УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам для формирования и излучения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности и может быть использовано при создании ультразвуковых аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов в жидких и дисперсных средах.
Известно, что ультразвуковые колебания высокой интенсивности и обусловленные ими нелинейные акустические эффекты в жидких средах (кавитация, акустические потоки, флотационный эффект и другие) способствуют ускорению различных физических и химических процессов. Для воздействия на жидкие среды ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности используются специальные устройства - ультразвуковые колебательные системы, осуществляющие преобразование энергии переменного электрического тока ультразвуковой частоты в упругие механические колебания, их трансформацию и излучение в технологическую среду.
Ультразвуковые колебательные системы выполняются по различным конструктивным схемам [1], наиболее эффективной из которых является ультразвуковая колебательная система с увеличенной излучающей поверхностью [2, 3].
Такие ультразвуковые колебательные системы состоят из ультразвукового преобразователя, содержащего одну рабочую частотно-понижающую накладку, выполненную в виде тела вращения, сужающегося по длине сечения, ограниченную со стороны акустического соединения с согласующим акустическим трансформатором плоской торцевой поверхностью, а с противоположной стороны поверхностью, образованной плоскими гранями, расположенными симметрично относительно продольной акустической оси на равных расстояниях от центра плоской торцевой поверхности, согласующего акустического трансформатора и ультразвукового излучателя. Излучатель такой колебательной системы выполняется в виде последовательно соединенных одинаковых по длине модулей ступенчато переменного диаметра. Излучающей поверхностью в этом случае являются участки переходов между участками различного диаметра и сама цилиндрическая поверхность большего диаметра.
Достоинством известных колебательных систем является увеличенная мощность, достигаемая за счет суммирования на общей частотно-понижающей накладке мощности пьзоэлектрических кольцевых элементов (пакетов) и увеличенная за счет многополуволнового излучателя поверхность излучения, обеспечивающая увеличение мощности акустических колебаний, вводимых в технологические среды для реализации промышленных технологий.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ультразвуковая колебательная система, принятая за прототип [4], состоящая из последовательно размещенных многопакетного ультразвукового преобразователя, состоящего из частотнопонижающих отражающих накладок, количество которых соответствует количеству пакетов, состоящих из четного числа пьезоэлементов кольцевой формы, установленных на общей частотнопонижающей излучающей накладке, полуволнового бустерного звена и ультразвукового излучателя, образованного путем последовательного соединения резонансных модулей.
Ультразвуковой преобразователь содержит одну рабочую частотно-понижающую накладку, выполненную в виде тела вращения, сужающегося по длине сечения, ограниченную со стороны акустического соединения с согласующим акустическим трансформатором плоской торцевой поверхностью, а с противоположной стороны поверхностью, образованной плоскими гранями, расположенными симметрично относительно продольной акустической оси на равных расстояниях от центра плоской торцевой поверхности, кратных нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале частотно-понижающей накладки на рабочей частоте ультразвуковой колебательной системы, с каждой гранью поверхности рабочей частотно-понижающей накладки акустически связана одна торцевая поверхность пакета, состоящего из четного количества пьезоэлектрических элементов, причем число пакетов пьезоэлектрических элементов равно числу плоских граней, другая торцевая поверхность каждого пакета пьезоэлектрических элементов акустически связана с отражающей частотно-понижающей накладкой, число которых равно числу пакетов пьезоэлектрических элементов, а акустическая длина каждого пакета пьезоэлементов и связанной с ним отражающей частотно-понижающей накладки соответствует четверти длины продольной акустической волны в материале рабочей частотно-понижающей накладки. Грани выполнены под таким углом к акустической оси всей колебательной системы, что акустические оси каждого пакета пьезоэлектрических элементов направлены в центр плоской торцевой поверхности.
К сожалению, наряду с несомненными достоинствами, колебательная система, принятая за прототип обладает рядом существенных недостатков:
1. Недостаточная величина амплитуды колебаний излучающих поверхностей полуволновых резонансных модулей, что приводит к снижению эффективности воздействия каждого последующего звена и соответственно снижению эффективности излучения колебательной системы в целом и неравномерности излучения и ультразвуковой обработки вдоль излучателя за счет недостаточной интенсивности излучения;
2. Низкий КПД, обусловленный большой поверхностью излучения с небольшим выходом акустической энергии в обрабатываемые среды.
2
Таким образом, выявленные недостатки снижают эффективность применения ультразвуковой колебательной системы в составе ультразвукового оборудования, принятой за прототип и ограничивают ее функциональные возможности при реализации ультразвуковых технологий, связанных с вводом в технологический объем УЗ колебаний высокой интенсивности (более 10-30 Вт/см) для реализации кавитационного режима обработки, например высоковязких и высокодисперных сред, характеризующихся аномально высоким затуханием и повышенной кавитационной прочностью.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков прототипа и создание ультразвуковой колебательной системы состоящей из многопакетного преобразователя, характеризующегося максимальным коэффициентом преобразования электрической энергии в энергию ультразвуковых колебаний, максимальным коэффициентом усиления ультразвукового излучателя, обеспечивающего равномерное излучение вдоль всех полуволновых резонансных модулей с интенсивностью излучения, достаточной для обеспечения кавитационного режима воздействия по всему обрабатываемому объему.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой колебательной системе, состоящей из последовательно размещенных и акустически связанных между собой многопакетного ультразвукового преобразователя, включающего частотнопонижающие отражающие накладки, соответствующие числу накладок пакеты из четного числа пьезоэлементов кольцевой формы, установленные на общей частотнопонижающей излучающей накладке, полуволнового бустерного звена и ультразвукового излучателя, выполненного в виде стержня, имеющего участки различного диаметра, переходы между участками различного диаметра излучателя выполнены в виде углублений внутрь цилиндрического участка большего диаметра, причем форма углублений имеет в сечении форму усеченного конуса с углом при основании конуса, выбранным из условия:
,
где λ - длина волны в материале излучателя на рабочей частоте колебательной системы, [м]; D - диаметр большего цилиндрического участка излучателя, [м]; d - диаметр меньшего цилиндрического участка, [м].
Технический результат выражается в создании ультразвуковой колебательной системы, характеризуемой максимальным коэффициентом преобразования электрической энергии в энергию ультразвуковых колебаний, максимальным коэффициентом усиления ультразвукового излучателя, обеспечивающего равномерное излучение вдоль всех полуволновых резонансных модулей с интенсивностью излучения, достаточной для обеспечения кавитационного режима воздействия по всему обрабатываемому объему, позволяющей производить интенсивную обработку жидких сред различной вязкости и дисперсного состава и предназначенной для эффективного решения задач диспергирования, эмульгирования, экстрагирования, очистки в химической, фармацевтической и пищевой промышленностях.
Предложенная форма излучающей поверхности позволяет обеспечить максимальное ультразвуковое воздействие на обрабатываемые среды благодаря тому, что колебания распространяются с излучающих конических поверхностей перпендикулярно им и отражаются в обрабатываемый объем с цилиндра меньшего диаметра.
Как и в прототипе, ультразвуковой многопакетный преобразователь содержит общую частотнопонижающую излучающую накладку многопакетного пьезоэлектрического преобразователя, выполненную в виде тела вращения, образованную вращением гладкой кривой относительно акустической оси, имеющую две торцевые поверхности, одна из которых, контактирующая с бустерным звеном, является плоской, а на второй выполнены грани, количество которых и размер соответствуют количеству и диаметру пьезоэлементов.
Ультразвуковой излучатель, входящий в состав разработанной конструкции, образуется путем последовательного соединения резонансных модулей в единую конструкцию.
Однако отдельные полуволновые модули, входящие в состав ультразвукового излучателя, выполнены по определенной конструкции, где переходы между участками различного диаметра излучателя выполнены в виде углублений внутрь цилиндрического элемента большего диаметра, причем форма углублений имеет в сечении форму усеченного конуса с углом при основании конуса, выбранным из выражения:
где λ - длина волны в материале излучателя, [м];
D - диаметр большего цилиндрического участка, [м];
d - диаметр меньшего цилиндрического участка, [м];
Сущность предлагаемого технического решения поясняется Фиг. 1-4.
На Фиг. 1 показана схема предлагаемой ультразвуковой колебательной системы. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - отражающая частотно-понижающая накладка; 2 - пьезоэлектрические элементы; 3 - бустерное звено; 4 - четырехполуволновой ультразвуковой излучатель.
На фиг. 2 схематично показан полуволновой модуль с переходами конической формы (с оптимальным углом при основании конуса), выполненными во внутрь цилиндрических участков большего диаметра.
На фиг. 3 представлено распространение ультразвуковых колебаний излучающими поверхностями и отражение их от поверхности цилиндра меньшего диаметра в обрабатываемый объем.
ак
2
На фиг. 4 представлены зависимости основных характеристик ультразвукового оборудования (Р, Вт; I, Вт/см) в зависимости от формы излучающих участков (радиальный переход различного радиуса, прямоугольный, конический).
Как видно из фиг. 4, наилучшими показателями обладает ультразвуковая колебательная система с излучателем, имеющим углубления конической формы внутрь цилиндрического участка большего диаметра (столбец 5), выполненными в соответствии с предложенным техническим решением.
Исследования предложенных и разработанных ультразвуковых колебательных систем, содержащих ультразвуковые преобразователи на базе 3, 4 и 7 пакетов пьезоэлектрических элементов, содержащих по 2 или 4 пьезоэлемента и излучатели, состоящие из 4-9 модулей позволило обеспечить мощность излучения в водную среду до 8 кВт при коэффициенте полезного действия до 0,8.
Предложенная ультразвуковая колебательная система прошла успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета, будет производиться малым инновационным предприятием ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» с 2013 года.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Хмелев, В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст] / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. - Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.
7
2. Ультразвуковое устройство: пат. 2248850 Российская федерация: МПК B06B 1/06, G01N 29/00. /Н.П. Коломоец, А.А. Новик; заявитель и патентообладатель ООО «Ультразвуковая техника - инлаб». №2004118752/28; заявл. 21.06.2004; опубл. 27.03.2005 Бюл. №9.
3. Hielscher - Ultrasound Technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hielscher.com/ultrasound/i4000_p.htm
4. Ультразвуковая колебательная система: пат.2473400 Российская федерация: МПК B06B 1/06, C2. /В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, С.В. Левин, С.С. Хмелев; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий». №2473400; заявл. 10.08.2011; опубл. 27.01.2013.