Ультразвуковой распылитель

Предполагаемая полезная модель относится к ультразвуковым устройствам  для  распыления анализируемой жидкости и может быть использована в спектральном анализе для подачи аэрозоля в источник возбуждения спектров.
Известен ультразвуковой распылитель (патент РФ на ПМ № 146359, МПК B05B 17/06, опубликован  10.10.2014), содержащий ультразвуковой генератор с акустическим преобразователем и волноводом, узел для распыления жидкости с каналами для подачи распыляемой жидкости и подвода транспортирующего газа, который выполнен виде насадки, укрепленной на торце волновода с помощью резьбового соединения, а в канал для подачи распыляемой жидкости, расположенный в центре волновода перпендикулярно каналу вставлена цельная стальная трубка, распыляющий конец которой заточен под углом, стальная трубка прикреплена к волноводу с помощью фасонной втулки, поджатой гайкой и затянутой с помощью динамического ключа.
Общие признаки: ультразвуковой генератор с акустическим преобразователем и волноводом, узел для распыления жидкости с каналами для подачи распыляемой жидкости и подвода транспортирующего газа, который выполнен виде насадки, укрепленной на торце волновода с помощью резьбового соединения, а в канал для подачи распыляемой жидкости, расположенный в центре волновода:
Недостатки: 1. При работе распылителя, за счет вибрации торца  волновода крепежная гайка расслабляется, образуется зазор в контакте трубки с акустическим волноводом, резко увеличивается амплитуда и трубка обрывается. 2. При обрыве одного из концов трубки (подающего жидкость или распыляющего) необходимо  заменять трубку большой длины, что нерентабельно.
Известен распылитель (Заявка Японии N 60-21780 В05В 17/06 1985г.), содержащий узел для распыления жидкости потоком воздуха,  движущимся с высокой скоростью и ультразвуковой  вибратор,  колеблющий узел, в распылителе имеется рупор с каналом, к которому подсоединены каналы для подачи жидкости и воздуха.
Общие признаки: ультразвуковой преобразователь (вибратор)
Недостатки: процесс распыления осуществляется с помощью подачи большого объема воздуха с высокой скоростью и ультразвуковой вибрации собственно распылителя. Поток аэрозоля выходит из распылителя с большим радиальным углом.
Ближайшим аналогом является ультразвуковой распылитель (Патент РФ на ПМ №128521,МПК B05B 17/06, опубликован 14.12.2013г.), содержащий ультразвуковой генератор, с акустическим волноводом, узел для распыления жидкости с каналами для подачи распыляемой жидкости и подвода транспортирующего газа, узел для распыления жидкости выполнен в виде насадки, укрепленной на торце волновода с помощью резьбового соединения, в канал для подачи распыляемой жидкости вставлена цельная стальная трубка, распыляющий конец которой заточен под углом, а канал для подачи транспортирующего газа расположен в центре волновода перпендикулярно каналу для подачи распыляемой жидкости.
Недостатком известных устройств является то, что распыляющие трубки расположены перпендикулярно распространению ультразвуковых колебаний, и при работе распылителя в месте крепления трубок к распыляющей насадке возникают большие напряжения и распыляющая трубка, проработав несколько часов, обрывается, при частотах, близких к резонансным, превосходят предельные напряжения, что также приводит к разрушению трубки.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего путем изменения конструкции распылителя, уменьшить напряжения в точке крепления распыляющего патрубка с рабочим телом.
Технический результат достигается тем, что в ультразвуковой распылитель, содержащий ультразвуковой генератор, с акустическим волноводом, узел для распыления жидкости с каналами для подачи распыляемой жидкости и подвода транспортирующего газа, узел для распыления жидкости выполнен в виде насадки, укрепленной на торце волновода с помощью резьбового соединения, в канал для подачи распыляемой жидкости вставлена цельная стальная трубка, а канал для подачи транспортирующего газа расположен в центре волновода перпендикулярно каналу для подачи распыляемой жидкости при этом  распыляющая трубка натугую впрессована в канал, расположеннный вдоль волновода, соосно с каналом подачи транспортирующего газа, и согнута под углом 90 градусов, так что становится перпендикулярно оси преобразователя, причем радиус кривизны трубки составляет от 3 мм до 10 мм, длина распыляющей трубки от оси преобразователя составляет около 55 мм и зависит от резонансной частоты ультразвуковых колебаний.
На фиг.1 представлен ультразвуковой распылитель,  где введены следующие обозначения: 1- ультразвуковой преобразователь, 2 – пьезокерамические кольца, 3 - акустический волновод, 4- смесительная насадка, 5 – трубка подводящая масло, 6 –распыляющая трубка,  7 – канал подачи транспортирующего газа, 8 – штуцер.
В предлагаемой модели  напряжения в узле крепления распыляющей трубки незначительны, поскольку  накладываются продольные колебания, а составляющая напряжений от поперечных колебаний загнутого конца распыляющей трубки распределяется по длине трубки, что значительно снижает общую нагрузку на распыляющий узел (фиг.2).
0
На фиг. 2 представлена результирующая картина распределения напряжений в распыляющей трубке, загнутой под 90. Максимальные напряжения находятся в пучностях стоячей волны, в месте соединения распыляющего капилляра с рабочим телом распылителя напряжения значительно меньше.
Разработанное устройство (фиг.1), представляет собой ультразвуковой преобразователь - 1,  выполненный на 4-х пьезокерамических кольцах - 2 толщиной 2 мм, внешним и внутренним диаметром 10 мм и 5 мм, соответственно.  На акустический волновод - 3 с помощью резьбового соединения крепится насадка - 4, выполненная из титана ВТ3-1. Стальная трубка, вставленная в канал подачи распыляемой жидкости разделена на два патрубка - подводящий масло - 5  и распыляющий патрубок – 6. Вдоль оси ультразвуковой колебательной системы и распылительной насадки имеется канал - 7 для подачи транспортирующего газа в распылительную насадку. Транспортирующий газ (воздух)  подается через штуцер - 8.
Устройство работает следующим образом:
По патрубкам 5 и 8 в смесительную насадку - 4 подаются жидкость и транспортирующий газ (воздух). В насадке жидкость смешивается с потоком транспортирующего воздуха, под действием ультразвуковых колебаний образует воздушно-капельную смесь, которая выводится через распыляющую трубку - 6, превращаясь в мелкодисперсный золь. Транспортирующий газ служит для создания направленного потока аэрозоля.
Оценка надежности работы ультразвукового распылителя проводилось в направлении расчета предельных напряжений, возникающих при распространении ультразвуковых колебаний в патрубках, по которым подается анализируемое масло и транспортирующий газ.
Рассчитывались напряжения и деформации, возникающие в конструкции смесителя, при гармоническом воздействии на его верхнюю грань. Расчеты велись методом суперпозиции всех найденных мод на гармонический отклик конструкции (Mode Superposition).
Расчет распределения напряжений в конструкции смесителя проводился на частоте резонанса 19,200 кГц. Максимальные напряжения находятся в пучностях стоячей волны и в месте соединения распыляющего патрубка с рабочим телом распылителя.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
В конструкции распылителя и изогнутым капилляром под прямым углом возбуждаются поперечные колебания в горизонтальной части капилляра.
• Частота резонанса увеличивается с увеличением радиуса изгиба в связи с уменьшением эффективной длинны горизонтальной части капилляра.
• С увеличением радиуса изгиба от минимально возможного 0.5мм до максимально возможного 8мм область максимального напряжения перемещается от места изгиба в область предпоследней пучности.
• Величина напряжения зависит от степени приближения рабочей частоты к резонансной, чем ближе, тем больше амплитуда колебания и соответственно, больше напряжение.
• При изгибе капилляра под прямым углом с определенным радиусом в месте изгиба обязательно возникнут дополнительные напряжения, которые в расчетах не учитывались.
9
Расчеты напряжений показали, что в этом случае максимальные напряжения смещаются от места крепления распыляющей трубки ближе к ее распыляющему торцу, и составляют порядка 3*10Ра, Напряжения в узле крепления трубки незначительны.
Технический эффект - увеличение ресурса распылителя и упрощение его эксплуатации.