zvuku je intenzivnější. Při poklesu intenzity zvuku je možný opačný proces - depolymerizace. Proto se této vlastnosti využívá k řízení polymerační reakce. Změnou frekvence a intenzity ultrazvukových vibrací lze dosáhnout požadované reakční rychlosti.

V metalurgii vede zavádění pružných vibrací ultrazvukové frekvence do tavenin k výraznému zjemnění krystalů a urychlení tvorby nánosů při krystalizaci, snížení pórovitosti, zvýšení mechanických vlastností ztuhlých tavenin a snížení obsah plynu v kovech.

Ultrazvukové řízení procesu

Pomocí ultrazvukových vibrací můžete průběžně sledovat průběh technologického procesu bez laboratorní testy vzorky Za tímto účelem je závislost parametrů zvukové vlny na fyzikální vlastnosti prostředí a následně změnami těchto parametrů po působení na prostředí dostatečně přesně posoudit jeho stav. Zpravidla se používají ultrazvukové vibrace nízké intenzity.

Změnou energie zvukové vlny můžete řídit složení různých směsí, které nejsou chemickými sloučeninami. Rychlost zvuku v takových médiích se nemění a přítomnost suspendovaných nečistot ovlivňuje koeficient absorpce zvukové energie. To umožňuje určit procento nečistot ve výchozím materiálu.

Odrazem zvukových vln na rozhraní mezi médii („přenos“ ultrazvukovým paprskem) je možné určit přítomnost nečistot v monolitu a vytvořit ultrazvukové diagnostické přístroje.

Závěry: ultrazvuk jsou elastické vlny s frekvencí kmitání od 20 kHz do 1 GHz, pro lidské ucho neslyšitelné. Ultrazvukové instalace jsou široce používány pro zpracování materiálů kvůli vysokofrekvenčním akustickým vibracím.

Ultrazvukové čištění se provádí pomocí ultrazvukových instalací, které obvykle zahrnují jednu nebo více van a ultrazvukový generátor. Podle technologického určení rozlišují instalace univerzální a speciální. První jmenované se používají pro čištění široké škály dílů, především pro kusovou a hromadnou výrobu. V hromadné výrobě se používají speciální zařízení a často automatizované jednotky a výrobní linky.

Obrázek 28 – Vana pro ultrazvukové čištění typu UZV-0,4

Výkon univerzálních van se pohybuje od 0,1 do 10 kW a kapacita od 0,5 do 150 litrů. Vany s malým výkonem mají ve dně zabudované piezokeramické měniče, zatímco ty výkonné mají několik magnetostrikčních.

Ultrazvukové stolní vany UZU-0.1 jsou stejného typu; UZU-0,25 a UZU-0,4. Tyto lázně se častěji používají v laboratorních podmínkách a individuální výrobě; K jejich napájení se používají polovodičové generátory s výstupním výkonem 100, 250 a 400 W. Vany mají tělo obdélníkového tvaru a odnímatelný kryt. Piezokeramické měniče (typ PP1-0,1) jsou zabudovány do dna van v množství od jedné do tří, podle výkonu vany. Pro hromadné nakládání dílů jsou k dispozici síťové koše. Vany mají ve společném těle zabudované přihrádky pro oplach částí po čištění.

Na Obr. Obrázek 28 ukazuje ultrazvukovou stolní čistící lázeň typu UZV-0,4 pracující s generátorem UZGZ-0,4. Má válcové kovové zvukotěsné těleso 1 a kryt 3 spojený s tělesem závěsem a excentrickou svorkou 2 s rukojetí. Ke dnu pracovní části vany, což je rezonanční membrána, je připájen obal magnetostrikčního měniče. Jeho tělo má dvě trubky pro přívod a odvod tekoucí vodou, chlazení měniče. Fitinky těchto trubek jsou umístěny ve spodní části pouzdra pro snadné připojení hadic k nim. Na těle je pákový spínač pro zapnutí a vypnutí ultrazvukových vibrací na generátoru při instalaci mimo vanu. Nechybí ani madlo pro otevření odtoku mycí kapaliny a odpovídající armatura. Vana je vybavena košem pro nakládání dílů k čištění.

Obrázek 29 – Vana pro ultrazvukové čištění typu UZV-18M

Mezi univerzální čisticí lázně vyššího výkonu rozšířený obdržel vany typu RAS. Vany tohoto typu mají podobný design. Na Obr. 29 je znázorněna vana typu UZV-18M. Svařovaný rám 1 je vyroben ve zvukotěsném provedení. Uzavře se víkem 5 s protizávažím 4. Zvedání a spouštění víka se provádí ručně pomocí madel 6. Magnetostrikční měniče 8 typu PMS-6-22 jsou zabudovány ve dně 9 pracovní části vany (z 1. až čtyři v závislosti na síle lázně). Pro odsávání par mycí kapaliny jsou instalovány palubní kolektory s výstupním potrubím II, které je napojeno na ventilační systém workshopy Ve spodní části pracovní části je zabudován kohout pro vypouštění mycí kapaliny; rukojeť 19 ventilu je přivedena na přední stranu. Odvod potrubím 14 a 16 lze provést do usazovací nádrže, kanalizace nebo do nádrže 7 zabudované do vany. Aby se zabránilo přetečení pracovní části kapalinou, je zde odtokové potrubí.

Složení jakéhokoli ultrazvuku technologické instalace, včetně multifunkčních zařízení, která zahrnují zdroj energie (generátor) a ultrazvukový oscilační systém.

Ultrazvukový oscilační systém pro technologické účely se skládá z převodníku, přizpůsobovacího prvku a pracovního nástroje (emitoru).

V měniči (aktivním prvku) oscilačního systému se energie elektrických vibrací přeměňuje na energii elastických vibrací ultrazvukové frekvence a vzniká střídavá mechanická síla.

Odpovídající prvek systému (pasivní koncentrátor) provádí transformaci otáček a zajišťuje koordinaci vnější zátěže a vnitřního aktivního prvku.

Pracovní nástroj vytváří ve zpracovávaném předmětu ultrazvukové pole nebo jej přímo ovlivňuje.

Nejdůležitější charakteristika Ultrazvuk oscilačních systémů je rezonanční frekvence. To je způsobeno tím, že účinnost technologických procesů je dána amplitudou kmitů (hodnoty oscilačních posuvů) a maximálních hodnot amplitudy je dosaženo, když je ultrazvukový oscilační systém buzen na rezonanční frekvenci. Hodnoty rezonanční frekvence ultrazvukových oscilačních systémů musí být v povolených mezích (u multifunkčních ultrazvukových zařízení je to frekvence 22 ± 1,65 kHz).

Poměr energie akumulované v ultrazvukovém oscilačním systému k energii použité pro technologický dopad pro každou periodu oscilace se nazývá jakostní faktor oscilačního systému. Činitel kvality určuje maximální amplitudu kmitů na rezonanční frekvenci a charakter závislosti amplitudy kmitů na frekvenci (tj. šířce frekvenčního rozsahu).

Vzhled Typický ultrazvukový oscilační systém je znázorněn na obrázku 2. Skládá se z měniče - 1, transformátoru (koncentrátoru) - 2, pracovního nástroje - 3, podpěry - 4 a pouzdra - 5.

Obrázek 2 - Dvouvlnný oscilační systém a rozložení amplitud vibrací A a efektivních mechanických napětí F

Rozložení amplitudy kmitání A a sil (mechanických napětí) F v oscilačním systému má podobu stojatého vlnění (za předpokladu, že se zanedbá ztráty a záření).

Jak je vidět z obrázku 2, existují roviny, ve kterých jsou posunutí a mechanická napětí vždy nulová. Tyto roviny se nazývají uzlové roviny. Roviny, ve kterých jsou posunutí a napětí minimální, se nazývají antinody. Maximální hodnoty posuvů (amplitud) vždy odpovídají minimálním hodnotám mechanického namáhání a naopak. Vzdálenosti mezi dvěma sousedními uzlovými rovinami nebo antinodami jsou vždy rovné polovině vlnové délky.

Oscilační systém má vždy spojení, která zajišťují akustické a mechanické spojení jeho prvků. Spoje mohou být trvalé, ale v případě nutnosti výměny pracovního nástroje jsou spoje provedeny závitové.

Ultrazvukový oscilační systém spolu s pouzdrem, napájecími zdroji napětí a ventilační otvory se obvykle provádí jako samostatný uzel. V budoucnu, za použití termínu ultrazvukový oscilační systém, budeme hovořit o celé jednotce jako o celku.

Oscilační systém používaný v multifunkčních ultrazvukových zařízeních pro technologické účely musí splňovat řadu obecných požadavků.

1) Pracujte v daném frekvenčním rozsahu;

2) Pracujte se všemi možnými změnami zatížení během technologického procesu;

3) Poskytněte požadovanou intenzitu záření nebo amplitudu vibrací;

4) Mají nejvyšší možnou účinnost;

5) Části ultrazvukového oscilačního systému ve styku se zpracovávanými látkami musí mít kavitační a chemickou odolnost;

6) Mějte v těle pevný držák;

7) Musí mít minimální rozměry a hmotnost;

8) Musí být splněny bezpečnostní požadavky.

Ultrazvukový vibrační systém znázorněný na obrázku 2 je dvoupůlvlnný vibrační systém. V něm má měnič rezonanční velikost rovnající se polovině vlnové délky ultrazvukových vibrací v materiálu měniče. Pro zvýšení amplitudy kmitů a přizpůsobení převodníku zpracovávanému médiu se používá koncentrátor, který má rezonanční velikost odpovídající polovině vlnové délky ultrazvukových kmitů v materiálu koncentrátoru.

Pokud je oscilační systém znázorněný na obrázku 2 vyroben z oceli (rychlost šíření ultrazvukových vibrací v oceli je více než 5000 m/s), pak jeho celková podélná velikost odpovídá L = C2p/w ~ 23 cm.

Pro splnění požadavků na vysokou kompaktnost a nízkou hmotnost se používají půlvlnné oscilační systémy skládající se z čtvrtvlnného měniče a koncentrátoru. Takový oscilační systém je schematicky znázorněn na obrázku 3. Označení prvků oscilačního systému odpovídá označení na obrázku 3. Obr.

Obrázek 3 - Dvoučtvrtvlnný oscilační systém

V tomto případě je možné zajistit minimální možnou podélnou velikost a hmotnost ultrazvukového oscilačního systému a také snížit počet mechanických spojení.

Nevýhodou takového oscilačního systému je napojení měniče na koncentrátor v rovině největšího mechanického namáhání. Tento nedostatek však lze částečně odstranit posunutím aktivního prvku měniče z místa maximálního efektivního namáhání.

Aplikace ultrazvukových přístrojů

Výkonný ultrazvuk je jedinečný ekologický prostředek pro stimulaci fyzikálních a chemických procesů. Ultrazvukové vibrace s frekvencí 20 000 - 60 000 Hertzů a intenzitou přes 0,1 W/cm2. může způsobit nevratné změny v distribučním prostředí. To předurčuje možnosti praktického využití výkonného ultrazvuku v následujících oblastech.

Technologické procesy: zpracování nerostných surovin, obohacování a procesy hydrometalurgie kovových rud atd.

Ropný a plynárenský průmysl: využití ropné vrty, těžba viskózní ropy, separační procesy v systému písek-těžká ropa, zvyšování tekutosti těžkých ropných produktů atd.

Hutnictví a strojírenství: zušlechťování kovových tavenin, broušení struktury ingotu/odlitku, zpracování kovového povrchu pro jeho zpevnění a uvolnění vnitřních pnutí, čištění vnějších povrchů a vnitřních dutin strojních součástí atd.

Chemické a biochemické technologie: procesy extrakce, sorpce, filtrace, sušení, emulgace, získávání suspenzí, míchání, dispergace, rozpouštění, flotace, odplyňování, odpařování, koagulace, koalescence, polymerační a depolymerizační procesy, získávání nanomateriálů atd.

Energie: spalování kapalin a tuhé palivo, příprava palivových emulzí, výroba biopaliv atd.

Zemědělství, potravinářský a lehký průmysl: procesy klíčení semen a růst rostlin, příprava potravinářských přísad, cukrářská technologie, příprava alkoholických a nealkoholických nápojů atd.

Inženýrské sítě: rekuperace studny, příprava pitná voda odstraňování usazenin z vnitřních stěn výměníků tepla atd.

Ochrana prostředí: úklid odpadní voda znečištěné ropnými produkty, těžkými kovy, perzistentní organické sloučeniny, čištění kontaminovaných zemin, čištění proudů průmyslových plynů atd.

Zpracování druhotných surovin: devulkanizace kaučuku, čištění hutních okují od ropných nečistot atd.