Ультразвуковые колебательные системы для ускорения процессов в жидких средах
На рисунке 3.14 представлена типовая конструкция полуволновой пьезоэлектрической системы для интенсификации процессов в жидких средах.Коэффициент усиления Mp такой системы равен 12–15 (в зависимости от отношения D1 и D2) и является оптимальным для согласования волновых сопротивлений пьезокерамического материала и жидких сред. Собственная резонансная частота системы 22 + 1,65 кГц. Интенсивность излучения достигает 20 Вт/см2. Амплитуда колебаний на излучающей поверхности 40–75 мкм. КПД не менее 80%. Материал отражающей накладки – сталь 45, материал излучающей накладки и рабочего инструмента – сталь 40Х13, 12Х18Н10Т, титановые сплавы или алюминиевые сплавы [32].
Рисунок 3.14 – Полуволновая пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система
На рисунке 3.15 показаны ультразвуковые колебательные системы для воздействия на жидкости и интенсификации процессов в жидких средах эмульгирования, экстракции и т.п.
На рисунке 3.16 представлена полуволновая пьезоэлектрическая колебательная система для ультразвуковой липосакции – эмульгирования подкожного жира [33,34].Особенностью системы является не только наличие центрального канала для удаления образующейся эмульсии, но и наличие двух дополнительных каналов, симметрично расположенных относительно центрального, для подачи жидкости, обеспечивающей образование эмульсии в УЗ поле.
а) – конструкция
б) – внешний вид в корпусе
Рисунок 3.16 – Полуволновая пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система для липосакции
Такая система создана на основе пьезокерамики АРС-841. Материал отражающей накладки – сталь 45, материал излучающей накладки и инструмента – титановый сплав ВТ6. Коэффициент усиления Mp равен 17–20 (в зависимости от присоединяемого инструмента). Собственная резонансная частота 22+1,65 кГц. Интенсивность излучения превышает 100 Вт/см2. Амплитуда колебаний на излучающей поверхности до 250 мкм. Производительность эмульгирования 15–20 мл/с.
Разработан ряд малогабаритных УЗКС с диаметром корпуса, позволяющим размещать систему в руке. Система обладает малым собственным сопротивлением потерь, что дает возможность значительно снизить ее нагрев и избежать получения термических ожогов оператора, работающим с системой (рисунок 3.17).
В преобразователе использована пьезокерамика АРС-841, имеющая следующие габаритные размеры 24х12,7х6,35 мм. Материал отражающей накладки – сталь 45, материал излучающей накладки и рабочего инструмента – титановый сплав. Коэффициент усиления Mp равен 12–15 (в зависимости от типа присоединяемого рабочего инструмента). Собственная резонансная частота 44+3,3 кГц.
б) – колебательная система с инструментом в корпусе
Интенсивность излучения превышает 40 Вт/см2. Амплитуда колебаний на излучающей поверхности до 70 мкм. Разработанная система может использоваться совместно с активными рабочими инструментами для проведения процедур физиотерапии, с активными рабочими инструментами для проведения лабораторных исследований.
Для интенсификации процессов пропитки [31], а также нанесения смазочных и прочих покрытий на пористые поверхности созданы полуволновые системы на базе керамики ЦТС-23 типоразмера 50х20х6 мм (рисунок 3.18). Материал отражающей накладки – сталь 45, излучающей накладки – титановый сплав.
а) – конструкция;
б) – внешний вид в корпусе
Коэффициент усиления Mp равен 3. Резонансная частота 44+3,3 кГц. Интенсивность 10 Вт/см2. Амплитуда колебаний 15–20 мкм на поверхности диаметром 65 мм. Для интенсификации процессов пропитки при производстве композиционных материалов создан ряд колебательных систем [31]. Система спроектирована на основе пьезоэкерамики ЦТС-23, типоразмер 50х20х6 мм (рисунок 3.19).
а) – конструкция
б) – внешний вид в корпусе
Рисунок 3.19 – Пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система для пропитки
Отражающая накладка – сталь 45, концентратор и рабочий инструмент – сталь 45. Коэффициент усиления Mp равен 10. Резонансная частота 18+1,35 кГц. Интенсивность излучения более 10 Вт/см2. Амплитуда 15–20 мкм на поверхности 50х160 мм.
На основе разработанной и практически реализованной конструктивной схемы, применяются полуволновые пьезоэлектрические УЗКС для распыления жидкостей [31] с вязкостью до 40 cПз (рисунок 3.20). Материал отражающей накладки – сталь 45, материал излучающей накладки и рабочего инструмента – титановый сплав. Коэффициент усиления Mp равен 10–12. Резонансная частота системы 44+3,3 кГц и 22+1,65 кГц. Интенсивность излучения до 100 Вт/см2. Амплитуда колебаний 25–100 мкм. Производительность распыления до 5 мл/с. Отличительная особенность такой системы – наличие центрального канала для подачи распыляемой жидкости на излучающую поверхность инструмента.
Рисунок 3.20 – Полуволновая пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система для распыления
Для повышения эффективности реализации процессов в жидких средах была разработана колебательная система, показанная на рисунке 3.21. Эта колебательная система состоит из трех полуволновых колебательных систем.
Обеспечение одновременной работы всех трех колебательных систем позволяет добиться высокоинтенсивного кавитационного воздействия на жидкие и жидкодисперсные среды, недостижимого при использовании одной колебательной системы. Суммарная площадь излучения составляет 54 см2, энергия колебаний, излучаемая в среду, более 1000 Вт, что позволяет значительно увеличить энергию вводимых колебаний. Для непрерывной, проточной обработки жидких сред в открытых природных и технологических объемах, каналах, трубопроводах, создана специализированная система, конструктивная схема которой показана на рисунке 3.22.
Излучающий элемент – труба, наружный диаметр 45 мм, длина 2900 мм, толщина стенок 4 мм, площадь излучающей поверхности 547 см2, мощность выводимых в среду ультразвуковых колебаний до 1000 Вт, материал колебательной системы – титановый сплав. УЗКС может быть использована для осуществления процессов УЗ эмульгирования, очистки и экстракции с возможностью задания рабочей частоты в соответствии с требуемыми параметрами процесса и габаритными размерами технологического объема.
Создание подобных конструкций и активных рабочих инструментов с увеличенной поверхностью излучения, позволяющих вводить в обрабатываемую среду УЗ колебания с мощностью более 3000 Вт, потребовало разработки соответствующих колебательных систем. При этом с учетом КПД существующих пьезопреобразователей (приблизительно 70%), возникает необходимость использовать в составе УЗКС преобразователи, способные обеспечить формирование УЗ колебаний при подаче электрических колебаний, мощностью не менее 4–6 кВт. Очевидно, что поверхность формирования УЗ колебаний в преобразователе должна быть не меньше поверхности излучения и должно выполняться условие обеспечения работы пьезоэпреобразователя в режимах, не превышающих предела механической прочности керамики (то есть амплитуда колебаний не должна превышать 5 мкм). Необходимость выполнения этого условия обусловливает увеличение площади поверхности формирования ультразвуковых колебаний не менее чем в 4–5 раз по сравнению с площадью излучения, то есть до значений, превышающих 100–1000 см2. Применение пьезоэлектрических элементов при построении подобных УЗКС малоэффективно из-за ограниченных размеров выпускаемых промышленностью пьезоэлектрических кольцевых элементов, не превышающих 50–70 мм в диаметре.
Для решения проблемы был предложен пьезопреобразователь, позволяющий суммировать мощности ультразвуковых колебаний, генерируемых набором пакетов пьезоэлектрических элементов малых размеров. Это дало возможность обеспечить генерацию колебаний достаточной для обеспечения кавитационного режима мощности, без превышения предельно допустимых параметров пьезоэлементов.
Конструктивная схема разработанной колебательной системы [5] показана на рисунке 3.23.
1 – активный рабочий инструмент с увеличенной поверхностью излучения
2 – согласующий акустический трансформатор(концентратор)
3 – рабочая частотнопонижающая накладка
4 – пьезоэлектрические элементы
5 – отражающие частотнопонижающие накладки
На рисунке 3.24 показан аксонометрический вид двух типов ультразвуковых преобразователей. На рисунке 3.24, а – с тремя пакетами пьезоэлектрических элементов (средней мощности, до 2000 Вт), на рисунке 3.24, б – с семью пакетами пьезоэлектрических элементов (большой мощности, до 6000 Вт).
На рисунке 3.25 представлен аксонометрический вид рабочих частотнопонижающих накладок преобразователей. На рисунке 3.25, а – с тремя гранями, на рисунке 3.25, б – с семью гранями (большой мощности).
а) – средней мощности
б) – большой мощности
Рисунок 3.24 – Аксонометрический вид ультразвуковых колебательных систем
а) – с тремя гранями
б) – с семью гранями
Рисунок 3.25 – Частотнопонижающие накладки
Внешний вид УЗКС, содержащей в своем составе преобразователь, состоящий из семи пакетов пьезоэлементов, показан на рисунке 3.26.
Рисунок 3.26 – Внешний вид ультразвуковой колебательной системы для проточной обработки жидких сред
Мощность излучения колебаний в водную среду колебательной системой, содержащей преобразователь на базе трех пакетов пьезоэлементов, составляет 2 кВт, а системой, содержащий преобразователь, состоящий из семи пакетов пьезоэлементов, – до 6 кВт. КПД таких колебательных систем достигает 0,8.
