Ультразвукова установка для приготування емульсій високої дисперсності

1. Ультразвукова установка для приготування емульсій високої дисперсності, що містить герме C2 2 (19) 1 3 льцевого магнітострикційного випромінювача, магнітопровод якого акустично жорстко напресований на трубу робочої камери. Дана ультразвукова установка формує в оброблюваному рідкому середовищі двохчастотне акустичне поле, яке забезпечує підвищення інтенсифікації технологічного процесу без зниження якості кінцевого продукту [2]. Для посилення кавітаційного впливу в установці може бути передбачено підвищений статичний тиск, який може бути реалізовано аналогічно установці типу УЗВД-6 [1]: система трубопроводів, зв'язаних із внутрішнім об'ємом робочої камери; балон зі стисненим повітрям; запобіжний клапан і манометр. При цьому робоча камера повинна бути забезпечена герметичною кришкою. Недоліками цієї установки на основі магнітострикційних перетворювачів є: використання установки в основному для дослідницьких цілей або при емульгуванні невеликих об'ємів дорогих речовин, великі енергетичні витрати, які істотно перевершують витрати процесу емульгування за допомогою гідродинамічних випромінювачів, мала швидкість (до 4м/с) акустичних течій у робочій камері, необхідність використовувати балон зі стисненим газом для створення надлишкового статичного тиску в робочої камері, необхідність системи водяного охолодження перетворювачів, використання для живлення перетворювачів дорогих електронних генераторів (потужністю до 20кВт), що істотно здорожує кінцевий продукт [3, 4]. Поставлена задача зменшення енергетичних витрат й скорочення тривалості процесу емульгування. Технічним рішенням поставленої задачі є те, що в ультразвуковій установці для приготування емульсій високої дисперсності, що містить герметичну робочу камеру, виконану у вигляді металевої циліндричної труби, два джерела акустичних коливань, що працюють у режимі надлишкового статичного тиску, джерела акустичних коливань виконані у вигляді низькочастотного та високочастотного вісесиметричних прямоточних гідродинамічних випромінювачів [5] і встановлені у вертикальній площині в торцевих перетинах циліндричної труби навпроти один одного, середній діаметр кільцевого сопла низькочастотного гідродинамічного випромінювача складає (0,3...0,4) внутрішнього діаметра камери, причому він в два і більш рази більше середнього діаметра кільцевого сопла високочастотного гідродинамічного випромінювача, відношення висоти робочої камери до її внутрішнього діаметра дорівнює (1,0...1,2), відстань між крайніми торцевими перетинами випромінювачів складає (0,3...0,5) внутрішнього діаметра камери. На Фіг.1 зображено джерело акустичних коливань установки - вісесиметричний прямоточний гідродинамічний випромінювач [5]. Він містить: виконаний разом з герметичною кришкою корпус 1, штуцер 2 для підведення робочої рідини, обтічник 3, східчасту циліндричну перешкоду 4, кільцевий насадок 5, контргайку 6. Типорозмір даного випромінювача визначається відношенням /Dc, де - ширина щілини, Dc - середній діаметр кільцевого сопла. Включення в конструкцію гідродинамічного випромінювача кільцевого насадка 5 91731 4 забезпечує генерування інтенсивних акустичних коливань при розміщенні випромінювача у внутрішніх порожнинах об'ємів, порівнянних з розмірами його зони звукоутворення. На Фіг.2 представлена запропонована ультразвукова установка для приготування емульсій високої дисперсності. Ультразвукова установка для приготування емульсій високої дисперсності містить герметичну робочу камеру 2, виконану у вигляді металевої циліндричної труби, ємність для емульсії 9, насоси 13 і 10 з регульованою витратою, що забезпечують живлення високочастотного 1 та низькочастотного 4 гідродинамічних випромінювачів, систему трубопроводів. Обоє гідродинамічних випромінювача 1 та 4 встановлені у вертикальній площині в торцевих перетинах циліндричної труби 2 навпроти один одного. Манометри 14 і 5 використовуються для контролю тиску нагнітання рідини в гідродинамічні випромінювачі 1 і 4. Для випуску обробленої рідини з камери 2 на герметичній кришці випромінювача 4 встановлено штуцер 6 з регульованим вентилем 7 і патрубком 8. Надлишковий статичний тиск у робочій камері 2 контролюється за допомогою манометра 3. Ємність для емульсії 9 наділена реверсивним насосом 12 з вентилем 11. Герметизація камери 2 забезпечується болтами й гумовими ущільнювальними кільцями 15 і 16. З урахуванням можливих агресивних властивостей робочої рідини камера 2, гідродинамічні випромінювачі 1 та 4 виготовляють з нержавіючої сталі, наприклад, Х18Н10Т. Забезпечення установки електроенергією й захист здійснюються за допомогою блоку електроустаткування й автоматики. Ультразвукова установка для приготування емульсій високої дисперсності працює в такий спосіб. Гідродинамічні випромінювачі з герметичними кришками 1 і 4 встановлюються у вертикальній площині в торцевих перетинах робочої камери 2 навпроти один одного. При цьому середній діаметр кільцевого сопла низькочастотного випромінювача 4 вибирається в інтервалі (0,3...0,4) внутрішнього діаметра D камери та у два і більш рази більше середнього діаметра кільцевого сопла високочастотного випромінювача 1. Висота h і внутрішній діаметр D робочої камери зв'язані співвідношенням: h=(1,0...1,2)D, відстань l між крайніми торцевими перетинами випромінювачів складає: l=(0,3...0,5)D (див. Фіг.2). Геометричні параметри робочої камери 2 й гідродинамічних випромінювачів 1 та 4, що заявляються, дозволяють формувати в оброблюваному рідкому середовищі потужне багаточастотне акустичне поле. Інші геометричні параметри гідродинамічних випромінювачів 1 і 4 (див. Фіг.1) приймають оптимальні значення відповідно до проведених раніше експериментальних досліджень [6, 7]. Потім, за допомогою реверсивного насоса 12 і вентиля 11, ємність 9 заповнюється емульсією низької дисперсності, наприклад, емульсією, яка приготовлена з використанням швидкісної мішалки. Після чого, при відкритому вентилі 7, включаються насоси 10 і 13 і оброблювана рідина з ємності 9 через гідродинамічні випромінювачі 4 і 1 5 починає надходити в робочу камеру 2. Надлишковий статичний тиск у камері 2 створюється за рахунок зміни витрат насосів 10 і 13, що живлять гідродинамічні випромінювачі 4 і 1, а також за рахунок регулювання вентиля 7 випуску обробленої рідини. Він контролюється за допомогою манометра 3. При досягненні оптимального режиму роботи випромінювачів 1 і 4, що контролюється манометрами 14 і 5, починається процес ультразвукового емульгування. Розроблена установка забезпечує можливість однократного і багаторазового озвучування оброблюваного рідкого середовища в потужному багаточастотному акустичному полі випромінювачів. По закінченні процесу ультразвукового емульгування, тривалість якого задається релем часу, автоматично відключається електроживлення насосів 10 і 13. За допомогою реверсивного насоса 12 і вентиля 11 готова емульсія високої дисперсності з ємності 9 надходить в окрему ємність або використовується в іншому технологічному процесі. Таким чином, пропоноване технічне рішення дозволяє створити принципово нову установку, джерела акустичних коливань якої реалізують науково-обґрунтований спосіб ультразвукового емульгування рідин, що не змішуються. Цей спосіб найбільш повно використовує такі фізичні процеси, як інтенсивні пружні коливання з кількома частотними складовими, розвинена кавітація й потужні турбулентні потоки в оброблюваному рідкому середовищі [6-10]. Перевагою прямоточних гідродинамічних випромінювачів [5], у порівнянні з магнітострикційними перетворювачами, є істотне зниження енергетичних витрат, а також потужні турбулентні потоки, що сприяють розриву часток емульсованих компонентів (швидкість течій у робочій камері становить 15м/с...30м/с). Крім того, у прямоточних гідродинамічних випромінювачів [5] відсутні вібраційні елементи конструкції, що зумовлює довгостроковий термін їхньої служби. Проведені раніше експериментальні дослідження енергетичних характеристик гідродинамічного випромінювача [5] показали, що в діапазоні надлишкових статичних тисків від 0,01МПа до 0,25МПа за рахунок підбора оптимальної швидкості струменя на виході з кільцевого сопла (20м/с...70м/с) можна підвищити інтенсивність акустичного поля в зоні розвиненої кавітації з 1,9Вт/см2 до 12Вт/см2 [9]. Експериментально встановлено, що дія декількох акустичних хвиль кратних (й не кратних) частот у процесах емульгування, диспергування, очищення виявляється більш ефективною, чим вплив хвиль кожної з цих частот окремо [3, 11]. В основі цього явища лежать два механізми. Кавітаційні пухирці, які створюються в потужному акустичному полі, мають радіуси, що відрізняються на два порядки і, відповідно, широкий діапазон резонансних частот. Тому використання хвиль різних частот сприяє колапсу більшої кількості каверн. З іншого боку, при резонансі на низьких частотах великих пульсуючих каверн відбувається відщіплення дрібних сферичних пухирців, які, резонуючи 91731 6 на високих частотах, створюють додаткові мікроударні хвилі. Вісесиметричні гідродинамічні випромінювачі здатні генерувати акустичні хвилі в широкому частотному діапазоні: від 0,3кГц до 35кГц [10]. Таким чином, у дискретному спектрі тональних сигналів мається набір гармонічних складових, частоти яких можуть відрізнятися в десятки разів. При цьому найбільш енергоємна частина спектра даних випромінювачів зв'язана з трьома першими гармоніками [12]. Наприклад, для низькочастотного випромінювача із середнім діаметром кільцевого сопла Dc1=26мм при малому статичному тиску 3кПа в спектрі частот високоамплітудними гармонічними складовими є: 480Гц, 960Гц і 1440Гц, а для високочастотного випромінювача з Dc2=6,5мм: 1550Гц, 3100Гц і 4650Гц. У випадку підвищення статичного тиску енергоємні гармонічні складові зміщаються у високочастотну область спектра. Так, при надлишковому статичному тиску 250кПа, для зазначеного низькочастотного випромінювача високоамплітудними гармоніками в спектрі частот вже будуть: 1,9кГц, 3,8кГц і 5,7кГц, а у високочастотного випромінювача високоамплітудними гармоніками будуть: 6кГц, 12кГц і 18кГц. Крім того, у зв'язку з генеруванням акустичних хвиль у робочій камері двома випромінювачами, амплітуди вищих гармонік зростуть і, тим самим, також будуть вносити визначений вклад в інтенсифікацію процесу ультразвукового емульгування. Таким чином, установка в герметичній робочій камері низькочастотного та високочастотного гідродинамічних випромінювачів дозволяє формувати в оброблюваному рідкому середовищі потужне багаточастотне акустичне поле. Зона розвиненої кавітації гідродинамічних випромінювачів [5], вона ж зона звукоутворення, являє собою тороїдальну область, розміри якої складають (1,3...1,6) середнього діаметра кільцевого сопла Dc [7, 9]. Тому геометричні параметри робочої камери й відстань між крайніми торцевими перетинами випромінювачів, що заявляються, дозволяють формувати в центрі камери концентровану область розвиненої кавітації. Розроблена установка більш ефективна, у порівнянні з прототипом, що порозумівається наявністю в акустичному полі принаймні шести високоамплітудних гармонік. У результаті імовірність колапсу кавітаційних пухирців різних радіусів вище, що підсилює кавітаційні ефекти та підвищує інтенсивність впливу акустичного поля на оброблюване рідке середовище. Експериментальні дослідження спробного зразку ультразвукової установки, яка заявляється, показали, що з її допомогою можна одержати високодисперсну, однорідну та стійку до розшаровування емульсію суміші олеату натрію й керосину у воді. Основна кількість крапель дисперсної фази укладається в діапазон діаметрів приблизно від 0,4 до 1,5мкм. Отримана дисперсність порівнянна з дисперсністю емульгування при одночасному введенні в рідину ультразвукових коливань двох частот: 20кгц і 50Гц або 1МГц і 20кгц [3]. Однак тривалість процесу емульгування на установці, що заявляється, у 2,5-3 рази менше, ніж на установці, 7 робочими органами якої є електроакустичні випромінювачі. Таким чином, з вищевикладеного випливає, що заявлена ультразвукова установка, за рахунок виконання джерел акустичних коливань у вигляді вісесиметричних прямоточних гідродинамічних випромінювачів [5] і можливості формування в оброблюваному рідкому середовищі потужного багаточастотного акустичного поля, забезпечує досягнення технічного результату, що полягає в зменшенні енергетичних витрат й скороченні тривалості процесу емульгування. Джерела інформації: 1. Донской А. В., Келлер O. K., Кратыш Г. С. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Л.: Энергоиздат, 1982, с.169. 2. Патент России №2286216, МПК B01F 11/02, 2006. Ультразвуковая установка / Шестовских А. Е. и др. 3. Агранат Б. А. и др. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987. - 352с. 4. Панов А. П. Ультразвуковая очистка прецизионных деталей. - М.: Машиностроение, 1984. 88 с. 5. Авторское свидетельство СССР №806153, МПК В06В 1/20, 1981. Гидродинамическая излучающая система / Кортнев А. В., Назаренко А. Ф., Сухарьков О. В. // Бюл. №7. 6. Сухарьков О. В. Акустические характеристики осесимметричных прямоточных гидродинами 91731 8 ческих излучателей // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. - 2005. - № 2. - С.60-65. 7. Сухарьков О. В. Экспериментальное исследование акустических характеристик осесимметричных прямоточных гидродинамических излучателей // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. 2006.- №1. - С.74-79. 8. Сухарьков О. В. Влияние скорости струи на акустические характеристики осесимметричного гидродинамического излучателя // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. - 2006.- №2. - С.78-84. 9. Дудзинский Ю. М., Сухарьков О. В., Маничева Н. В. Энергетика прямоточного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления // Акустичний вісник, HAH України, 2004. - T.7, №l. - C.44-49. 10.Назаренко А. Ф. Гидродинамические излучатели // Ультразвук: маленькая энциклопедия / Под ред. И. П. Голяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - С.79-81. 11. Dezhkunov N. V., Francescutto A., Ciuti P. Enhancement of the Conversion and Concentration of Energy in a Multibubble Cavitation Zon // 16th International Symposium on Nonlinear Acoustics. Moscow, 2002. - P.919-926. 12.Дудзінський Ю. М., Сухарьков О. В. Спектр звуку, генерованого зануреною осесиметричною струминною оболонкою // Математичні методи та фізико-механічні поля, НАН України, 2007. - Т. 50, №2. - С.129-134. 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 91731 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601