УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД

Предлагаемая полезная модель относится к ультразвуковым устройствам обработки жидких сред. Она может быть использована в ультразвуковых устройствах диспергирования (дезинтегрирования), эмульгирования, гомогенизации в жидкой среде. Применение данной полезной модели позволяет производительность технологических процессов.
Известено устройство для ультразвуковой обработки жидких сред - ультразвуковой диспергатор типа УЗД1-0,4/22М [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой очистки. - СПб, «Андреевский издательский дом», 2004, стр. 82, рис 2.29], включающий ультразвуковой генератор и подключенную к нему колебательную систему. Колебательная система содержит электромеханический магнитострикционный преобразователь, соединенный с одной стороны с волноводом расконцентратором, обращенным излучающим торцом вниз. В процессе работы концентратор погружается в реактор с обрабатываемой жидкостью (на рис.не показан). Преобразователь помещен в бачок, через который прокачивается охлаждающая жидкость.
Недостатком этого устройства является низкая эффективность озвучивания обрабатываемой жидкой среды в виду малой амплитуды механических колебаний на выходе расконцентратора. Преобразователь в виду больших потерь требует интенсивного охлаждения, что усложняет устройство и повышает затраты на его изготовление.
Известно другое устройство для ультразвуковой обработки жидких сред - ультразвуковой диспергатор типа УЗД1-0,063/22 (Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой очистки. - СПб, "Андреевский издательский дом", 2004, стр. 80, рис. 2.23), включающее ультразвуковой генератор и подключенную к нему колебательную систему, содержащую пьезокерамический преобразователь (пьезопреобразователь), один выход которого соединен с излучающим волноводом-концентратором, выполненным в форме усеченного конуса и по основанию соединенного с преобразователем. В процессе работы концентратор погружается в реактор, который заполняется обрабатываемой жидкостью (на рис.не показан)..
В этих устройствах использованы пьезокерамические преобразователи, КПД которых значительно выше, чем у магнитострикционных преобразователей; к тому же, колебательные системы таких устройств включают излучающие волноводы с большим коэффициентом усиления, что позволяет увеличить эффективность озвучивания.
Недостатком этого устройства является то, что второй выход пьезопреобразователя выполнен в виде частотно-понижающей накладки из стали (Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой очистки. - СПб, "Андреевский издательский дом", 2004, стр. 23, рис. 1.4). Значительные потери в частотно-понижающей накладке вызывают ее значительный нагрев и не позволяют устройству непрерывно работать длительное время. Диспергатор УЗД 1-0,063/22 может эксплуатироваться только в кратковременном режиме.
Известно другое устройство для ультразвуковой обработки жидких сред -ультразвуковой диспергатор типа УЗД2-0,1/22 [прототип; Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой очистки. - СПб, «Андреевский издательский дом», 2004, стр. 81, рис. 2.24]. Устройство включает ультразвуковой генератор и подключенную к нему колебательную систему, содержащую вертикально расположенный стержневой пьезокерамический преобразователь, один выход которого соединен с излучающим волноводом-концентратором, выполненным в форме усеченного конуса и по основанию соединенного с преобразователем. В процессе работы концентратор погружается в реактор с обрабатываемой жидкостью. Так же, как и описанном выше диспергаторе, второй выход пьезопреобразователя выполнен в виде частотно-понижающей накладки из стали, значительные потери в которой в процессе работы вызывают ее значительный нагрев. Для устранения этого недостатка в диспергаторе со стороны второго выхода преобразователя расположен достаточно мощный вентилятор для его охлаждения. Это позволяет работать в непрерывном долговременном режиме, например, в течении 8 ми часовой смены.
Недостатком этого устройства является недостаточно высокая эффективность озвучивания обрабатываемой жидкой среды. Из-за большого нагрева накладки температура преобразователя также повышается и температура пьезокерамических пластин самого преобразователя, что приводит к снижению его эффективности и надежности. Зачастую, повышение температуры преобразователя вызывает срывы в работе системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), что приводит к значительному частотному рассогласованию с генератором.
Кроме того, необходимость интенсивного охлаждения преобразователя использование мощного вентилятора - усложняет устройство и повышает его затраты на его изготовление и энергопотребление в процессе работы.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - создание высокоэффективного устройства для ультразвуковой обработки жидких сред, в частности, для диспергирования (дезинтегрирования), эмульгирования, гомогенизации в жидкой среде.
Технический эффект, достигаемый при реализации предложенной полезной модели, - повышение эффективности работы устройства для ультразвуковой обработки жидких сред за счет значительного повышения излучаемой мощности.
Указанный эффект достигается тем, что, в известном устройстве для ультразвуковой обработки жидких сред, включающем ультразвуковой генератор и подключенную к нему колебательную систему, содержащую расположенный вертикально стержневой ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, нижний выход которого соединен с направленным вниз излучающим волноводом, предназначенным для погружения в реактор с обрабатываемой жидкостью, в отличие от известного колебательная система содержит второй излучающий волновод, соединенный с верхним выходом преобразователя, и ванну, в дно которой встроен выход второго волновода.
Такое устройство может дополнительно включать устройство циркуляции обрабатываемой жидкой среды, предназначенное для перекачки ее в процессе работы между ванной и реактором. Такой вариант выполнения предлагаемого устройства, позволяет усилить достигаемый эффект за счет перемешивания обрабатываемой жидкости и, следовательно, усреднения ее рабочей температуры и улучшения равномерности обработки, а также улучшения условий охлаждения преобразователя. Устройство циркуляции, в конкретном варианте реализации, может быть выполнено в виде насоса, трубопровода, предназначенного для перекачки обрабатываемой жидкой среды из реактора в ванну, и сливного устройства, предназначенного для перелива ее из ванны в реактор.
Другой вариант - устройство циркуляции выполнено виде сквозного канала, проходящего через преобразователь и волноводы (через колебательную систему), и сливного устройства, предназначенного для перелива обрабатываемой жидкой среды из ванны в реактор. Кроме того, что в этом случае значительно упрощаются и улучшаются условия охлаждения преобразователя, этот вариант, по сравнению с предыдущим, имеет преимущество - простота, меньшие габариты. Оба эти фактора также приводят к дополнительному повышению эффективности работы устройства.
Предлагаемая полезная модель является новой, поскольку в существующем уровне техники не известна характеризующая ее совокупность существенных признаков.
Отличия предлагаемого решения от известных - новые конструктивные элементы, форма их выполнения и взаимное расположение всех элементов.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в предлагаемой конструкции, во-первых, преобразователь будет нагружен с двух сторон, то есть происходит двухсторонний отбор энергии - увеличивается излучаемая мощность преобразователя. Во-вторых, жидкая среда, находящаяся в ванне, будет отбирать тепло от второго волновода и преобразователя. Все это приводит к значительному повышению эффективности работы устройства для ультразвуковой обработки жидких сред.
Кроме того, нагрев жидкой среды от второго волновода повышает эффективность обработки. При очистке, диспергировании и других случаях обработки, часто, требуется подогрев обрабатываемой жидкой среды для достижения необходимой эффективности самого технологического процесса. Возможно, достигаемого в предлагаемом устройстве нагрева будет достаточно для выполнения условий осуществления технологического поцесса.
Предлагаемое решение поясняется фиг. 1а, б, в где представлены:
а) - схематическое изображение предлагаемого ультразвукового устройства для обработки жидких сред;
б) - вариант предлагаемого устройства, включающего систему циркуляции жидкой среды;
в) - вариант предлагаемого устройства, включающего систему циркуляции жидкой среды использующую колебательную систему со сквозным каналом.
На фиг. 1а, б, в показаны:
1 - ультразвуковой генератор;
2 - колебательная система;
3 - стержневой ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь;
4 - излучающий волновод, предназначенный для погружения в реактор с обрабатываемой жидкой средой;
5 - реактор;
6 - второй излучающий волновод;
7 - ванна;
8 - дно ванны, в которое встроен выход второго волновода;
9 - насос системы циркуляции обрабатываемой жидкой среды;
10 - трубопровод системы циркуляции обрабатываемой жидкой среды;
11 - сливное устройство системы циркуляции обрабатываемой жидкой среды;
12 - сквозной канал колебательной системы.
В предлагаемом устройстве (фиг. 1а) соединенная с ультразвуковым генератором 1 колебательная система 2, включает расположенный вертикально стержневой ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 3 и два волновода: излучающий волновод 4, соединенный по основанию с нижним выходом преобразователя 3, и второй излучающий волновод 6, соединенный по основанию со вторым, верхним выходом преобразователя 3 и выход которого встроен в дно 8 ванны 7.
Система циркуляции жидкой среды (фиг. 1б) включает насос 9 для перекачивания жидкой среды из реактора 5 в ванну 7, трубопровод 10 и сливное устройство 11 в виде трубки, входной конец которой входит в ванну 7, а выходной - направлен в реактор 5.
В системе циркуляции роль насоса 9 и трубопровода 10 может быть выполнена сквозным каналом 12, проходящим через преобразователь 3 и волноводы 4, 6 (фиг. 1в). Предлагаемое устройство работает так же, как обычный диспергатор, например, как прототип. Реактор 5 заполняется обрабатываемой жидкой средой. Излучающий конец волновода 4 погружается в обрабатываемую среду. При включении ультразвукового генератора 1 электрическая энергия промышленной частоты преобразуется в энергию ультразвуковой частоты, которая подается на вход ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 3 и преобразуется им в ультразвуковую энергию механических колебаний, которые через волноводы 4, 6 передаются обрабатываемой жидкой среде. Если необходимо, включается система циркуляции. Проводится обработки среды по заданному технологическому режиму.
Примером конкретного выполнения может служить ультразвуковой диспергатор, соответсвующий варианту, приведенному на фиг. 1в, и построенному на основе диспергатора УЗД2-0,1-22. В обоих диспергаторах использовался ультразвуковой генератор типа УЗГ13-0,1-22 с системами автоматической подстройки частоты и стабилизации амплитуды механических колебаний преобразователя. Мощности подводимые к преобразователям были одинаковы по 100 Вт. Сравнительные испытания при обработке порошка диоксида кремния показали, что производительность предлагаемого диспергатора превысила производительность УЗД2-0Д-22 в два раза.
Промышленная применимость предлагаемой полезной модели очевидна. Очевидно, что предлагаемое устойство может быть изготовлено известными средствами по известным технологиям из известных материалов, аналогично устройствам аналогам и прототипу.
Предлагаемое устройство может быть использовано в любых технологических линиях и оборудовании для диспергирования (дезинтегрирования), эмульгирования, гомогенизации. Применение данной полезной модели позволит интенсифицировать технологические процессы.