СОНОТРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В ЖИДКИХ ПРОДУКТАХ
SONOTRODE AND DEVICE FOR REDUCTION AND ELIMINATION OF FOAM FORMATION IN LIQUID PRODUCTS

[0001] Настоящее изобретение относится к сонотроду для генерирования ультразвукового поля в промышленных производственных процессах, таких как химические процессы или процессы, связанные с пищевым производством, в которых жидкий продукт подвергается обработке, в процессе которой образуется вспенивание на верхней поверхности продукта. Это изобретение также относится к устройству, содержащему один или более таких сонотродов для обеспенивания.
[0002] В разных областях промышленности образование пены продуктом обработки является неотъемлемой проблемой. Например, в отрасли производства напитков, главным образом газированных напитков, таких как кола и пиво, но также и негазированных напитков, таких как фруктовые соки и т.п., во время производственного процесса, а также во время розлива продукта в бутылки и подобную тару существует проблема образования продуктом большого количества пены. Образование пены часто приводит к нежелательной потере продукта, а также большой проблемой таких производств является загрязнение тары, в которую разливается продукт. Во время процесса розлива образование слишком большого количества пены приводит к проблемам с укупоркой тары, и, более того, процесс на линии розлива значительно замедляется из-за пены на поверхности продукта. Однако образование пены жидкими продуктами является проблемой и в других областях промышленности. Примерами таких отраслей являются химическая, нефтяная, фармацевтическая и добывающая промышленности. Пена может образовываться в баках, открытых сосудах, или в таре, или бутылках, в которые разливается продукт. Из-за пены существует также проблема, связанная с вместимостью/объемом сосудов и с последующим процессным оборудованием, таким как насосы, гомогенизаторы, пастеризаторы, линии розлива и фильтрующее оборудование.
[0003] В известном уровне техники общепринятые технологии, используемые для уменьшения или для предотвращения образования слишком большого количества пены, в течение нескольких лет подразумевали использование противопенных химикатов. Однако в пищевой промышленности использование химикатов невозможно, а в других отраслях промышленности использование таких химикатов для уменьшения пенообразования достаточно затратно. Также химикаты могут изменять характеристики жидкого продукта, подвергаемого обработке на производственной линии.
[0004] Кроме того, в существующем уровне техники были предложены механические отделители пены для ограничения пенообразования, например, при розливе пива или колы в бутылки. Дальнейшим развитием решений такого типа проблем являются противопенные устройства, использующие ультразвуковые волны для разрушения пены на поверхности жидкого продукта. В патенте WO 2004/024317 А1, к примеру, раскрыто ультразвуковое устройство для устранения пенообразования в большой таре. Это известное устройство использует круглые резонаторы тарельчатой формы, установленные на вращающемся устройстве и имеющие возможность изменения угла расположения рабочей поверхности пластин резонатора этого устройства по отношению к продукту. Посредством изменения угла расположения резонаторов тарельчатой формы и вращения двух устройств ультразвуковое поле фокусируется на определенной точке на поверхности сосуда с продуктом. Эта система имеет достаточно большую конструкцию и сложно применима в существующих линиях розлива без существенных модификаций. Более того, это известное ультразвуковое устройство требует сложных способов управления созданием ультразвукового поля и постоянным изменением угла излучения сфокусированного ультразвукового поля.
[0005] В патенте WO 2007/118285 А1 раскрыта система ультразвукового преобразователя с сонотродом, имеющим основную корпусную часть и поверхность для воздействия на жидкость на ее торце. Поверхность воздействия на пену у этого сонотрода имеет множество рогообразных углублений. Благодаря большому количеству углублений может излучаться более интенсивное ультразвуковое поле. Однако этот тип устройства для ультразвукового воздействия также имеет недостатки в виде невозможности устранить пенообразование в определенных прикладных задачах, например в линиях для розлива напитков в бутылки или другую тару.
[0006] В свете указанных выше недостатков решений существующего уровня техники задачей настоящего изобретения является предоставить сонотрод и ультразвуковое устройство с хотя бы одним сонотродом, которые более эффективны и более гибки в отношении применения на существующих производственных линиях и в отношении уменьшения и устранения пенообразования в различных производственных процессах.
[0007] Эта задача решается сонотродом с признаками п. 1 и устройством для генерирования ультразвукового поля в соответствии с признаками п. 11. Предпочтительные исполнения и характеристики изобретения раскрыты в соответствующих зависимых пунктах.
[0008] Сонотрод в соответствии с изобретением, как заявлено в п. 1, имеет главную корпусную часть с соединителем для подсоединения сонотрода к высокочастотному генератору и имеет переднюю поверхность, от которой ультразвуковое поле направляется в нужную точку или область продукта или на верхнюю часть обеспениваемого продукта. Сонотрод в соответствии с изобретением характеризуется тем, что главная корпусная часть имеет форму компактного бруска, а передняя поверхность является вогнутой по отношению к поверхности продукта, так что ультразвуковое поле фокусируется и направляется в определенную область пены обрабатываемого продукта более концентрированно по сравнению с несфокусированным ультразвуком. Вследствие вогнутой формы передней поверхности ультразвуковое поле более сконцентрировано по сравнению с плоской или выгнутой передней поверхностью. Углубление на передней поверхности в соответствии с изобретением имеет такую форму, чтобы достичь большего эффекта обеспенивания жидкого продукта. Вогнутая передняя поверхность сонотрода в соответствии с изобретением может иметь в частности форму скругленной канавки или канала с оптимизированной кривизной поверхности. Ультразвуковая частота высокой амплитуды, которая подается в сонотрод с помощью соединителя, эффективно передается имеющей форму бруска главной корпусной частью в вогнутую переднюю поверхность таким образом, чтобы эффективно устранить или уменьшить пенообразование в ходе обработки жидкого продукта.
[0009] В соответствии с предпочтительной формой реализации изобретения сонотрод имеет высокую выходную мощность, в частности выходную мощность ультразвука в воздухе от 1 до 10000 ватт, от 2 до 1000 ватт, предпочтительно от 5 до 800 ватт, более предпочтительно от 10 до 700 ватт, и еще более предпочтительно от 20 до 600 ватт.
[0010] В соответствии с предпочтительной формой реализации изобретения сонотрод имеет высокий амплитудный коэффициент, в частности амплитуду ультразвука с расстоянием между пиками от 1 до 150 микрон, предпочтительно от 5 до 140 микрон, более предпочтительно от 10 до 120 микрон, и еще более предпочтительно от 30 до 120 микрон. В ходе протяженных исследований авторы установили, что в таких диапазонах высокого амплитудного коэффициента возможно высокоэффективное устранение и уменьшение пены. Неожиданно эти высокочастотные коэффициенты оказались наиболее эффективными в целях обеспенивания жидких продуктов.
[0011] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения главная корпусная часть прямоугольной брусоподобной формы имеет утонение со стороны передней поверхности, которая увеличена по сравнению с утонением. Это означает, что сонотрод в верхней области имеет брусоподобную часть компактной формы с соединителем для подсоединения к высокочастотному генератору. Однако в нижней части, т.е. части, ближней к передней поверхности, которая необходима для направления ультразвукового поля на пену продукта, имеется область уменьшенного диаметра, так что сонотрод в поперечном сечении имеет древовидную форму. Эта форма наиболее эффективна для создания высокочастотного ультразвукового поля при компактной и - на первый взгляд - достаточно простой форме сонотрода. Установлено, что увеличенная часть передней поверхности при уменьшенном диаметре части между брусоподобной корпусной частью и передней поверхностью превосходна для передачи большого объема высокочастотного ультразвукового излучения на обрабатываемый продукт. Вследствие этого посредством такого типа сонотрода в соответствии с изобретением существенно увеличивается эффект обеспенивания.
[0012] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения между главной корпусной частью и передней поверхностью сонотрода, генерирующей фокусированное ультразвуковое поле высокой амплитуды, имеется поперечное сужение с продольными скругленными углублениями вдоль продольной оси L вогнутой передней поверхности, имеющей продольную ось L, приблизительно перпендикулярную продольной оси S самого сонотрода.
[0013] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения устройство сонотрода улучшает согласование полных сопротивлений с воздухом и как результат улучшает эффективность выхода ультразвуковой энергии и глубину проникания через воздух с энергией, достаточной для опадания пены на следующих расстояниях от поверхности излучения передней поверхности сонотрода: от 0,1 до 1000 мм, предпочтительно от 0,2 до 500 мм, более предпочтительно от 1 мм до 250 мм и наиболее предпочтительно от 10 мм до 100 мм.
[0014] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения устройство сонотрода имеет такую форму и размер, что оно может быть встроено в трубу, открытый желоб, закрытый или открытый бак, сосуд, тару (из стали, пластика, стекла, металла), содержащую/содержащий текучий материал пены, или пены и жидкости, или пены, жидкости и твердых частиц, и ультразвук, таким образом, что энергия, излучаемая с поверхности сонотрода или вогнутой передней поверхности, разрушает проходящую пену.
[0015] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения передняя поверхность сонотрода имеет прямоугольную форму со скругленной вогнутостью в продольном направлении L.
[0016] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения сонотрод имеет вогнутость на передней поверхности, образованную сегментом окружности с радиусом r от r=2 см до r=∞.
[0017] Сонотрод в соответствии с изобретением предпочтительно изготавливается из металлических материалов, таких как сталь (нержавеющая сталь), алюминий, никель, титан, или из сплавов этого типа материалов. Наилучшие результаты по обеспениванию были достигнуты с сонотродом, изготовленным из материала с высоким пределом прочности на растяжение (например, титанового сплава).
[0018] В соответствии с более предпочтительной формой реализации изобретения форма и конструкция брусоподобного сонотрода такова, что интенсивность ультразвука находится в пределах от 10 до 200 дБ, предпочтительно от 50 до 190 дБ, более предпочтительно от 70 до 180 дБ и наиболее предпочтительно от 100 до 175 дБ. Эти значения интенсивности ультразвука показали очень хорошие результаты по обеспениванию очень различных жидких продуктов, таких как напитки (кола, диетическая кола, диетические газированные фруктовые напитки, газированные фруктовые напитки на основе сахара, негазированные фруктовые напитки, имбирное пиво, напитки из корнеплодов, молочные продукты, молочно-фруктовые напитки, пиво, все газированные напитки, негазированные напитки, растворы брожения, жидкости на основе молочного белка, жидкости на основе соевого белка, жидкости на основе сывороточного белка, жидкости на основе масла и т.д.), а также химические и фармацевтические продукты.
[0019] В соответствии с более предпочтительным признаком сонотрода в соответствии с изобретением брусоподобная главная часть корпуса имеет круглый центральный соединитель для подсоединения к ультразвуковому генератору. Вследствие этого конструктивного решения брусоподобный элемент сонотрода имеет на своей верхней поверхности дискообразную центральную соединительную часть, которая оказалась очень эффективной для подачи и распределения ультразвукового поля высокой амплитуды от высокочастотного генератора к передней поверхности, которая излучает высокочастотный ультразвук на поверхность обрабатываемого продукта.
[0020] Настоящее изобретение раскрывает также устройство для обеспенивания жидких продуктов в промышленных производственных процессах, таких как химические, фармацевтические или относящиеся к напиткам, в соответствии с признаками п. 11, которое состоит из ультразвукового генератора, преобразователя с устройством охлаждения и хотя бы одного высокочастотного кабеля для подсоединения одного или более сонотрода к генератору. В соответствии с изобретением устройство отличается тем, что оно оснащено по меньшей мере одним сонотродом с высоким амплитудным коэффициентом в форме бруска в соответствии с хотя бы одним из предшествующих пп. 1-10.
[0021] В соответствии с предпочтительной формой реализации устройство имеет два сонотрода, установленных на общем "материнском" сонотроде так, что обе продольные оси L передних поверхностей по существу параллельны одна другой. За счет этого эффект обеспенивания увеличивается и за то же время может быть обработана большая область продукта.
[0022] В соответствии с еще одним признаком обеспенивающего устройства в соответствии с изобретением сонотроды устанавливаются с передними поверхностями вдоль направления движения на линии производства обрабатываемого продукта. Это означает, что продольные оси передних поверхностей имеют то же направление, что и движение продукта или бутылок на производственной линии. Благодаря этому излучается достаточно длинное ультразвуковое поле.
[0023] В качестве альтернативы сонотроды могут устанавливаться с передними поверхностями, расположенными под углом к направлению движения на линии производства обрабатываемого продукта. Предпочтительным углом между продольной осью L и направлением производственного процесса может быть α=90° или более предпочтительно α=45°. При таком продольном воздействии ультразвукового поля на поверхность продукта в некоторых определенных применениях обработка оказалась неожиданно более эффективной.
[0024] Дальнейшие преимущества, признаки и формы реализации раскрыты в последующем детальном описании некоторых исполнений изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
[0025] Фиг. 1 - аксонометрический вид первого примера реализации изобретенного сонотрода.
[0026] Фиг. 2a - аксонометрический вид примера реализации сонотродного устройства в соответствии с изобретением с двумя сонотродами, установленными в одну линию с производственным процессом.
[0027] Фиг. 2b - аксонометрический вид примера реализации сонотродного устройства в соответствии с изобретением с двумя сонотродами, установленными под углом к производственному процессу.
[0028] Фиг. 2c - аксонометрический вид дальнейшего примера реализации сонотродного устройства в соответствии с изобретением с двумя сонотродами, установленными под углом 90 градусов к производственному процессу.
[0029] На Фиг. 1 показан вид в аксонометрии первого примера реализации сонотрода в соответствии с изобретением. Сонотрод 10 в целом состоит из двух различных частей: во-первых, на верхней стороне находится главная корпусная часть 1, а во-вторых, в нижней части, которая также является частью, направленной в сторону обрабатываемого продукта, находится передняя поверхность 2, которая в соответствии с изобретением имеет вогнутость в направлении продукта (нижняя часть на Фиг. 1). Здесь главная корпусная часть 1 имеет прямоугольную или квадратную форму компактного брусоподобного элемента 40. На верхнем торце главной корпусной части 1 сонотрод 10 в соответствии с этим примером реализации имеет круглый центральный соединитель, который имеет форму диска, изготовленного из того же материала и являющегося единым целым с сонотродом 10. В этом примере реализации верхние грани главной корпусной части слегка скруглены, а с продольных граней снята фаска. В нижней половине сонотрода 10 имеется утонение 41, поперечное сечение которого имеет Y-образную форму со скругленными продольными углублениями и которое увеличивается к нижнему торцу сонотрода 10 с целью образования прямоугольной передней поверхности 2 с вогнутостью 21 в направлении обрабатываемого продукта. Вогнутость 21 имеет продольную ось L, которая перпендикулярна к общей продольной оси S сонотрода 10 и его главной корпусной части 1.
[0030] Соединение вогнутой передней поверхности 2 с главной корпусной частью 1 через утонение 41 приводит к отличной передаче ультразвуковых частот с высоким амплитудным коэффициентом от ультразвукового генератора к передней поверхности 2, с которой ультразвуковое поле должно излучаться сфокусированно на пену продукта, которая образуется, например, на верхней поверхности жидкого продукта в производственном сосуде.
[0031] Вогнутость передней поверхности 2 предпочтительно образована с радиусом r=2 см или более. Фокусировка ультразвукового поля, таким образом, оптимизируется с точки зрения задачи обеспенивания жидких продуктов. Вогнутая форма передней поверхности 2 создает более сфокусированный и тем самым более сконцентрированный ультразвук. Это увеличивает эффект предотвращения пенообразования. В соответствии с предпочтительным исполнением изобретенного сонотрода он имеет большой амплитудный коэффициент, в частности амплитуду ультразвука с расстоянием между пиками от 1 до 150 микрон, предпочтительно от 5 до 140 микрон, более предпочтительно от 10 до 120 микрон и более предпочтительно от 30 до 120 микрон. Эти значения являются наилучшими для устранения пены в большинстве жидких продуктов, в частности таких напитков, как кола или пиво.
[0032] Форма и конструкция сонотрода (10) в соответствии с изобретением таковы, что интенсивность ультразвука находится в пределах приблизительно от 10 до 200 дБ, предпочтительно от 50 до 190 дБ, более предпочтительно от 70 до 180 дБ и наиболее предпочтительно от 100 до 175 дБ. В этих пределах интенсивности сонотрод 10 дает наилучшие результаты и пенообразование предотвращается.
[0033] На Фиг. 2a, 2b и 2c показаны три различных примера реализации сонотродного устройства в соответствии с изобретением с двумя совмещенными сонотродами. Эти устройства 20 имеют каждое по два сонотрода 10, установленных на общем материнском сонотроде 4 или на общей базе. Материнский сонотрод 4 подсоединен к высокочастотному кабелю и ультразвуковому генератору (не показан) и передает частоту непосредственно на оба сонотрода 10. Эти сонотроды 10, по существу, имеют одинаковую форму и обладают такими же характеристиками, что и форма реализации, описанная в соответствии с Фиг. 1.
[0034] Материнский сонотрод 4 в примерах реализации (Фиг. 2a, 2b и 2c) является прямоугольным элементом в виде бруска с I-образным поперечным сечением, т.е. увеличенными торцевыми частями и уменьшенным диаметром в срединной части. Срединная часть материнского сонотрода 4 здесь имеет два продольных сквозных отверстия с целью уменьшения веса и для улучшения передачи ультразвука к двум сонотродам 10. Таким образом, оба сонотрода 10 приводятся в действие одинаковым увеличенным объемом ультразвука.
[0035] На Фиг. 2a показан пример реализации, в котором продольная ось L сонотродов 10 расположена вдоль или параллельно направлению движения на линии производства обрабатываемого продукта (ср. стрелки на Фиг. 2a).
[0036] На Фиг. 2b похожее ультразвуковое устройство 20 показано с тем отличием, что два параллельных сонотрода 10 установлены не вдоль направления движения продукта 3, а повернуты на угол приблизительно 45° (угол α=45°). В некоторых областях применения такая установка приводит к гораздо лучшим результатам.
[0037] Дальнейший пример реализации в соответствии с Фиг. 2c показывает оба сонотрода 10 повернутыми на угол в 90° по отношению к направлению движения продукта 3 или бутылок. За счет этого ширина сконцентрированного ультразвукового поля увеличивается. Количество сонотродов может быть увеличено и может быть больше двух. Более того, форма сонотродов 10 и материнского сонотрода 4 может быть изменена, если при этом передние поверхности 2 сонотродов 10 сохраняют вогнутость, увеличивающую эффект фокусировки, как указано в приложенной формуле.
[0038] Продукт 3 или жидкость, обеспениваемые сонотродом 10 или устройством 20 в соответствии с изобретением, может находиться в сосуде, таре и т.д. (на Фиг. 2a, 2b и 2c показаны только схематически). Или продукт разливается на линии розлива в отдельные бутылки или подобное. Изобретенный сонотрод и устройство особенно подходят для обоих применений благодаря новой конструкции сонотрода и высокофокусированному ультразвуковому полю. Таким образом, гибкость и вариативность областей применения сильно расширяется на очень разные промышленные производственные процессы, связанные с пенообразующими жидкостями.