Ультразвукова машина для очищення еластичних поверхонь

1. Ультразвукова машина для очищення еластичних поверхонь, що включає заповнений миючим розчином нерухомий корпус з верхньою кришкою, один або декілька ультразвукових резонансних приводів-випромінювачів, які контактують поверхнею випромінювання з миючим розчином, та занурений в миючий розчин сітчастий каркас для розміщення білизни, яка відрізняється тим, що нерухомий корпус виконано циліндричним, ультразвукові приводи-випромінювачі розміщені в верхній кришці в її центральній частині і закріплені по перетину нульової деформації з утворенням герметичної повітряної порожнини між C2 2 (11) 1 3 нтаженням білизни (Тельфер Ф.П., Буданов В.П. Оборудование предприятий химчистки и прачечного производства. - М. Легкая индустрия, 1978, 320с.). В наведених машинах використовується принцип прання, при якому в барабан завантажується білизна, наливається миючий розчин, а потім електромеханічним способом забезпечується обертання та перемішування барабана з білизною. Постійний рух білизни в миючому розчині забезпечує її прання. Недоліком машин, що реалізують вказаний принцип, є значний ризик пошкодження тканин при механічному русі в барабані, що не дозволяє прати в таких машинах лагідні механічно нестійкі тканини. Необхідність обертати важкий барабан із великою кількістю рідини та білизни призводить до значного енергоспоживання. Нерівномірне розподілення білизни в барабані, що швидко обертається, призводить до появи вібрації та швидкого механічного зносу пральної машини. В гарячій жорсткій воді, що заповнює барабан, постійно відбувається кристалізація солей. Це призводить до інкрустації теплообмінних поверхонь в машині і швидкому зниженню ефективності теплообміну, а в подальшому і руйнуванню пральної машини. Для уникнення, або послаблення, процесу інкрустації необхідно пом'якшувати воду спеціальними хімічними речовинами, які негативно впливають на якість та міцність тканин та суттєвого підвищують собівартість технологічного процесу прання. Відпрацьований миючий розчин, насичений хімічними миючими засобами та засобами пом'якшення води, зливають у каналізацію, забруднюючи навколишнє середовище. Якщо пранню піддається медичний технологічний одяг та білизна медичних інфекційних лікувальних закладів, необхідно додатково витрачати кошти на знезараження як самої білизни, так і відпрацьованого миючого розчину для уникнення розповсюдження інфекцій в навколишньому середовищі. Відомі ультразвукові машинки для очищення еластичних поверхонь в домашніх умовах (Побутовий пристрій пральний ультразвуковий „УСУ0707" „Ретона", сертифікат відповідності РФ РОСС RU ME 41 BO2829, виробництва НПО „Ретон", „Устройство стирающее ультразвуковое „Ретона". Инструкция по эксплуатации"). При ультразвуковому принципі прання білизна може залишатися нерухомою, а процес прання відбувається за рахунок кавітаційного очищення забруднення тканин. В якості збуджувача кавітації використовується ультразвукова енергія. Вібрації малоамплітудного п'єзоелектричного випромінювача, який занурюється безпосередньо в ємність з білизною, призводять до випромінювання в рідину ультразвукових хвиль. В полуперіодах розрідження утворюються кавітаційні бульбашки, які захлопуються в полуперіодах стиснення. При захлопуванні кавітаційних бульбашок утворюються ударні хвилі великої інтенсивності, локальні значні стрибки температури та кумулятивні струмені, які руйнують забруднення та призводять до загибелі мікроорганізмів і бактерій. Коливання бульбашок та ударні хвилі викликають утворення інтенсивних мікротечій. Мікротечії призводять до перемішуван 93820 4 ня рідини на молекулярному рівні та інтенсифікації хімічних процесів. В такому випадку процес прання потребує значно меншої кількості хімічних миючих засобів і автоматично забезпечує знезараження миючого розчину та білизни за рахунок хімічного та механічного руйнування бактерій та мікроорганізмів. Відсутність механічного перемішування білизни дозволяє уникнути механічного пошкодження тканин. Однак ультразвуковий пристрій, що розглядається, має дуже малу потужність і може бути застосований тільки в малому об'ємі води. Збільшити потужність випромінювача не можливо, оскільки, при збільшенні потужності випромінювача на поверхні випромінювання утворюється двохфазний кавітаційний прошарок, якій поглинає та розсіює ультразвукову енергію і не пропускає значну її частину в рідину. Крім того, розташування випромінювача безпосередньо в об'ємі білизни не дозволяє досягти рівня розвиненої кавітації в усьому об'ємі рідини в наслідок поглинальних властивостей тканини білизни. Тобто, цей пристрій здатен прати білизну тільки на малій відстані від поверхні випромінювання і при малій потужності. В якості прототипу може розглядатися ультразвукова машина для очищення еластичних поверхонь (патент України №62052 А, 7 D06F9/00, D06F27/00, Опубл. 15.12.2003 в Бюл. №12, 2003p.), яка містить, заповнений миючим розчином, нерухомий корпус з верхнею кришкою, один або декілька ультразвукових резонансних приводів-випромінювачів, які контактують поверхнею випромінювання з миючим розчином, та занурений в миючий розчин сітчастий каркас для розміщення білизни. В ультразвуковій машині для очищення еластичних поверхонь, що розглядається, для збільшення потужності ультразвуку застосовані декілька малопотужних резонансних приводіввипромінювачів, що живляться від електричних генераторів коливань. Це дозволяє збільшити потужність, але за рахунок суттєвого збільшення вартості обладнання. Застосувати один потужний електричний генератор не доречно внаслідок розкиду параметрів окремих приводіввипромінювачів, який викликано як різницею параметрів приводів-випромінювачів, так і різним рівнем навантаження випромінювачів, що знаходяться на різному рівні глибини на бокових стінках корпусу. В даному випадку застосовані малоамплітудні резонансні приводи-випромінювачі, про що свідчить їх розміщення на бокових стінках корпуса. При застосуванні високоамплітудних резонансних приводів-випромінювачів, оснащених трансформатором швидкості, можливе їх розміщення тільки на верхній кришці оскільки тільки в такому випадку можна забезпечити не повне змочування трансформатора швидкості. Повне змочування є неприпустимим. У відповідності до результатів наукових досліджень (Луговской А.Ф., Шидловский Н.С., Гришко И.А., Кравченко С.О. Экспериментальное исследование ультразвукового процесса кавитационной стирки. - Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». Серия машиностроение. 5 Вип. 55, - Київ, 2009, с.324-331) застосування високоамплітудних приводів-випромінювачів дозволяє значно покращити рівень мікротечій, що сприяє покращенню прання білизни. Корпус машини у вигляді прямокутного паралелепіпеда не дозволяє створити рівномірне кавітаційне середовище в усьому об'ємі. Оскільки білизна знаходиться в центральній частині корпуса, то з кавітаційним середовищем буде активно контактувати і взаємодіяти тільки периферійна частина білизни. Центральна частина купи білизни буде випрана погано. Для покращення прання застосоване електромеханічне перемішування білизни, що псує тканину, суттєво ускладнює машину та підвищує її вартість. Ще одним недоліком конструкції є нестабільність в часі запропонованого варіанту реалізації процесу ультразвукового прання. Справа в тому, що кавітаційні бульбашки утворюються із зародків кавітації, в якості яких виступає нерозчинене повітря в рідині. Якщо рідина насичена повітрям, кавітаційні явища відбуваються дуже активно. Але поступово кількість зародків зменшується. Відбувається, так звана, дегазація рідини. При цьому активність кавітаційних явищ швидко згасає. В такому випадку необхідно якомога частіше змінювати усю рідину в машині Це призводить до втрат миючого розчину і зменшує продуктивність технологічного процесу прання. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності та якості кавітаційного прання шляхом вдосконалення ультразвукової машини для очищення еластичних поверхонь, що містить, заповнений миючим розчином, нерухомий корпус з верхнею кришкою, один або декілька ультразвукових резонансних приводів-випромінювачів, які контактують поверхнею випромінювання з миючим розчином, та занурений в миючий розчин сітчастий каркас для розміщення білизни. Для вирішення поставленої задачі в ультразвуковій машині для очищення еластичних поверхонь, що включає, заповнений миючим розчином, нерухомий корпус з верхньою кришкою, один або декілька ультразвукових резонансних приводіввипромінювачів, які контактують поверхнею випромінювання з миючим розчином, та занурений в миючий розчин сітчастий каркас для розміщення білизни, відповідно винаходу нерухомий корпус виконано циліндричним, ультразвукові приводивипромінювачі розміщені в верхній кришці в її центральній частині і закріплені по перетину нульової деформації з утворенням герметичної повітряної порожнини між кришкою та поверхнею миючого розчину, оснащені трансформаторами швидкості з розвиненою поверхнею випромінювання, яка занурена в миючий розчин, а сітчастий каркас виконано циліндричним секційним з вільною здовж осі центральною частиною. Виконання корпуса машини циліндричним з розташуванням ультразвукових приводіввипромінювачів в центральній частині верхньої кришки та виходом поверхонь випромінювання в вільну центральну частину сітчастого каркасу, в секціях якого розміщується білизна, дозволяє забезпечити рівномірність кавітації по всьому об'єму 93820 6 корпуса та застосувати для збудження кавітації ультразвукові високоамплітудні резонансні приводи-випромінювачі, оснащені трансформаторами швидкості з розвиненою поверхнею випромінювання. Закріплення приводів-випромінювачів в вузловій точці з утворенням герметичної повітряної порожнини між кришкою та поверхнею миючого розчину дозволяє максимально ефективно ввести в рідину ультразвукову енергію, оскільки, в такому випадку, по-перше, ультразвукова енергія не буде потрапляти в корпус машини через місце кріплення, а по-друге, вона не буде частково потрапляти в миючий розчин з вхідного торця трансформатора швидкості, а вся піде на вихідний випромінюючий торець, тобто, випромінюючу поверхню. Додатково всередині нерухомого корпуса під сітчастим каркасом розміщена камера, наприклад, у вигляді згорнутої в спіраль трубки, на поверхні якої виконано багато малих отворів і яка приєднана до компресора, а в верхній кришці виконано отвір для виходу повітря. Таке конструктивне рішення дозволяє наситити миючий розчин зародками кавітації та, відповідно, забезпечити підвищення рівня кавітації. При цьому буде забезпечена і стабільність процесу прання. Повітряні бульбашки, що підіймаються крізь білизну до верхньої кришки, забезпечать додаткове перемішування миючого розчину та його додаткову хімічну активацію, що також дозволить підвищити ефективність процесу прання в ультразвуковій пральній машині, що пропонується. Додатково трансформатори швидкості виконані ступінчастими, причому довжина ступеню малого діаметру виконана кратною непарній кількості чвертей довжини поздовжньої стоячої хвилі пружної деформації в матеріалі трансформатора швидкості, а на поверхні ступеню малого діаметру в перетинах максимальної амплітуди деформації виконані дискові елементи, діаметри яких значно менші за половину довжини хвилі деформації, причому на циліндричній поверхні дискових елементів виконані глибокі проточки з похилими поверхнями. Таке виконання трансформатора швидкості дозволить суттєво збільшити площу поверхні випромінювання, забезпечити випромінювання в миючий розчин ефективних поршневих коливань, що, в свою чергу, дозволить збільшити потужність ультразвукових приводів-випромінювачів без збільшення їх кількості. Застосування ультразвукових резонансних приводів-випромінювачів з великою амплітудою коливань, добре узгоджених з рідиною, дозволить отримати потужні мікротечії в миючому розчині, що забезпечить підвищення ефективності кавітаційного прання. Додатково деякі дискові елементи на поверхні ступеню малого діаметру трансформатора швидкості виконані зі зміщенням відносно перетинів максимальної амплітуди деформації. Таке розміщення дискових елементів дозволить змусити диски коливатися з різною амплітудою, а, відповідно, і утворювати різний звуковий тиск. Різний рівень звукового тиску, створюваний такими ультразвуковими приводами 7 випромінювачами дозволить в об'ємі рідини запустити в дію як механізм кавітаційної ерозії, який активно руйнує тверді забруднення білизни, так і механізм розмиваючих потужних мікротечій, що утворюються великими пульсуючими бульбашками і забезпечують інтенсивний рух миючого розчину відносно нерухомої білизни. Це надасть можливість в одному ультразвуковому приводівипромінювачі об'єднати особливості малоамплітудних та викокоамплітудних приводів і, відповідно, підвищити ефективність ультразвукового кавітаційного прання. Сутність винаходу пояснюється рисунком, де на Фіг.1 показана схема ультразвукової машини для очищення тканинних поверхонь. Машина для очищення еластичних поверхонь складається з нерухомого циліндричного корпуса 1 з кришкою 2. В центральній частині кришки 2 встановлений один або декілька ультразвукових резонансних приводів-випромінювачів 3, оснащених трансформаторами швидкості з розвиненою поверхнею випромінювання (на схемі для спрощення умовно показаний варіант з одним ультразвуковим приводом-випромінювачем). Ультразвуковий привід-випромінювач 3 зафіксований на кришці 2 по перетину нульової деформації 4 з утворенням герметичної порожнини 5 між кришкою 2 та поверхнею миючого розчину, яким заповнено корпус 1. В корпусі 1 встановлено сітчастий каркас 5, в секціях якого розміщено білизну 6. На дні корпуса 1 розміщена камера 7 з отворами 8 малого діаметру, яка приєднана до компресора 9. Камера 7 може бути виконана, наприклад, у вигляді згорнутої в спіраль трубки, на поверхні якої виконані малі отвори. В верхній кришці 2 виконано отвір 10 для виходу повітря. Трансформатор швидкості ультразвукового привода-випромінювача 3 виконано ступінчастим, причому довжина ступеню 11 малого діаметру виконано кратною непарній кількості чвертей довжини поздовжньої хвилі пружної деформації 4 в матеріалі трансформатора швидкості. На поверхні ступеню 11 малого діаметру трансформатора швидкості в перетинах максимальної амплітуди деформації 4 виконані дискові елементи 12, діаметри яких значно менші за половину довжини хвилі деформації 4, причому на циліндричній поверхні дискових елементів 12 виконані глибокі проточки 13 з похилими поверхнями. Ультразвуковий привід-випромінювач підключений до електричного генератора коливань, який на схемі умовно не показаний. Робота ультразвукової машини для очищення еластичних поверхонь відбувається наступним чином. На полиці секцій сітчастого каркасу 5 кладеться білизна 6. Каркас з білизною встановлюється в циліндричний корпус 1 пральної машини і заливається миючим розчином. Закривається верхня кришка 2. При цьому в миючий розчин в середній частині сітчастого каркасу 5 занурюється ступінь 11 малого діаметру трансформаторів швидкості резонансного привода-випромінювача 3. Завдяки утворенню повітряної порожнини 5 миючий розчин не має можливості змочити торець ступеню великого діаметра приводавипромінювача. Вмикається електричний генера 93820 8 тор коливань, який за рахунок зворотного п'єзоефекту збуджує резонансні пружні коливання в резонансному приводі-випромінювачі 3. По довжині привода-випромінювача встановлюється хвиля пружної деформації 4. Завдяки тому, що дискові елементи 12 з глибокими проточками 13 виконані в перетинах максимальної амплітуди деформації 4, вони починають здійснювати інтенсивні високоамлітудні поршневі коливання. В миючому розчині виникає явище ультразвукової кавітації. При цьому в рідині в фазі розрядження, тобто падіння тиску, із зародків кавітації утворюються кавітаційні бульбашки. Ці бульбашки роблять одно або декілька переколивань, накопичують енергію і захлопуються. В якості зародків кавітації виступають маленькі бульбашки нерозчиненого в рідині повітря. Ці зародки знаходяться в тріщинах та нерівностях металевих поверхонь, в складках білизни і т.п. При захлопуванні кавітаційних бульбашок утворюються потужні ударні хвилі і кумулятивні струмені, які руйнують тверді забруднення білизни. Коливання бульбашок утворюють мікротечії, які забезпечують рух миючого розчину відносно нерухомої білизни, що сприяє розмиванню м'яких забруднень білизни. Якщо інтенсивність ультразвуку не перевищує рівень приблизно 10 Вт/см2, що характерно для малоамплітудних приводів-випромінювачів, випромінюючий торець яких коливається з амплітудою до 5 мкм, кавітаційні бульбашки будуть активно захлопуватися після декількох переколивань і основним механізмом процесу ультразвукового кавітаційного прання буде руйнування твердих забруднень за рахунок ударних хвиль і кумулятивних струменів. Мала амплітуда коливань випромінюючої поверхні і малі розміри та кількість переколивань кавітаційних бульбашок не створять потужні мікротечії і тому розмивання та розчинення м'яких забруднень білизни буде малоефективним. Захлопування кавітаційних бульбашок супроводжується значним локальним підвищенням тиску та температури, що призводить до активізації процесів хімічного впливу миючого розчину на забруднення білизни. Якщо інтенсивність ультразвуку перевищує 10 Вт/см2, що характерно для високоамплітудних приводів-випромінювачів, випромінююча поверхня яких коливається з амплітудою порядку 15...30 мкм, то внаслідок значного підвищення амплітудного значення тиску кавітаційні бульбашки втрачають можливість захлопнутися після декількох коливань і будуть зростати в процесі коливань до значних розмірів. В такому випадку основним механізмом ультразвукового кавітаційного прання буде використання потужних мікротечій, які забезпечать інтенсивний рух миючого розчину відносно білизни, що призведе до змивання та розчинення м'яких забруднень. Крім того, інтенсивність ультразвуку порідку 20 Вт/см2 і вище забезпечує активне знезараження рідини за рахунок механічного, термічного та хімічного знешкодження мікроорганізмів. Запропонований високоамплітудний резонансний привід-випромінювач з трансформатором швидкості і дисковими елементами 12, на яких виконані глибокі проточки 13, утворює велику поверхню випромінювання, що дає можливість під 9 93820 вести до приводу при заданій інтенсивності ультразвуку велику потужність і використати при цьому лише один електричний генератор коливань. Внаслідок дисперсії швидкості звуку в матеріалі трансформатора швидкості амплітуди коливань дисків 12 будуть різнитися. Диски на кінці ступеню малого діаметру будуть коливатися з меншою амплітудою ніж на початку, що забезпечить існування механізму прання, який характерний для мало амплітудних приводів-випромінювачів. Якщо дисперсії швидкості звуку недостатньо, передбачається можливість виконання деяких дискових елементів 12 не в перетинах максимальної ампдітуди деформації, а зі зміщенням. Це забезпечить зменшення амплітуди їх коливань. Процес ультразвукового кавітаційного прання вимагає деякого часу. Але з часом кількість кавітаційних зародків в миючому розчині зменшується за рахунок їх використання в кавітаційному проце Комп’ютерна верстка М. Ломалова 10 сі. Тому кавітація поступово буде згасати. Щоб цього не відбувалося і процес прання був постійно максимально ефективним, в миючий розчин подається від компресора 9 через камеру 7 та маленькі отвори 8 повітря, яке постійно насичує рідину зародками кавітації, сприяє додаткової турбулізації рідини та активізує за рахунок кисню хімічну активність миючого розчину. Видаляється повітря через патрубок 10. Таким чином запропонована конструкція машини для очищення еластичних поверхонь забезпечує ефективне прання без механічного перемішування і, відповідно, пошкодження білизни, забезпечує одночасну ефективну роботу усіх механізмів кавітаційного прання і забезпечує ефективне знезараження білизни і відпрацьованого миючого розчину, який зливається і може призвести до зараження навколишнього середовища в разі прання інфікованої медичної білизни. Підписне Тираж 23 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