СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ОБЪЕМОВ ЖИДКИХ СРЕД
METHOD OF SIMULTANEOUS ULTRASONIC CAVITATION PROCESSING OF LIQUID MEDIUM VOLUMES

Изобретение относится к области кавитационной обработки жидких сред, а также сред, где удельное содержание воды или иной жидкой фазы превышает 30-35% от общей массы. При этом обработке могут подвергаться одновременно различные жидкие среды, каждая из которых расположена в своем объеме.
Известен способ и устройство для одновременной обработки объемов коллагена СА 2025833 от 22.03.1991 г., заключающийся в помещении ампул(шприцев) с коллагеном в ванну с рабочей жидкостью, дно которой совершает колебания ультразвуковой частоты от ~20 кГц до 3 мГц. Внутри обрабатываемых объемов создается развитая акустическая кавитация. Недостатками такого способа являются существенно разная эффективность обработки на разных частотах, связанная с тем, что высота жидкости в ванне определяется размерами обрабатываемых объемов, а не длиной ультразвуковой волны (УЗ) в жидкости. Кроме этого упругие свойства донной части ванны, которая вибрирует с ультразвуковой частотой, определяют всего несколько частот, на которых может быть эффективное возбуждение акустической УЗ волны в рабочей жидкости, заполняющей ванну. К этим частотам можно отнести только первые две-три гармоники собственных колебаний, которые приближенно можно оценить по работам /1-2/. Это существенно снижает эффективность кавитационной обработки помещенных в рабочую жидкость объемов.
Известен метод изучения и измерения радиационных параметров, применяемый при исследовании тканей организма (патент JP 6207893 от 26.07.1994 г.). Исследуемые объемы расположены в рабочей жидкости, которая налита в резервуар. Возбуждение ультразвуковой акустической волны в рабочей жидкости происходит снизу, через выведенные в рабочую жидкость концентраторы ультразвуковых колебаний. Объемы, в которых размещены обрабатываемые ткани, выполнены из материала, акустическое сопротивление которых близко к акустическому сопротивлению рабочей жидкости. Это позволяет создать режим развитой акустической кавитации не только в рабочей жидкости, но и внутри объемов с жидкостью, где расположены обрабатываемые ткани. Как и у предыдущего прототипа, к недостаткам можно отнести зависимость эффективности кавитационной обработки от высоты уровня рабочей жидкости. Если высота жидкости не кратна четверти длины акустической волны, при отражении от поверхности будет формироваться сложная суперпозиция из падающих и отраженных волн. Это неизбежно приводит к изменению оптимального режима в динамике формирования кавитационного пузыря и снижению эффекта кавитационного воздействия в целом.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения эмульсионного косметического средства (патент RU 2427362 от 08.09.2010 г.). В данном способе режим акустической кавитации формируется за счет двойного резонансного эффекта внутри проточной механической колебательной системы - канала прямоугольного профиля, на противоположных сторонах которого синфазно осуществляется генерирование звуковых колебаний с образованием стоячей волны на частоте основной гармоники для данной стенки канала, которая в свою очередь формирует в зазоре между стенками канала квазиплоскую стоячую волну в движущейся многофазной обрабатываемой среде, при этом ширина зазора канала кратна четверти длины волны, возбуждаемой стенками канала. За счет этого в обрабатываемой жидкости формируется акустическая волна высокой интенсивности на одной резонансной частоте. Недостатками данного способа являются невозможность одновременной обработки нескольких объемов с разными составами, а также возможность эффективной обработки только на одной частоте, определяемой частотой первой гармоники стенки канала и выбранным зазором. Известно, что кавитационная обработка одновременно на двух разных частотах имеет существенно больший синергетический эффект, чем просто последовательное действие на двух частотах /3/.
Целью изобретения является возможность одновременной обработки нескольких объемов жидких сред как с разными, так и с однотипными составами ингредиентов в малых объемах, а также возможность обработки несколькими резонансными акустическими волнами одновременно.
Данная цель достигается тем, что ванна с рабочей жидкостью выполнена прямоугольной формы, за счет чего в рабочей жидкости создается стоячая акустическая волна от всех стенок и дна ванны, которые выполнены в виде упругих мембран, имеющих свою резонансную частоту первой гармоники, причем противоположные стенки прямоугольной ванны имеют равные частоты первой гармоники, при этом длина a и ширина ванны b, выбираются кратными четверти длины волны, возбуждаемой в рабочей жидкости боковыми стенками ванны:
где c - скорость звука в рабочей жидкости, м/с;
i
f - частоты первых гармоник боковых стенок ванны, Гц;
k=2,4… - целое число,
i
высота уровня рабочей жидкости h выбирается кратной четверти длины волны, которая возбуждается дном ванны, при этом частоты f колебаний кратны между собой с коэффициентом k.
Реализация данного способа кавитационной обработки объемов жидких сред, включает следующую последовательность действий.
- Обрабатываемые жидкие среды наливаются в отдельные объемы (Фиг.1, поз.3), которые размещены в прямоугольной ванне длиной a и шириной b. Материал объемов с жидкими средами должен иметь удельное акустическое сопротивление, равное или близкое рабочей жидкости в ванне и акустическому сопротивлению самой обрабатываемой жидкой среде.
- В рабочей жидкости ванны (Фиг.1, поз.2) создается стоячая акустическая волна от всех стенок прямоугольной ванны и дна, амплитуда акустической волны должна быть достаточной для превышения порога акустической кавитации в рабочей жидкости ванны, то есть формируется режим развитой акустической кавитации.
- При выполнении условий близости акустического сопротивления рабочей жидкости, материала, из которого сделаны объемы с налитой обрабатываемой жидкостью, и самой обрабатываемой жидкости в обрабатываемой среде также реализуется режим развитой акустической кавитации. Как будет показано ниже, практический подбор значений акустического сопротивления для большого количества жидких сред не представляет большого труда, так как они близки к акустическому сопротивлению воды. Отражение и преломление акустических волн компенсируется увеличением амплитуды волны, которая излучается стенками канала в виде мембран, находящихся в резонансном режиме колебаний.
- Кавитационная обработка отдельных объемов жидких сред производится в течение требуемого времени. Например, при приготовлении стабильных косметических эмульсий оно составляет до 10 мин, при приготовлении суспензии зубной пасты до 15 мин, при обработке водотопливных эмульсий 5-15 мин.
Для повышения эффекта кавитационной обработки и поддержания режима развитой кавитации в рабочей жидкости и обрабатываемых жидких средах, каждая из которых находится в индивидуальном объеме, требуется создание суперпозиции излучаемых и отраженных вол. Условием суперпозиции является кратность линейных размеров своей половине длины волны /4, стр.119/ (либо четному числу четверти длины волны), в этом случае разность давлений удваивается. Поскольку все излучаемые поверхности прямоугольные, то акустическая волна в рабочей жидкости близка к плоской, тем более что ширина b прямоугольной ванны не превышает ~7.5 см. Это длина акустической волны в воде при частоте 20 кГц, с которого начинается ультразвуковой диапазон. Длина канала a может иметь длину до 5-6 длин волн, что связано с затуханием волны при распространении /4, стр.293/, и на практике может составлять до 37,5-45 см для приведенного выше примера. Высота рабочей жидкости, налитой в ванну (Фиг.1), равна h, при этом происходит отражение волны от свободной поверхности, которая излучается донной частью. Так, для рабочей частоты 24 кГц, которую имеют используемые пьезовозбудители, с учетом кратности длин полуволн для получения суперпозиции, прямоугольная ванна может иметь следующие размеры: сторона a - 37,5 см (6 длин волн), сторона b - 6,25 см (1 длина волны), высота жидкости равна 6,25 см (1 длина волны). Именно такая прямоугольная ванна показана на Фиг.2. Каждая стенка прямоугольной ванны выполнена в виде упругой мембраны. Расчет частоты мембраны от размеров известен и не представляет сложности /1-2/.
2
Максимальный эффект кавитации и амплитуда звуковой волны в рабочей жидкости достигается в случае, когда все мембраны совершают синфазные вынужденные колебания на первой гармонике. В данной конструкции амплитуда колебаний доходит до 5 мкм, что обеспечивает поток акустической энергии в среде, близкой к воде, до 40-50 Вт/см/4, стр.120/. Для сравнения в таблице 1 из работы /5/ приведены пороги развитой акустической кавитации для ряда жидких сред.
Достигаемый уровень акустического воздействия существенно выше пороговых значений. В таблице 2 приведены данные по акустическому сопротивлению различных жидких сред. Видно, что для большинства жидких сред отличие от воды не превышает 40%. При этом создаваемый акустический поток в предлагаемом способе превышает порог кавитации в разы, например для основных масел в ~10 раз.
Суперпозиция волн дополнительно усиливает действие акустической волны, чему способствует правильный выбор размеров ванны, прямоугольная форма которой обеспечивает волну, близкую к плоской, имеющей наименьшее затухание /4/.
Более сложным, с точки зрения технической реализации, является вариант, когда торцевые стенки ванны имеют другие частоты колебаний, при меньших размерах, частоты выше.
Но методологически условие кратности длин волн для получения суперпозиции должно выполняться.
Вариант реализации представлен на Фиг.3.
Например, сторона a ванны настроена на частоту 24 кГц и имеет квадратную в плане мембрану размерами 17 см. Для выбора частоты колебаний торцевых стенок требуется выполнение принципа суперпозиции, т.е. на расстоянии в 17 см должно укладываться кратное количество длин полуволн. Как один из вариантов, это будет частота 48 кГц, что соответствует длине волны 3, 12 см в воде.
Это составит ~11 полуволн от торцевых стенок ванны по стороне a.
Кратность частот между собой составляет 2.
Аналогичным образом может быть получена частота колебаний дна ванны.
В этом случае задается из практических потребностей высота h рабочей жидкости, налитой в ванну.
Для снижения эффектов отражения и преломления акустической волны на границе раздела сред, а именно материала, из которого сделаны объемы с налитой обрабатываемой жидкостью, и самой обрабатываемой жидкости, рассмотрим возможные варианты "рабочая жидкость - материал объема".
По ряду химически пассивных распространенных материалов данные приведены в таблице 3.
Таблица 3
Акустическое сопротивление ряда материалов
Рабочая жидкость
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Скорость продольных волн, м/с
Акустическое сопротивление, г/(см<sup>2</sup> *c)*10<sup>6</sup>
Полиэтилен
0,920
1900
1,748
Полиамид
1,140
2620
2,986
Полистирол
1,050
2350
2,467
Тефлон
2,180
1340
2,921
Эбонит
1,150
2405
2,765
Можно также предложить следующие пары "рабочая жидкость- материал объема":
этиленгликоль - полиэтилен,
фурфуриловый спирт - полиэтилен,
глицерин - полистирол.
Толщина стенок дополнительных проточных каналов должна быть минимальна для снижения потерь при прохождении акустической волны.
Самый простой вариант рабочей жидкости - вода, материал объема с обрабатываемыми средами - полиэтилен. Разница в акустическом сопротивлении составляет 16.5%, полиэтилен химически пассивен для большинства бытовых жидкостей, выпускается промышленностью широким ассортиментом.
Как указывалось выше, при кавитационной обработке широкого спектра жидкостей, которые могут находиться в полиэтиленовых объемах, будет наблюдаться хорошее согласование всего тракта распространения акустической волны "рабочая жидкость - материал объема - обрабатываемая жидкая среда":
Получение двойного резонансного эффекта по всему объему рабочей жидкости при обработке объемов жидких сред позволяет, в частности, готовить малые объемы косметических эмульсий под индивидуальный тип кожи клиента. На  Фиг.4 показана микрофотография крема для лица на основе фосфолипидов (жидкие кристаллы) по рецептуре японской компании Maruzen Pharm, полученная с помощью поляризационного микроскопа. Качество таких структур можно проверить по характерному свечению оболочки липидной фазы, которую можно зафиксировать только в поляризационный микроскоп. На  Фиг.5 представлено распределение размеров дисперсной фазы в случае предлагаемого способа и классической гомогенизации от производителя. Данная рецептура относится к ценовому сегменту класса Люкс. Важно отметить, что размер дисперсной фазы снижен в 2-3 раза, уровень гомогенности увеличен в 2 раза, что благоприятно отразилось на органолептических свойствах крема и проникновении в кожу.
На  Фиг.6 представлены микрофотографии структуры свежего молока до и после кавитационной обработки.
Время обработки составляло от 10 до 15 минут на частоте 24 кГц. Размер липидных жировых сфер уменьшился с 3000-4000 нм до 500-600 нм. Вкусовые, питательные свойства свежего молока были существенно улучшены, нагрев не превышал 45-47 градусов, что значительно ниже температуры классической пастеризации. При этом обеспечивалось сопоставимое обеззараживание по общемикробному числу и кишечной палочке в соответствии с действующими стандартами.
Данный способ позволяет получать такой продукт, как "холодный чай".
При кавитационной обработке, например, пакетированного чая в течение ~15 мин при температуре не более 45-50 градусов получается ароматный напиток, сохраняющий все полезные витамины, которые теряются при заваривании кипятком (нагреве).
Предлагаемый способ был реализован в кавитационном миксере - для приготовления майонеза рецептуры Провансаль. Изменение структуры продукта по отношению к структуре серийного продукта крупнейшего Российского производителя виден на  Фиг.7. Размер жировых включений снизился с 7000-10000 нм до ~1000-2000 нм, улучшились вкусовые качества, консистенция.
Аналогичные результаты были получены при обработке суспензий, в частности меловых зубных паст по рецептуре компании SPLAT. Ha  Фиг.8 показано изменение дисперсности суспензии, что существенно улучшает микроабразивный эффект и отбеливающие свойства зубной пасты.
2
Таким образом, подтверждается достижение цели изобретения и возможности промышленной реализации, особенно способ эффективен для обработки жидких сред, имеющих порог развитой кавитации до ~10 Вт/см.
ЛИТЕРАТУРА
1. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. Изд. Второе. М., Наука, 1969.
2. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах, под ред. Челомея В.Н., М., Машиностроение. 1979.
3. Маргулис М.А. Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях. М.: Высшая школа. 1984.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1956.
5. Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Голых Р.Н., Барсуков Р.В. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной обработки вязких и дисперсных жидких сред. Ползуновский Вестник №3, Барнаул, 2010.