Ультразвуковий пристрій для обробки рідини

Реферат: Винахід належить до технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в процесах, що відбуваються в рідкому середовищі, наприклад, при обеззаражуванні рідин, тобто знищенні вірусів та мікроорганізмів, фільтруванні рідин, створенні високоякісних стійких емульсій, освітленні стічних вод, холодній стерилізації молока, активації рідин та палива і т.п. Для вирішення поставленої задачі в пристрої для ультразвукової обробки рідини, що містить вертикально розташований порожнинний корпус з донною торцевою поверхнею та вхідним і вихідним патрубками, ультразвуковий випромінювач з розвиненою поверхнею випромінювання, закріплений в верхній частині корпуса в вузловій точці стоячої хвилі деформації з утворенням герметичної порожнини та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної торцевої поверхні, яка розташована паралельно поверхні випромінювання на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині, порожнинний корпус виконано зі змінною площею поперечного перерізу порожнини, причому ультразвуковий випромінювач розташовано в частині корпуса з максимальною площею перерізу порожнини, а торцева донна поверхня утворена в частині корпуса з мінімальною площею перерізу порожнини, вхідний патрубок розміщений на корпусі вище поверхні випромінювання ультразвукового випромінювача, вихідний патрубок розташований в корпусі в зоні донної поверхні і сполучений з порожниною корпуса через дросельні отвори. Виконання в ступені меншої площі дрібних канавок дозволить, по-перше, додатково турбулізувати рідину, що покращить її перемішування, а, по-друге, дозволить затримуватися в кавітаційних зонах додатковим зародкам кавітації, які в UA 100470 C2 (12) UA 100470 C2 іншому випадку уносяться потоком рідини у вихідний патрубок. Це додатково збільшить інтенсивність кавітаційних явищ. UA 100470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в процесах, що відбуваються в рідкому середовищі, наприклад, при знезараженні 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 на згадані процеси через, так звані, ефекти першого порядку (частоту, інтенсивність і т.п.) і ефекти другого порядку, до яких належить, перш за все, кавітація. Ефективність зазначеного використання ультразвукових коливань в значній мірі залежить від режимів випромінювання ультразвукової енергії та особливостей побудови технологічного обладнання, що реалізує вказані технології. Відомий ультразвуковий пристрій для обробки рідини в протоці (патент України № 55279А, МПК C02F 1/36, С02 F 1/48, A61L 2/02, 2003), що містить циліндричну трубу для рідини, до утворюючої зовнішньої поверхні якої притиснуті ультразвукові випромінювачі, електрично під'єднані до генератора ультразвукових коливань. Притиск випромінювачів здійснено за допомогою механічної пружної системи притиску у вигляді хомута, що охоплює трубу. Ультразвукові випромінювачі виконані у вигляді складених п'єзоелектричних, випромінююча накладка яких виконана з дугоподібною випромінюючою поверхнею. Система притиску контактує з ультразвуковими випромінювачами в точці мінімальної амплітуди стоячої хвилі деформації, тобто в вузловій точці. У цьому пристрої із-за механічного навантаження (притиску) ультразвукових випромінювачів падає їх добротність, зростають втрати на нагрів. Виконання випромінювачів з достатньо великими дугоподібними контактними із трубою поверхнями демпфує резонансні згинні коливання, що знижує ступінь обробки рідини. Використання конструкції пристрою, при якій притиск п'єзоелектричного випромінювача до труби здійснюється через дугоподібну поверхню, призводить до суттєвого зниження ефективності передачі ультразвукової енергії через трубу в рідину, оскільки контакт такого випромінювача з трубою буде завжди здійснюватися не по площині поверхні випромінювання, а по лінії контакту труби з випромінювачем. Надмірне притискання ультразвукових випромінювачів з дугоподібними контактними поверхнями до труби з метою збільшення площі акустичних мікроконтактів приводить до того, що п'єзоелементи, зусилля стиснення яких повинно бути оптимальним, починають перегріватися і знижують свій електроакустичний к.к.д. Під час тривалої експлуатації із-за спрацьовування контактних пар, втоми конструктивних елементів системи притиску зменшується сила притиску, неконтрольовано падає ультразвукова енергія, що передається в рідину. Застосована система введення ультразвукової енергії в рідину через стінку труби призводить до збудження в трубі радіальних та радіально-згинних резонансних коливань, які впливають на резонанси випромінювачів і при невдалому розташуванні останніх на трубі можуть повністю нейтралізувати їх коливання. Складна система притиску, необхідність розбирання усіх деталей хомута при заміні одного випромінювача ускладнює ремонт. Приєднання фланців до кінців труби для її монтування в трубопровід також демпфує згинні коливання в трубі. Внаслідок великої внутрішньої поверхні труби, через яку вводиться ультразвукова енергія в рідину, інтенсивність цієї енергії незначна і рівень кавітації, що досягається, теж незначний. Тому ця конструкція не дозволяє досягти бажаного рівня інтенсивності ультразвукової енергії і знешкодити широке коло різновидів мікроорганізмів, які потенційно можливо знищити в технологічному процесі ультразвукового кавітаційного знезараження рідини. Також відомий ультразвуковий пристрій для обробки рідини (патент України № 55323А, МПК C02F 1/36, 2003), що містить подовжений порожнинний корпус з донною і бічною поверхнями, в якому встановлений ультразвуковий випромінювач із трансформатором коливальної швидкості, підключений до електричного генератора коливань, який закріплено на корпусі у вузловій точці стоячої хвилі деформації в трансформаторі швидкості так, що випромінюючий торець трансформатора швидкості спрямований до донної поверхні корпуса і розташований нижче вихідного патрубка корпуса. В даному випадку ультразвукова енергія вводиться безпосередньо в рідину за допомогою зануреної випромінюючої поверхні ультразвукового перетворювача, що дозволяє зробити це з максимальною ефективністю. Але максимальну інтенсивність ультразвукова хвиля має тільки поблизу поверхні випромінювання. Подалі від випромінювача інтенсивність різко понижується. Відбувається це внаслідок значного збільшення площі, через яку проходить ультразвукова хвиля деформації. Якщо використовується випромінювач з поршневими коливаннями, то діаграма направленості його випромінювання поступово розширюється. При цьому відповідно 1 UA 100470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зменшується інтенсивність ультразвукової енергії. Якщо використовується мембранний згинальний випромінювач, то ультразвукова енергія розповсюджується в усі боки і її інтенсивність швидко спадає. Ультразвукова хвиля, що випромінюється, відбивається від стінок корпуса, внаслідок чого в порожнині корпуса встановлюється стояча хвиля деформації. Якщо стінки корпуса нахилені відносно поверхні випромінювання або використовується згинальний випромінювач, то в об'ємі корпуса встановлюється, так зване, дифузне ультразвукове поле, в якому перемішуються вузли та пучності коливань. Це дозволяє усереднити рівень кавітації в об'ємі рідини, що знаходиться в корпусі. Але цей рівень буде суттєво менший у порівнянні з рівнем кавітації в вузлах та пучностях стоячої хвилі деформації у випадку коли випромінююча та відбиваюча поверхні паралельні. Дифузне ультразвукове поле дозволяє підвищити рівномірність кавітаційної обробки деталей в очисних ультразвукових кавітаційних ваннах. Але, якщо мова йде про досягнення високої інтенсивності ультразвукової енергії та високого рівня кавітації для забезпеченні високої ефективності знезараження рідини (кількість знищених мікроорганізмів пропорційна інтенсивності ультразвукової енергії, що вводиться в рідину) з дифузним полем необхідно боротися. Мала площа випромінюючої поверхні застосованого в пристрої трансформатора коливальної швидкості не дозволяє ввести в рідину ультразвукову хвилю великої інтенсивності, оскільки при збільшенні підведеної до випромінювача потужності на випромінюючій поверхні утворюється кавітаційний двохфазний прошарок, який поглинає та розсіює значну кількість ультразвукової енергії, перешкоджаючи проходженню ультразвукових коливань в рідину. Тому збільшення підведеної потужності призводить лише до нагріву п'єзокераміки випромінювача. Таким чином, конструкція, що розглядається, не дозволяєдосягти достатньо високої інтенсивності ультразвукового поля і високого рівня кавітації в об'ємі рідини, що обробляється. Тому вказаний пристрій також не дозволяє ефективно обробляти рідину з метою її знезараження, активації та отримання стійких емульсій. Найбільш близьким до запропонованого є ультразвуковий пристрій для обробки рідини (заявка на винахід № а200911932, C02F 1/36, дата подання 23.11.2009), що містить вертикально розташований порожнинний корпус з донною торцевою поверхнею та вхідним і вихідним патрубками, ультразвуковий випромінювач з розвиненою поверхнею випромінювання, закріплений в верхній частині корпуса в вузловій точці стоячої хвилі деформації з утворенням герметичної порожнини та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної торцевої поверхні, яка розташована паралельно поверхні випромінювання на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини ультразвукових хвиль у рідині. Можливість випромінювання ультразвукових хвиль вздовж корпуса забезпечується розташуванням ультразвукового перетворювача у верхній частині корпуса, де в області кріплення трансформатора швидкості утворено герметичну порожнину. Ця порожнина не дозволяє змочувати вузлову точку кріплення трансформатора швидкості. В разі змочування цієї точки ультразвукова енергія може стікати в рідину і не доходити в повному обсязі до вихідного торця трансформатора швидкості, зменшуючи ефективність його коливань. Цей пристрій завдяки розвиненій поверхні випромінювання і циліндричній формі порожнини корпуса дозволяє підвести до випромінювача значно більшу потужність і отримати, відповідно, більшу інтенсивність ультразвукових коливань. Практично вдається досягти інтенсивності до 20 2 Вт/см . Але для знезараження великої кількості типів мікроорганізмів та ефективної активації багатьох рідин необхідна значно більша інтенсивність ультразвукових коливань. Крім того, при застосуванні такого пристрою на зливі, тобто при атмосферному тиску, кавітаційні ефекти в порожнині корпусу будуть відбуватися при малій ефективності, оскільки відомо, що ефективність кавітації збільшується при підвищенні статичного тиску. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності обробки рідини шляхом вдосконалення пристрою для ультразвукової обробки рідини, що містить вертикально розташований порожнинний корпус з донною торцевою поверхнею та вхідним і вихідним патрубками, ультразвуковий випромінювач з розвиненою поверхнею випромінювання, закріплений в верхній частині корпуса в вузловій точці стоячої хвилі деформації з утворенням герметичної порожнини та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної торцевої поверхні, яка розташована паралельно поверхні випромінювання на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині. Для вирішення поставленої задачі в пристрої для ультразвукової обробки рідини, що містить вертикально розташований порожнинний корпус з донною торцевою поверхнею та вхідним і вихідним патрубками, ультразвуковий випромінювач з розвиненою поверхнею випромінювання, закріплений в верхній частині корпуса в вузловій точці стоячої хвилі деформації з утворенням герметичної порожнини та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної 2 UA 100470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 торцевої поверхні, яка розташована паралельно поверхні випромінювання на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині, порожнинний корпус виконано зі змінною площею поперечного перерізу порожнини, причому ультразвуковий випромінювач розташовано в частині корпуса з максимальною площею перерізу порожнини, а торцева донна поверхня утворена в частині корпуса з мінімальною площею перерізу порожнини, вхідний патрубок розміщений на корпусі вище поверхні випромінювання ультразвукового випромінювача, вихідний патрубок розташований в корпусі в зоні донної поверхні і сполучений з порожниною корпуса через дросельні отвори. Виконання корпуса подовженим зі змінною площею поперечного перерізу порожнини дозволяє організувати в корпусі гідравлічний трансформатор коливальної швидкості, який забезпечить концентрацію ультразвукової енергії до високого рівня. Виконання на виході пристрою дросельних отворів дозволить підвищити внутрішній тиск в пристрої і, таким чином, підвищити його ефективність при застосуванні на зливних магістралях, наприклад на крані приватного споживача питної води. Як варіант, порожнинний корпус може бути виконано циліндричним ступінчастим з плавним переходом ступеня більшого діаметра в ступінь меншого діаметра, причому перехід ступеня більшого діаметра в ступінь меншого діаметра розташований від поверхні випромінювання ультразвукового випромінювача на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині, а на внутрішній поверхні ступеня меншого діаметра нанесені дрібні канавки, наприклад, у вигляді дрібної різьби. Таке виконання порожнинного корпусу дозволить отримати в ступені меншої площі декілька перерізів з максимальною інтенсивністю коливань, в яких рідина буде поступово інтенсивно кавітаційно оброблятися. Така форма трансформатора швидкості є максимально технологічною. Виконання в ступені меншої площі дрібних канавок дозволить, по перше, додатково турбулізувати рідину, що покращить її перемішування, а, по друге, дозволить затримуватися в кавітаційних зонах додатковим зародкам кавітації, які в іншому випадку уносяться потоком рідини у вихідний патрубок. Це додатково збільшить інтенсивність кавітаційних явищ. Суть винаходу пояснюється рисунками, де на фіг. 1 показана схема ультразвукового пристрою для обробки рідини, на фіг. 2 - збільшений вигляд донної поверхні з дросельними отворами та дрібною різьбою на поверхні ступеня меншого діаметра. Пристрій складається (Фіг. 1) із вертикально розташованого порожнинного корпуса 1 з донною торцевою поверхнею 2 (Фіг. 2), вхідним патрубком 3 та вихідним патрубком 4. В верхній частині корпуса 1 розміщений ультразвуковий випромінювач, утворений випромінюючою накладкою 5, демпфуючою накладкою 6 та п'єзокерамічними елементами 7, які механічно стиснуті гайкою 8. Електроди п'єзоелементів підключені до електричного генератора ультразвукових коливань (на схемі умовно не показаний). Випромінююча накладка 5 виконана конічною з утворенням за рахунок розширення розвиненої поверхні випромінювання 9. Товщини накладок 5, 6 та п'єзоелементів 7 розраховані таким чином, що при встановленні по довжині ультразвукового випромінювача стоячої хвилі 10 пружної деформації (пунктирна лінія) вузлова точка, тобто точка мінімальної амплітуди коливань розташована на випромінюючій накладці 5. Цією вузловою точкою ультразвуковий випромінювач закріплений в корпусі 1 з утворенням за допомогою ущільнення 11 герметичної порожнини 12 та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної торцевої поверхні 2 (Фіг. 2), яка розташована паралельно поверхні випромінювання 9 на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль 13 (безперервна лінія) у рідині. Порожнинний корпус 1 виконано зі змінною площею поперечного перерізу порожнини, причому ультразвуковий випромінювач розташовано в частині корпуса 1 з максимальною площею перерізу порожнини, а торцева донна поверхня 2 (Фіг. 2) утворена в частині корпуса з мінімальною площею перерізу порожнини. Вхідний патрубок 3 розміщений на корпусі 1 вище поверхні випромінювання 9 ультразвукового випромінювача, вихідний патрубок 4 розташований в корпусі 1 в зоні донної поверхні 2 (Фіг. 2) і сполучений з порожниною корпуса 1 через дросельні отвори 14 (Фіг. 2). Як варіант порожнинний корпус 1 виконано циліндричним ступінчастим з плавним переходом ступеня більшого діаметра в ступінь 15 меншого діаметра, причому перехід ступеня більшого діаметра в ступінь 15 меншого діаметра розташований від поверхні випромінювання 9 ультразвукового випромінювача на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині, а на внутрішній поверхні ступеня 15 меншого діаметра нанесені дрібні канавки, наприклад, у вигляді дрібної різьби 16 (Фіг. 2). Пристрій працює наступним чином. Через пристрій за допомогою вхідного 3 та вихідного 4 патрубків прокачується рідина, яка потребує кавітаційної обробки. Завдяки наявності 3 UA 100470 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дросельних отворів 14 (Фіг. 2) в порожнині корпуса 1 утворюється підвищений статичний тиск. При цьому, завдяки герметичному кріпленню ультразвукового випромінювача за допомогою ущільнення 11, в верхній частині порожнини корпуса 1 утворюється повітряна герметична порожнина 12. Ця порожнина не дозволяє змочувати вузлову точку кріплення ультразвукового випромінювача. В разі змочування цієї точки ультразвукова енергія може стікати в рідину і не доходити в повному обсязі до поверхні випромінювання 9 випромінюючої накладки 5, зменшуючи ефективність роботи випромінювача. Пристрійготовий до роботи. При подачі високочастотної напруги від електричного генератора коливань на п'єзоелементи випромінювача в останньому збуджуються поздовжні резонансні пружні механічні коливання 10. Збільшена за рахунок конусної форми накладки 5 площа поверхні випромінювання 9 дозволяє зменшити амплітуду коливань випромінювача і зменшити інтенсивність ультразвукових коливань, що вводяться в рідину. При цьому на поверхні випромінювання 9 не виникає кавітація і ультразвукові коливання вводяться в рідину з мінімальними втратами. Введені в рідину ультразвукові коливання відбиваються від торцевої донної поверхні 2 і повертаються до поверхні випромінювання 9. В рідині встановлюється стояча хвиля деформації 13. Поступове зменшення площі поперечного перерізу внутрішньої порожнини корпуса 1 забезпечує поступове зростання інтенсивності ультразвукових коливань в рідині. Максимального значення інтенсивність коливань досягне біля торцевої донної поверхні 2. В зоні донної поверхні рідина буде оброблена сконцентрованою ультразвуковою енергією, яка утворить потужні кавітаційні явища. В разі виконання внутрішньої порожнини корпуса 1 ступінчастою з плавним переходом ступеня більшого діаметра в ступінь меншого діаметра буде утворено, так званий, рідинний ступінчастий трансформатор коливальної швидкості, який відрізняється високою технологічністю виготовлення, великим значенням коефіцієнта концентрації ультразвукової енергії та дозволяє отримати по довжині ступеня 15 малого діаметра декілька зон з високою концентрацією ультразвукової енергії. Це дозволить інтенсивно обробити рідину декілька разів. Розміщення поверхні випромінювання 9 ультразвукового випромінювача на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині від місця переходу ступеня більшого діаметра в ступінь меншого діаметра забезпечить мінімальність втрат при потраплянні ультразвукових коливань в ступінь меншого діаметру, а також забезпечить встановлення в рідині стоячої хвилі деформації і утворення чітко виражених вузлів та пучностей, що дозволить отримати в ступені меншого діаметра кавітаційні зони високої інтенсивності. Утворений дросельними отворами 14 підвищений статичний тиск в порожнині корпуса додатково підвищить інтенсивність кавітаційної обробки рідини. Нанесені на внутрішній поверхні ступеня малого діаметра 15 дрібні канавки, наприклад, у вигляді дрібної різьби 16 забезпечують затримання в зонах кавітації зародків кавітації, що додатково підвищує рівень кавітації і ефективність обробки рідини. Запропонований ультразвуковий пристрій дозволяє отримати інтенсивність ультразвукових коливань в 7 разів більшу, ніж в конструкції прототипу, тобто досягти інтенсивність коливань 2 майже в 140 Вт/см . Така інтенсивна кавітаційна обробка здатна знешкодити широке коло шкідливих бактерій, вірусів і мікроорганізмів в рідині, забезпечити високий рівень окислювальних процесів в рідині, що дозволить наситити її вільними радикалами, тобто активувати рідину. Наприклад, кавітаційно активоване рідке паливо має підвищені енергетичні показники горіння. Таке паливо встигає повністю з максимальною ефективністю згоріти в камері двигуна внутрішнього згоряння, не змиває мастильну плівку з пар тертя і не викидається з вихлопними газами в атмосферу. Емульсія, отримана в такому пристрої, довгий час не розшаровується завдяки інтенсивному кавітаційному перемішуванню на молекулярному рівні. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Ультразвуковий пристрій для обробки рідини, що містить вертикально розташований порожнинний корпус з донною торцевою поверхнею та вхідним і вихідним патрубками, ультразвуковий випромінювач з розвиненою поверхнею випромінювання, закріплений в верхній частині корпуса в вузловій точці стоячої хвилі деформації з утворенням герметичної порожнини та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної торцевої поверхні, яка розташована паралельно поверхні випромінювання на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині, який відрізняється тим, що порожнинний корпус виконано зі змінною площею поперечного перерізу порожнини, причому ультразвуковий випромінювач розташовано в частині корпуса з максимальною площею 4 UA 100470 C2 5 10 перерізу порожнини, а торцева донна поверхня утворена в частині корпуса з мінімальною площею перерізу порожнини, вхідний патрубок розміщений на корпусі вище поверхні випромінювання ультразвукового випромінювача, вихідний патрубок розташований в корпусі в зоні донної поверхні і сполучений з порожниною корпуса через дросельні отвори. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що порожнинний корпус виконано циліндричним ступінчастим з плавним переходом ступеня більшого діаметра в ступінь меншого діаметра, причому перехід ступеня більшого діаметра в ступінь меншого діаметра розташований від поверхні випромінювання ультразвукового випромінювача на відстані, кратній непарній кількості чвертей довжини стоячих ультразвукових хвиль у рідині, а на внутрішній поверхні ступеня меншого діаметра нанесені дрібні канавки, наприклад, у вигляді дрібної різьби. 5 UA 100470 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6