Ультразвукове кавітаційне обладнання

Реферат: Ультразвукове кавітаційне обладнання містить резонансну трубчасту кавітаційну камеру, виконану у вигляді цілісної труби, акустично розв'язаної з місцями кріплення та під'єднання. На зовнішній твірній поверхні трубки вздовж твірних ліній посекційно встановлені складені ультразвукові перетворювачі з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, які електрично підключені до генератора електричних коливань. Місце розміщення ультразвукових перетворювачів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби. Для можливості фільтрування рідини трубчаста кавітаційна камера розміщена вертикально, в нижній частині з'єднана з конусоподібним шламозбірником, який має патрубок для відведення фільтрату, крім того, може містити клапан UA 108589 C2 (12) UA 108589 C2 для автоматизованого видалення фільтрату. Всередині камери здовж осі розміщений трубчастий циліндричний фільтрувальний елемент, виконаний у вигляді труби з наскрізними поздовжніми вікнами, на зовнішній поверхні якої в області поздовжніх вікон виконана різьбова канавка, в яку укладений та закріплений дріт круглого перерізу з утворенням фільтрувального зазору між витками дроту, що ділить кавітаційну камеру на частину з засміченою рідиною з патрубком для підведення рідини, та частину з очищеною рідиною з патрубком для відведення рідини. Камера з очищеною рідиною утворена всередині фільтрувального елемента. UA 108589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в процесах, що відбуваються в рідкому середовищі, наприклад, при фільтруванні рідин, знезаражуванні рідин, тобто знищенні вірусів та мікроорганізмів, створенні високоякісних стійких емульсій, освітленні стічних вод, холодній стерилізації молока, активації рідин та палива і т.п. Для інтенсифікації технологічних процесів, пов'язаних з рідиною, використовують різні фізичні фактори впливу, наприклад ультразвукові коливання, які діють через так звані ефекти першого порядку (частоту, інтенсивність і т.п.) і ефекти другого порядку, до яких відноситься кавітація. Використання ультразвукових коливань значною мірою залежить від режимів випромінювання ультразвукової енергії та особливостей побудови технологічного обладнання, що реалізує вказані технології. Відоме ультразвукове кавітаційне обладнання (UA № 55323, МПК C02F1/36, бюл. № 3, 2003), яке містить кавітаційну камеру у вигляді вертикального циліндричного корпусу з шламозбірником у нижній конічній частині корпусу, фільтрувальну перегородку, що ділить кавітаційну камеру на частину з засміченою рідиною з патрубком для підведення рідини, та частину з очищеною рідиною з патрубком для відведення рідини, а також встановлені на корпусі ультразвукові випромінювачі, що випромінюють ультразвукові коливання в кавітаційну камеру. Недоліком відомого пристрою є низький ступінь ультразвукової обробки із-за низької кількості ультразвукових випромінювачів, що вводять ультразвукові коливання в кавітаційну камеру. Це не дозволяє виготовити ультразвукове кавітаційне обладнання для фільтрування та обробки рідини достатньо великої продуктивності. Крім того, фільтрувальна перегородка з часом руйнується за рахунок кавітаційної ерозії, що призводить до виходу обладнання з ладу. Відоме ультразвукове кавітаційне обладнання (UA № 96990, МПК C02F1/36, 9/02, 1/48, 9/12, 1/30, бюл. № 24, 2011), яке містить кавітаційну камеру у вигляді вертикального циліндричного корпусу з конічним шламозбірником у нижній частині корпусу, фільтрувальну циліндричну перегородку, що ділить кавітаційну камеру на частину з засміченою рідиною з патрубком для підведення рідини, та частину з очищеною рідиною з патрубком для відведення рідини, а також встановлений на корпусі ультразвуковий випромінювач, що випромінює ультразвукові коливання в кавітаційну камеру. Недоліком відомого пристрою є використання лише одного ультразвукового випромінювача. Незважаючи на те, що випромінювач з розвиненою поверхнею випромінювання та значною потужністю, що недостатньо для отримання значної продуктивності обробки рідини. Через фільтрувальну перегородку в частину камери з засміченою рідиною проходить тільки незначна частина ультразвукової енергії, тому що ультразвуковий випромінювач знаходиться в камері з очищеною рідиною. Тому і кавітаційна обробка та очищення фільтрувальної перегородки від забруднення, яке відбувається з боку камери з забрудненою рідиною є неефективним. Найбільш близьким до запропонованого є ультразвукове кавітаційне обладнання (UA № 92987, МПК C02F 1/36, 1/48, B01D 19/00, A61L 2/02, бюл. № 24, 2010), яке містить резонансну трубчасту кавітаційну камеру, виконану у вигляді суцільної труби, акустично розв'язаної з місцями кріплення та під'єднання, на зовнішній твірній поверхні якої здовж твірних ліній посекційно встановлені складені ультразвукові перетворювачі з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, які електрично підключені до генератора електричних коливань системи автоматичного керування таким чином, що в трубі збуджуються резонансні радіальні або радіально-згинні та поздовжньо-згинні коливання, а місце розміщення ультразвукових перетворювачів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби, або виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених кілець, на кожному з яких розміщені окремі секції ультразвукових перетворювачів, а товщина кілець вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань. В даному випадку за рахунок застосування великої кількості ультразвукових випромінювачів в кавітаційну ванну вводиться значно більша ультразвукова енергія, що дає можливість обробляти рідину з великою продуктивністю. Крім того, в даному випадку кавітаційна камера виконана резонансною, тобто вся її поверхня збуджена в резонансі і ефективно коливається разом з ультразвуковими випромінювачами. Це значно збільшує площу поверхні випромінювання, що дає можливість узгодити підведення акустичної енергії з рідинним навантаженням і ввести в рідину ультразвукові коливання з високим ККД. Недоліком відомого пристрою є те що конструкція ультразвукового кавітаційного обладнання не передбачає можливість фільтрування рідини через те що фільтрувальна 1 UA 108589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 перегородка відсутня, розділення кавітаційної камери на частину з чистою рідиною та частину з засміченою рідиною не передбачене, а також не передбачає можливості відведення накопиченого фільтрату. В основу винаходу поставлено задачу реалізації технологічного процесу фільтрування рідини в кавітаційному середовищі з забезпеченням значної продуктивності та довговічності технологічного обладнання шляхом вдосконалення ультразвукового кавітаційного обладнання, яке містить резонансну трубчасту кавітаційну камеру, виконану у вигляді суцільної труби, акустично розв'язаної з місцями кріплення та під'єднання, на зовнішній твірній поверхні якої здовж твірних ліній посекційно встановлені складені ультразвукові перетворювачі з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, які електрично підключені до генератора електричних коливань системи автоматичного керування таким чином, що в трубі збуджуються резонансні радіальні або радіально-згинні та поздовжньо-згинні коливання, а місце розміщення ультразвукових перетворювачів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби, або виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених кілець, на кожному з яких розміщені окремі секції ультразвукових перетворювачів, а товщина кілець вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань, Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковому кавітаційному обладнанні, яке містить резонансну трубчасту кавітаційну камеру, виконану у вигляді суцільної труби, акустично розв'язаної з місцями кріплення та під'єднання, на зовнішній твірній поверхні якої здовж твірних ліній посекційно встановлені складені ультразвукові перетворювачі з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, які електрично підключені до генератора електричних коливань системи автоматичного керування таким чином, що в трубі збуджуються резонансні радіальні або радіально-згинні та поздовжньо-згинні коливання, а місце розміщення ультразвукових перетворювачів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби, яка може бути виконана у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених кілець, на кожному з яких розміщені окремі секції ультразвукових перетворювачів, а товщина кілець вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань, трубчаста кавітаційна камера розміщена вертикально, в нижній частині якої розташований конусоподібний шламозбірник з патрубком для відведення фільтрату, а всередині камери здовж осі розміщений трубчастий циліндричний фільтрувальний елемент, що ділить кавітаційну камеру на частину з засміченою рідиною з патрубком для підведення рідини, та частину з очищеною рідиною з патрубком для відведення рідини, причому камера з очищеною рідиною утворена всередині фільтрувального елемента. Крім того, виконання конструкції ультразвукового кавітаційного обладнання дозволяє ефективно ввести в рідину значну кількість ультразвукової енергії для забезпечення значної продуктивності технологічного процесу фільтрування рідини. Розташування фільтрувального елемента дозволяє максимально ефективно обробляти фільтрувальну перегородку з боку засміченої рідини, що надійно забезпечить постійне очищення фільтрувальних пор перегородки. Вертикальне розташування корпусу та утворення в нижній його частині конусоподібного шламозбірника, забезпечить можливість періодичного очищення шламозбірника. Крім того, трубчастий циліндричний фільтрувальний елемент може бути виконано у вигляді труби з наскрізними поздовжніми вікнами, на зовнішній поверхні якої в області поздовжніх вікон виконана різьбова канавка, в яку укладений та закріплений дріт круглого перерізу з кавітаційно стійкого матеріалу з утворенням фільтрувального зазору між витками дроту. Таке виконання фільтрувального елемента дозволяє при збереженні значної продуктивності обладнання забезпечити його довговічність, оскільки кавітаційна ерозія дроту, до того ж виконаної із кавітаційно стійкого матеріалу, довготривалий процес. Крім того, на патрубку для відведення фільтрату з конусоподібного шламозбірника може бути встановлено клапан автоматичного видалення фільтрату, під'єднаний до системи автоматичного керування, що забезпечить можливість довготривалої роботи ультразвукового кавітаційного обладнання без необхідності його зупинки та ручного видалення фільтрату зі шламозбірника. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана схема ультразвукового кавітаційного обладнання для фільтрування рідини у випадку виконання резонансної кавітаційного камери у вигляді суцільної циліндричної труби, на фіг. 2 - переріз по лінії Б-Б, на фіг. 3 - збільшений фрагмент А-А фільтрувального елемента, а на фіг. 4 - схема кавітаційного обладнання з резонансною камерою у вигляді окремих акустично розв'язаних кілець. 2 UA 108589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Ультразвукове кавітаційне обладнання складається з резонансної трубчастої кавітаційної камери, виконаної у вигляді суцільної труби 1, акустично розв'язаної з місцями кріплення та під'єднання. Акустичне розв'язування реалізовано за рахунок кріплення суцільної труби 1 в вузлових точках поздовжньо-згинної хвилі деформації 2, що встановлюється по довжині труби. В нижній частині труба 1 з'єднана з конусоподібним шламозбірником 3, який має патрубок 4 для відведення фільтрату. На зовнішній твірній поверхні труби 1 здовж твірних ліній посекційно встановлені складені ультразвукові перетворювачі 5 з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості 6 (фіг. 2) та п'єзокерамічними кільцями 7, які електрично підключені до генератора електричних коливань системи автоматичного керування (на схемі умовно не показана) таким чином, що в трубі збуджуються резонансні радіальні або радіально-згинні та поздовжньо-згинні коливання, а місце розміщення ультразвукових перетворювачів 5 в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби 1, тобто вони розміщені в пучностях поздовжньо-згинної хвилі деформації 2, що встановлюється по довжині труби 1. Всередині кавітаційної камери здовж осі розміщений трубчастий циліндричний фільтрувальний елемент 8, що ділить кавітаційну камеру на частину 9 з засміченою рідиною, що має патрубок 10 для підведення рідини, та частину 11 з очищеною рідиною, яка має патрубок 12 для відведення рідини, причому камера 11 з очищеною рідиною утворена всередині фільтрувального елемента. Трубчастий циліндричний фільтрувальний елемент 8 виконано у вигляді труби з наскрізними поздовжніми вікнами 13 (фіг. 1 та фіг. 2), на зовнішній поверхні якої в області поздовжніх вікон 13 виконана різьбова канавка 14 (фіг. 3), в яку укладений та закріплений дріт круглого перерізу 15 (фіг. 3) з кавітаційно стійкого матеріалу з утворенням фільтрувального зазору між витками дроту. Необхідна жорсткість конструкції трубчастого фільтрувального елемента 8 з наскрізними поздовжніми вікнами 13 забезпечена розпірними кільцями 16, що встановлені всередині труби фільтр-елемента в зоні поздовжніх вікон 13. Труба 1 кавітаційної камери може бути виконана у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених ущільненнями 17 кілець 18 (фіг. 4), на кожному з яких розміщені окремі секції ультразвукових перетворювачів, а товщина кілець вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань. Кільця 18 стягнуті між собою шпильками 19. На патрубку 4 для відведення фільтрату з конусоподібного шламозбірника 3 встановлений клапан 20 автоматичного видалення фільтрату, під'єднаний до системи автоматичного керування. Кавітаційне обладнання працює наступним чином. Через ультразвукове кавітаційне обладнання за допомогою вхідного 10 та вихідного 12 патрубків прокачується під тиском рідина, яка потребує очищення. При подачі високочастотної напруги від електричного генератора коливань системи автоматичного керування на ультразвукові перетворювачі 5 в останніх збуджуються поздовжні резонансні пружні механічні коливання, які передаються циліндричній трубі 1 або циліндричним кільцям 18. Ультразвукові трансформатори коливальної швидкості 6 забезпечують збільшення амплітуди коливань до необхідного рівня. Вибрані геометричні розміри труби 1 або кілець 18 забезпечують їх збудження на резонансній частоті радіальних або радіально-згинних та поздовжньо-згинних коливань. Резонансні коливання кавітаційної камери призводять до виникнення в рідині ефекту кавітації. При схлопуванні кавітаційних бульбашок утворюються руйнівні ударні хвилі, 3 кумулятивні струмені, високий тиск (до 10 МПа) та температура (до 1000 °C) в мікрооб'ємах рідини, що забезпечують постійне очищення фільтрувального елемента, загибель мікроорганізмів, тобто знезараження рідини, та отримання стійких емульсій. Коливання частинок забруднювача за рахунок ультразвукових хвиль призводить до їх злипання та осаджування в шламозбірник. Через певний час по команді системи автоматичного керування за допомогою клапана 20 відбувається видалення шламу із шламозбірника. Запропонована конструкція фільтрувального елемента забезпечить його тривалу експлуатацію, а виготовлення запропонованого фільтрувального елементу достатньо технологічне. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Ультразвукове кавітаційне обладнання, яке містить резонансну трубчасту кавітаційну камеру, виконану у вигляді цілісної труби, акустично розв'язаної з місцями кріплення та під'єднання, на зовнішній твірній поверхні якої вздовж твірних ліній посекційно встановлені складені ультразвукові перетворювачі з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, які електрично підключені до генератора електричних коливань таким чином, що в трубі 3 UA 108589 C2 5 10 15 збуджуються резонансні радіальні або радіально-згинні та поздовжньо-згинні коливання, а місце розміщення ультразвукових перетворювачів в межах секцій та відстань між секціями здовж труби регламентовані параметрами резонансних коливань труби, яке відрізняється тим, що трубчаста кавітаційна камера розміщена вертикально, в нижній частині з'єднана з конусоподібним шламозбірником, який має патрубок для відведення фільтрату, крім того, може містити клапан для автоматизованого видалення фільтрату, а всередині камери здовж осі розміщений трубчастий циліндричний фільтрувальний елемент, виконаний у вигляді труби з наскрізними поздовжніми вікнами, на зовнішній поверхні якої в області поздовжніх вікон виконана різьбова канавка, в яку укладений та закріплений дріт круглого перерізу з утворенням фільтрувального зазору між витками дроту, що ділить кавітаційну камеру на частину з засміченою рідиною з патрубком для підведення рідини, та частину з очищеною рідиною з патрубком для відведення рідини, причому камера з очищеною рідиною утворена всередині фільтрувального елемента. 2. Ультразвукове кавітаційне обладнання за п. 1, яке відрізняється тим, що трубчаста кавітаційна камера виконана у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених кілець, на кожному з яких розміщені окремі секції ультразвукових перетворювачів, а товщина кілець вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань. 4 UA 108589 C2 5 UA 108589 C2 6 UA 108589 C2 7 UA 108589 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8