Ультразвуковые колебательные системы для ускорения процессов в газвых средах
Известно, что для реализации процессов в газовых средах (сушки, пеногашения и др.), необходимо обеспечить ультразвуковое воздействие с интенсивностью более 130–140 дБ [7]. Различие акустических сопротивлений металлов и воздуха не позволяет создавать в воздухе плоские или сферические волны с уровнем звукового давления свыше 115–125 дБ с помощью описанных ранее излучателей. Одним из известных способов создания в воздушной среде акустических колебаний с уровнем звукового давления более 130–140 дБ [7] при использовании пьезоэлектрических излучателей является фокусировка (концентрирование) менее интенсивных колебаний на локализованном участке. Для фокусировки акустических колебаний в воздушной среде используются зеркальные, линзовые или фазированные системы. Последние представляют наибольший интерес, поскольку имеют простую конструкцию и небольшие габариты. Принцип работы такого излучателя показан на рисунке 6.10.Поверхность твердого тела (пластины) совершает изгибные колебания, причем распределение амплитуд колебательных смещений вдоль радиуса пластины имеет вид стоячих волн. Каждая точка колеблющейся поверхности излучает в воздушную среду акустическую волну. Уровень звукового давления в фокусе превышает 200 дБ, а вокруг фокуса образуются поверхности равных фаз, где уровень давления превышает 130–150 дБ.
a) – длина акустической волны в воздушной среде;
б) – волны изгибных колебаний в твердом теле
Рисунок 6.10 – Схематичное изображение, поясняющее принцип работы
фазированного фокусирующего излучателя
Для реализации активного акустического воздействия на газовые среды был спроектирован новый тип излучателя [31], реализующего указанный выше принцип. Внешний вид излучателя показан на рисунке 6.11.
|
|
|
a) – вид со стороны колебательной системы;
б) – вид сбоку;
в) – вид на излучающую поверхность
1 – диск; 2 – фазовыравнивающие канавки; 3 – колебательная система
Рисунок 6.11 – Пьезоэлектрический излучатель
На рисунке 6.12 показана конструкция излучателя, включающего в себя полу-волновую одноэлементную УЗКС с полуволновым концентратором и излучающий диск с преимущественным излучением одной фазы колебаний.
1 – излучающий диск; 2 – болт; 3 – дополнительный концентратор;
4 – основной концентратор; 5 – пьезоэлектрические элементы;
6 – задняя частотнопонижающая накладка; 7 – шпилька;
8 – кольцо акустической развязки; 9 – фланец корпуса;
10 – корпус; 11 – вентилятор
Рисунок 6.12 – Конструктивное исполнение излучателя
ультразвуковой колебательной системы
Акустическая связь внутри УЗКС обеспечивается за счет того, что основной концентратор 4 и пьезоэлектрические элементы 5 зажаты между дополнительным концентратором 3 и задней частотнопонижающей накладкой 6 с силой, многократно превышающей величину знакопеременной силы, создаваемой пьезоэлектрическими элементами. Стягивающее усилие обеспечивается шпилькой 7. Акустическая связь дополнительного концентратора 3 и диска 1 обеспечивается за счет болта 2, ввернутого в резьбовое отверстие в дополнительном концентраторе. В корпусе УЗКС закрепляется через кольцо акустической развязки 8, зажатое в зазоре между фланцем 9 и корпусом 10. Охлаждение пьезоэлементов осуществляется воздушным потоком от вентилятора. Предельная входная электрическая мощность такой конструкции составляет 450 Вт.
В последнее время были разработаны специализированные технологические объемы для ультразвуковых дисковых излучателей. Отдельным типом технологических объемов являются объемы для осуществления технологических процессов в воздушных средах. Излучение УЗ колебаний в воздушную среду через нерезонансные газовые промежутки характеризуется малым выходом энергии и высоким затуханием колебаний. Поэтому при реализации технологических процессов в воздушных средах создание технологических объемов, оптимизирующих УЗ воздействие, является первоочередной задачей. Одним из вариантов объема для реализации процессов в воздушных средах (например, процессов акустической сушки) может служить вращающийся технологический объем цилиндрической формы [5] с дисковым ультразвуковым излучателем, показанный на рисунке 6.13.
Технологический объем состоит из корпуса 1, покрытого с внутренней стороны звукоизолирующим материалом, внешнего барабана 2, с наружной стороны также покрытого звукоизолирующим материалом, рабочего барабана 3, предназначенного для загрузки высушиваемого материала, закрепленного на валу 5. Вал 5 выполняется пустотелым, внутри него устанавливается колебательная система 8 и закрепляется в нем с помощью узла акустической развязки и муфты 9. Вал 5 вращается в подшипниках 7, установленных в задней стенке 6. Привод рабочего барабана 3 осуществляется двигателем, статор 10 которого закреплен на задней стенке внешнего барабана, а ротор 11 на валу 5. Для передачи энергии электрических колебаний ультразвуковой частоты на электроды вращающейся колебательной системы целесообразно применить вращающийся трансформатор, статор 13 которого также закрепляется на задней стенке внешнего барабана 6, а ротор 12 – на валу 5. Двигатель и задняя часть системы закрываются звукопоглощающим кожухом, а их охлаждение осуществляется вентиляторами 14 и 15. В связи с тем, что на фронтальную дверцу 16 падает значительная доля акустического излучения, необходимо принимать меры по ее звукоизоляции, например, изготавливать дверцы из двух слоев стекла с вакуумным промежутком между ними. Конструкция конвектора 17 аналогична конструкциям, используемым в сушильных камерах [5]. Для осуще-ствления процесса УЗ сушки в описанном технологическом объеме, необходимо обеспечивать интенсивность колебаний не менее 160 дБ. Для повышения эффективности процесса акустической сушки капиллярно-пористых материалов и снижения требуемых энергетических затрат был разработан технологический объем [5], показанный на рисунке 6.14. Технологический объем состоит из верхней 2 и нижней 3 половин, представляющих собой объемную фигуру, имеющую в сечении два одинаковых эллипса 1, пересекающихся таким образом, что сечения совпадают по одному из фокусов. УЗКС 5 установлена таким образом, что излучатель находится в общем для двух эллипсов фокусе.
Рисунок 6.13 – Технологический объем для осуществления ультразвукового воздействия на газовые среды
Объем с высушиваемым материалом 4 размещают в области вторых фокусов большего объема 1 сушильной камеры. Объем 4 для высушиваемого материала выполнен в форме тороида. В процессе реализации процесса обеспечивается периодическая герметизация или проницаемость стенок этого технологического объема 4, выполненного в форме тороида, при помощи воздуховодов 6 и 7. Использование сушильной камеры подобной формы позволяет, с одной стороны, сконцентрировать колебания на высушиваемом материале за счет многократных отражений внутри объема и фокусировки, с другой стороны, исключить необходимость перемешивания материала в силу того, что объект сушки находится в зоне облучения акустическими колебаниями со всех сторон.
для сушки капиллярно-пористых материалов
Применение разработанного технологического объема позволяет снизить нижнюю границу диапазона выбираемой мощности колебаний до 120 дБ. Снижение необходимой мощности УЗ колебаний стало возможным благодаря оптимальной форме сушильной камеры, в которой высушиваемый материал располагается в области наивысшей концентрации звуковой энергии и, как следствие, мощность воздействия на материал значительно превышает необходимую пороговую отметку и при меньших значениях мощности излучателя.
