Ультразвуковой распылитель

Предлагаемая полезная модель относится к ультразвуковым устройствам для  аэрозольного распыления жидкостей и может быть использована в различных отраслях промышленности, в частности в спектральном анализе для подачи аэрозоля в источник возбуждения спектров.
Известен ультразвуковой распылитель (патент РФ на ПМ № 146359 B05B 17/06  2014) содержащий ультразвуковой генератор с акустическим 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 динамометрического ключа.
Известен распылитель (Заявка JP 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.
Известен  ультразвуковой распылитель (Патент РФ № 2119390, B05B 17.06.1998 г.) содержащий ультразвуковой преобразователь, механически связанный с концентратором. На торце концентратора установлен узел для распыления жидкости, выполненный в виде смесительной камеры с входными патрубками для подвода жидкости и транспортирующего газа и выходным патрубком для отбора аэрозоля распыляемой жидкости, причем, и смесительная камера и выполненный заодно с ней выходной патрубок, активированы ультразвуком.
Известен ультразвуковой распылитель (патент РФ на ПМ № 157338 B05B 17.06.2015), содержащий ультразвуковой преобразователь, механически связанный с концентратором, на торце концентратора установлен узел для распыления жидкости с входными патрубками для подвода жидкости и транспортирующего газа и выходным патрубком для отбора аэрозоля распыляемой жидкости, причем узел для распыления жидкости выполнен разъемным, состоящим из двух частей - основания с винтом крепления к концентратору и фасонной шайбы, обе части имеют согласованные концентрические проточки, образующие смесительную камеру, входные и выходной патрубки, установлены в радиальные отверстия между основанием и фасонной шайбой и поджаты шайбой к основанию, при его завинчивании в торец концентратора, при этом патрубки расположены перпендикулярно распространению ультразвуковых колебаний, свободные концы входных патрубков зажаты в скользящие контакты, а распыляющий торец выходного патрубка выполнен скошенным под определенным углом, причем его длина выбрана такой, чтобы скошенный торец находился в максимуме собственных колебаний патрубка
Ближайшим аналогом является ультразвуковой распылитель (Патент РФ на ПМ №128521, B05B 17.06.2013 г.) 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 при работе распылителя возникают большие напряжения в месте крепления трубок к распыляющей насадке, которые приводят к их обрыву (трубок) через некоторое время работы. Кроме того, при эксплуатации распылителя необходимо соблюдать компромисс и выбирать частоту близкой к резонансной, при которой еще будет происходить распыление масла, но не будет разрушения (обрыв трубки).
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего путем изменения конструкции распылителя, уменьшить отношение напряжения в точке крепления распыляющей трубки с рабочим телом к максимальному напряжению в первой пучности.
Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковом распылителе, содержащем 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 стальная трубка, вставленная в канал подачи распыляемой жидкости разделена на два патрубка для подвода жидкости и патрубка для распыления жидкости, которые натугую вставлены в прилив с отверстием в нижней части  насадки, диаметр  которого увеличен до 9 мм. Дальнейшее увеличение размера прилива сказывается на весе распыляющей насадки и требует увеличение мощности ультразвукового генератора.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом (Фиг. 1). Геометрическая модель модифицированного смесителя и разбиение ее на конечные элементы показаны на Фиг.2.
Разработанное устройство представляет собой ультразвуковую колебательную систему Фиг.1, выполненную на 4-х пьезокерамических кольцах 1 толщиной 2 мм, внешним и внутренним диаметром 10 мм и 5 мм, соответственно.  На акустический волновод  2 с помощью резьбового соединения крепится насадка 3, выполненная из титана ВТ3-1. Стальная трубка, вставленная в канал подачи распыляемой жидкости разделена на две трубки - подводящую масло 4  и распыляющую 5, которые натугую впрессовываются в прилив с отверстием 6 в нижней части насадки. Вдоль оси ультразвуковой колебательной системы и распылительной насадки имеется канал  7 для подачи транспортирующего газа в распылительную насадку 3. Транспортирующий газ (воздух)  подается через штуцер 8. Диаметр прилива с отверстием 6 увеличен до 9 мм.
Использование двух трубок вместо одной цельной трубки позволяет упростить эксплуатацию распылителя, так как не надо заменять всю трубку, а только распыляющую часть.
Устройство работает следующим образом:
По патрубкам 4 и 8 в смесительную насадку - 3 подаются жидкость и транспортирующий газ (воздух). В камере 3 под действием ультразвуковых колебаний жидкость превращается в мелкодисперсный золь и смешивается с потоком транспортирующего воздуха, образуя воздушно-капельную смесь, которая выводится из распылителя с транспортирующим газом через патрубок 5. 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 с помощью программы Ansys на частоте резонанса 19,200 кГц. Как и следовало ожидать, максимальные напряжения находятся в пучностях стоячей волны и в месте соединения распыляющего патрубка с рабочим телом распылителя.
В точке первой пучности эквивалентное напряжение Мезиса (Equivalent (von-Mises) Stress) составляет ~2,1e9Pa, во второй пучности ~1,7e9Pa, а в месте соединения распыляющего патрубка с рабочим телом ~1,6e9Pa. В таблице 1 приведены данные максимального количества циклов сжатия-растяжения для стали в зависимости от напряжения, которые внесены в базу свойств материалов в программе Ansys.
По сравнению с прототипом, в модифицированной конструкции отношение напряжения в точке крепления распыляющего патрубка с рабочим телом к максимальному напряжению в первой пучности уменьшается в 10 раза.
Результирующие данные по сравнению предельных напряжений приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение предельных напряжений, возникающих в оригинальной конструкции смесителя с модифицированной конструкцией.
Частота Гц
Первая пучность напряжения Pa
Вторая пучность напряжения Pa
Место крепления патрубка с рабочим телом смесителя напряжения Pa
Предельное количество циклов точке крепления
Коэффициент усиления
Прототип резонанс 19 200Гц
19 200
2,1e9
1,7e9
1,6e9
50-100
350
20 000
4,9e7
3,7e7
3,4e7
>1e6
8
Модифицированная конструкция резонанс 22 320Гц
22 320
2,0e10
1,4e10
1,1e9
50-100
2565
22 000
2,7e8
1,8e8
1,8e7
>1e6
35
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
Расчеты напряжений показали, что в этом случае максимальные напряжения, возникающие в месте крепления, уменьшаются в 10, следовательно, увеличивается время безотказной работы распылителя и, как минимум, в 10 раз возрастает ресурс.
Технический результат - увеличение ресурса распылителя и упрощение его эксплуатации.