УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ГАЗОВЫХ СРЕД

Изобретение относится к области техники активного воздействия ультразвуковыми колебаниями (УЗ) высокой интенсивности в газовых средах, а именно к устройствам интенсификации процессов коагуляции (очистка газовых выбросов вредных веществ промышленных предприятий, улавливание и возвращение готового продукта в производственный цикл, технологическая подготовка газов), сушки (удаление влаги из термолабильных, горючих и взрывоопасных материалов), пеногашения (производство бумаги, пластмассы, моющих средств, лаков и эмалей, спирта, пива и газированных напитков и т.д.), а также распыления жидкостей (обработка биотканей с одновременным напылением на ее поверхность лекарственного препарата, распыление фоторезиста при изготовлении интегральных схем и др.).
Требования современных производств по повышению эффективности, уменьшению энергоемкости, увеличению скорости различных технологических процессов в газовых средах обуславливают необходимость поиска новых эффективных способов их интенсификации.
Одним из перспективных способов интенсификации процессов является применение акустических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности [1].
Эффективность воздействия ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности на различные технологические процессы в газовых средах подтверждена многочисленными исследованиями [2-4], позволившими установить следующее:
1. Использование ультразвуковых колебаний высокой интенсивности для очистки промышленных отходящих газов (в частности, для улавливания и осаждения готового продукта) позволяет увеличить эффективность пылеулавливающих установок и довести ее значение до 93-97% без применения электростатических или рукавных фильтров.
2. Необходимая степень удаления влаги при сушке в акустическом поле позволяет повысить качество конечного продукта и увеличить скорость процесса, снизить энергопотребление, обеспечить сушку материалов без повышения температуры. Кроме того, обработка сельскохозяйственного сырья ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах высушиваемого продукта (сохраняет вкусовые качества продукции, увеличивает срок хранения и всхожесть семян и др.).
3. Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности для пеногашения исключает применение химических реагентов, а также контакт с разрушаемой пеной, что позволяет обеспечить стерильность конечного продукта. Кроме того использование ультразвуковых колебаний высокой интенсивности для гашения пен легковоспламеняющихся жидкостей иногда является единственно возможным способом их устранения.
4. Применение дисковых излучателей для распыления жидкостей, подаваемых на излучающую поверхность, обеспечивает максимально возможную эффективность (минимальные энергозатраты) распыления жидкости, в сравнении с известными методами распыления.
В настоящее время для интенсификации процессов в различных технологических средах применяются пьезоэлектрические ультразвуковые колебательные системы [4]. Однако необходимое для осуществления процессов в газовых средах ультразвуковое воздействие с интенсивностью 130…150 дБ невозможно обеспечить классическими пьезоэлектрическими ультразвуковыми колебательными системами. Это ограничивает возможности промышленного применения ультразвука в газовых средах и обуславливает необходимость создания новых устройств, основанных на более эффективном принципе создания высокоинтенсивных УЗ колебаний.
Среди известных ультразвуковых колебательных систем [5-9], предназначенных для интенсификации технологических процессов в газовых средах, наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой, является ультразвуковая колебательная система по патенту [10], принятая за прототип.
Ультразвуковая колебательная система для газовых сред, принятая за прототип, состоит из последовательно расположенных и акустически связанных между собой пьезоэлектрического преобразователя, концентратора механических колебаний и излучателя в виде диска, толщина которого изменяется вдоль радиуса диска.
Для эффективной генерации звуковых и ультразвуковых колебаний в газовых средах излучатель выполнен в виде диска, способного совершать изгибные колебания на частотах, кратных основной частоте излучателя. Излучатель имеет ступенчато-переменный профиль со стороны излучающей поверхности. Пьезоэлектрический преобразователь выполнен по известной схеме преобразователя Ланжевена и состоит из последовательно размещенных и акустически связанных отражающей частотно-понижающей накладки цилиндрической формы, пьезоэлектрических элементов и рабочей частотно-понижающей накладки цилиндрической формы.
Пьезоэлектрический преобразователь совершает продольные колебания на резонансной частоте, определяемой продольным размером (длиной) всей конструкции. Продольные колебания, поступающие через концентратор на излучатель, преобразуются в изгибные колебания, которые излучаются в газовую среду.
Основные недостатки прототипа заключаются в следующем:
- прототип обеспечивает формирование узконаправленного излучения, имеющего форму конуса, что негативно сказывается на равномерности распределения колебаний в закрытых устройствах (бункера, трубопроводы, сушилки, коагуляторы и т.д.);
- характеризуется низкой эффективностью излучения в газовые среды (не способен создавать колебания с интенсивностью более 130 дБ) ввиду малости масс отдельных участков излучателя, а также недолговечностью из-за разрушения тонких участков, что приводит к выходу излучателя из строя;
- наличие ступенчатого со стороны излучающей поверхности профиля диска не позволяет использовать прототип для контактного (или бесконтактного с малым полуволновым зазором) воздействия (например, для контактной (или через резонансные промежутки размером в несколько миллиметров) сушки некоторых материалов, а также снижает эффективность при использовании излучателя для распыления жидкости;
- крепление дискового излучателя к концентратору посредством болтового соединения через отверстие в центре диска создает дополнительный выступающий участок в центре излучателя (головка болта), искажающий распределение колебаний по поверхности дискового излучателя и картину поля излучения в газовую среду. Это не позволяет эффективно согласовать излучатель с преобразователем, снижая эффективность всей системы.
Таким образом, устройство, принятое за прототип, не позволяет интенсифицировать технологические процессы в газовых средах с максимально возможной эффективностью.
В предлагаемой ультразвуковой колебательной системе для газовых сред, состоящей из последовательно расположенных и акустически связанных между собой пьезоэлектрического преобразователя, концентратора механических колебаний и излучателя в виде диска или прямоугольной пластины, толщина которых изменяется вдоль радиуса диска или большей стороны пластины, геометрические размеры излучателя выбирают из условия формирования колебаний на рабочей частоте, кратной основной частоте излучателя. В зонах минимальной амплитуды колебаний излучателя, со стороны его крепления к концентратору выполняют, превосходящие толщину излучателя, выступающие участки, причем их ширину и высоту выбирают из условия обеспечения излучения колебаний со стороны, противоположной выступающим участкам в одной фазе. Крепление излучателя к концентратору реализуют хвостовиком, выполненным заодно с излучателем
В предлагаемом устройстве задача повышения эффективности колебательной системы, предназначенной для реализации технологических процессов в газовых средах обеспечивается за счет:
- использования в качестве излучателя диска или пластины изменяющейся со стороны крепления к концентратору по толщине, совершающих изгибные колебания (обеспечивающих больший выход энергии, поскольку волновое сопротивление изгибно-колеблющегося излучателя лучше согласуется с волновым сопротивлением газовой среды);
- выполнения излучателя в виде изгибно-колеблющегося диска или пластины с плоской излучающей поверхностью, обеспечения излучения УЗ колебаний на участках, противоположных выступающим участкам со стороны излучающей поверхности в одной фазе, обеспечения за счет этого равномерности излучения колебаний ультразвукового диапазона по поверхности излучателя, а также на удаленном расстоянии от него (в дальней зоне излучения);
- обеспечения возможности формирования режимов стоячей волны и резонансного усиления при использовании встречно направленных излучателей или отражении от препятствий, поскольку создаваемые предложенным устройством колебания являются синусоидальными;
- крепления излучателя в виде диска или прямоугольной пластины к ультразвуковой колебательной системе с помощью хвостовика, выполненного заодно с излучателем, что позволяет наиболее эффективно согласовать их, устранить дополнительную массу в виде головки болта и выступающий участок на излучающей поверхности, тем самым повысив эффективность;
- возможности использования плоской излучающей поверхности излучателя в виде диска или прямоугольной пластины для контактной сушки и распыления;
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг.1-3. На фиг.1 представлен эскиз предлагаемой ультразвуковой колебательной системы для интенсификации процессов в газовых средах (коагуляция, сушка, пеногашение, распыление) с местным разрезом излучателя в виде диска или прямоугольной пластины. На фиг.2 представлен эскиз ультразвуковой колебательной системы с излучателем в виде диска. На фиг.3 - эскиз ультразвуковой колебательной системы с излучателем в виде прямоугольной пластины.
Предлагаемое устройство состоит из излучателя ультразвуковых колебаний в виде диска или пластины 1, изгибно-колеблющегося на частотах, кратных основной, акустически и механически соединенного посредством хвостовика с резьбой с концентратором 2 колебательной системы. Ультразвуковая колебательная система в свою очередь состоит из концентратора 2 и преобразователя, состоящего из рабочей частотнопонижающей накладки 3, несколько пьезоэлетрических элементов 4 с отражающей накладки 5. Пьезоэлектрический преобразователь питается от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты (на фиг.1 не показан).
Предлагаемое устройство при интенсификации процессов в газовых средах работает следующим образом: включается генератор, электрические колебания, частота которых соответствует заданной гармонической составляющей (максимальной частоте) колебаний дискового излучателя, подаются на электроды пьезоэлектрических элементов, где происходит преобразование электрических колебаний подаваемой частоты всеми пьезоэлементами в продольные колебания преобразователя, через концентратор продольные колебания подводятся к излучателю и возбуждают его на резонансной частоте, соответствующей одной из мод или гармонических составляющих основной частоты изгибных колебаний излучателя в виде диска или пластины. Расположенные со стороны крепления излучателя 1 к концентратору выступы обеспечивают излучение колебаний в одной фазе.
Создаваемое излучение обеспечивает энергетическое воздействие ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности на заданной частоте в газовых средах. Воздействие осуществляется до установления необходимых технологических условий (укрупнение частиц до требуемого размера, необходимая степень удаления влаги при сушке, поддержание необходимого уровня пены, а также требуемая производительность распыления).
Для определения эффективности воздействия ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности в газовых средах был создан опытный образец и проведены испытания, позволившие установить, что уровень звукового давления колебаний, формируемых с помощью УЗ колебательной системы с излучателем в виде диска или прямоугольной пластины, на расстоянии 1 м. составлял не менее 150 дБ. Приведенные значения показывают эффективность предлагаемого технического решения и перспективность его применения. Серийный выпуск данного устройства планируется осуществить в 2013 году на базе предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Источники мощного ультразвука [Текст] / под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1967. - 265 с.
2. Ультразвуковая коагуляционная камера для работы в агрессивных средах [Текст] / В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, К.В. Шалунова. Сборник научных трудов «Современные проблемы радиоэлектроники» / Под ред. А.И. Громыко, А.В. Сарафанова. - Красноярск: ИФК СФУ, 2009. - С.232-235.
3. Ultrasonic coagulation on the basis of piezoelectric vibrating system with focusing radiator in the form of step - variable plate [Текст] / Khmelev V.N., Galakhov A.N., Tsyganok S.N., Lebedev A.N., Shalunov A.V, Khmelev M.V. 11th Annual International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron, EDM'2010 - Proceedings: Altai 2010. C. 376-379.
4. Разработка пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов в газовых средах [Текст] / Хмелев В.Н., Цыганок C.H., Шалунов А.В., Лебедев А.Н., Хмелев С.С., Галахов А.Н. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. №1. С.148-157.
5. Способ коагуляции инородных частиц в газовых потоках [Текст] пат.2447926 Рос.Федерация: МПК B01D 51/08, B03D 3/04 / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Цыганок CH., Барсуков Р.В., Шалунова К.В., Галахов А.Н.; патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ); заявка №2010123572/05 от 09.06.2010; опубликовано 20.04.2012.
6. Ультразвуковой газоструйный излучатель [Текст]: пат.1789301 Рос.Федерация: МПК5 B06B 1/20 / Митин А.Г., Хмелев В.Н.; патентообладатель: Научно-производственное объединение "АЛТАЙ"; заявка №4898490 от 02.01.1991. Опубликовано: 23.01.1993.
7. Acoustic transducer system [Текст]: пат.4768615 США: МПК7 G10K 11/26; G10K 13/00; H04R 1/28; H04R 1/34; G10K 11/00; G10K 13/00; H04R 1/28; H04R 1/32 / Steinebrunner Edwin, Berger Wolfram (Германия); патентообладатель: Endress u. Hauser GmbH u. Со. (Германия); заявка: №07/007102 от 27.01.1987; опубликовано: 06.09.1988.
8. Electroacoustic unit for generating high sonic and ultra-sonic intensities in gases and interphases [Текст]: пат.5299175 США: МПК7 B06B 1/02; B06B 3/04; G10K 13/00 / Gallego Juarez Juan Antonio., Rodriguez Corral German., San Emetero Prieto Jose L., Montoya Vitini Fausto (Испания); патентообладатель: Consejo, Superior De Investigaciones Científicas (Испания); заявка №08/006040 от 19.01.1993; опубликовано: 29.03.1994.
9. Macrosonic generator for the air-based industrial defoaming of liquids [Текст]: пат.7719924 B2 США: МПК H04R 17/00; B06B 1/02; G10K 9/12; G10K 11/02; H04R 15/00 / Gallego Juarez Juan Antonio., Rodriguez Corral German., Montoya Vitini Fausto., Acosta Aparicio Victor., Riera Franco De Sarabia Enrique., Blanco Blanco Alfonso (Испания); патентообладатель: Insituto de Acustica (Испания); заяка №11/989544 от 27.07.2005, опубликовано 18.05.2010.
10. Ультразвуковой излучатель для газовых сред [Текст]: пат.117835 Рос.Федерация: МПК B06B 1/06 / Вьюгинова Α.Α., Новик А.А.; патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ"; заявка №2012114036/28 от 10.04.2012; опубликовано 10.07.2012.
11. Equipo electroacustico para la generacion de altas intensidades sonicas y ultrasonicasen gases e interfases [Текст]: пат.2017285 Испания: МПК6 G10K 9/13 / Gallego Juarez J.A., Rodrguez Corral G., San Emeterio Prieto J.L., Montoya Vitini, F. (Испания); патентообладатель: Consejo superior investigacion (Испания); заявка: №8903371 от 06.10.1989; опубликовано: 16.01.1991. - прототип.