книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

подобрать размеры пластины или стержня такими, чтобы их резонансные частоты совпадали с частотой следования вихрей, то интенсивность генерируемых звуковых коле­ баний намного увеличится. При совпадении собственных частот струи и пластины в излучателе возникнет резонанс колебаний.

Частоту генерирования пластинчатого излучателя можно определить по формуле

где V — скорость струи в зоне пластины в см/с; h — рас­ стояние от щели до края пластины в см; ф — универсаль­ ный коэффициент; b — ширина сопла в см.

Основные элементы пластинчатого излучателя — сопло и резонансная пластина. Сопло служит для плавного перехода жидкости из круглого сечения в плоское (щель). Сопла изготовляются из эрозионно- и коррозионностой­ ких материалов. Наиболее изнашивающиеся части состав­ ных сопел могут быть сделаны из пластмассы. Резонанс­ ные пластины изготовляют из материалов с максимальным модулем упругости (титан, сталь У7 и т. п.). Пластины могут крепиться консольно, в двух узловых точках и в центре. Собственная частота колебаний пластин зависит от их формы, размеров, способа крепления, свойств мате­ риала и т. п. При креплении пластины консольно или в центре ее. собственную частоту можно вычислить по формуле

/ = 0,162 А j / f ,

где I — длина пластины в см; d — длина заточки пластины в см; Е — модуль Юнга в дин/см2; р — плотность мате­ риала пластины в г/см3.

В стержневых излучателях сопло изготовляется в виде конической насадки с круглым выходным отверстием, против которого расположен отражатель. Резонансную частоту колебаний стержня с консольным закреплением можно определить из выражения

Гидродинамические излучатели могут быть много­ стержневыми. Принцип их действия основан на возбу­ ждении веерообразной струей расположенных вокруг

20

щую среду.

Многостержневой гидродинамический излучатель АГА, разработанный Всесоюзным научно-исследовательским и экспериментально-конструкторским институтом продо­ вольственного машиностроения (ВНИИЭКИПРОДМАШем), предназначен для создания акустических коле­ баний в водной среде с целью получения высокодисперс­ ных эмульсий и гомогенизации смесей (рис. 4). Излуча­ тель позволяет получить звуковые колебания высокой интенсивности, отличается устойчивостью в работе и отсутствием застойных зон. Излучатель АГА нашел ши­ рокое применение для получения масловодных и жировых эмульсий.

Вихревые излучатели работают на принципе срыва вихрей и образования звуковых волн за счет импульсов давления, возникающих при захлопывании кавитацион­ ных пузырьков. Срывающиеся вихри являются источ­ никами кавитации. Кавитационные пузырьки в области вихря пульсируют с частотой, которую можно определить по формуле Смита:

зырек, в дин/см2; р — плотность среды в г/см3. Роторные излучатели тоже основаны на принципе

возникновения пульсации давлений при вращении ро­ тора и быстром чередовании совмещений и несовмещений

21

щелей (прорезей) или отверстий ротора и статора. Наи­ большее распространение получили роторные преобразо­ ватели, имеющие в роторе и статоре щели прямоугольной формы. Частота пульсаций роторного излучателя зависит

от количества щелей (прорезей) и скорости вращения ро­ тора

f = tiN,

где п — скорость вращения ротора в об/с; N — число щелей (прорезей).

Роторные излучатели могут быть с изменяющейся скоростью вращения ротора, что позволяет подбирать наиболее выгодный режим работы для определенного технологического процесса.

Практическое применение на промышленных пред­ приятиях получили гидродинамические пластинчатые уст­ ройства типа УГУ-П со вторичным акустическим резона­

(рис. 5, а) элемент, излучающий ультразвук, представляет собой акустический резонатор, внутрь которого вмонти­ рован гидродинамический излучатель с пластинчатым колебательным элементом. Излучатель имеет сопло, обес­ печивающее плавный переход круглого сечения вводной трубы в щелевидное отверстие. Против сопла жестко закрепляется изготовленная из титана пластина, служа­ щая необтекаемым препятствием для упругой, плоской струи жидкости, вытекающей из сопла.

В гидродинамическом устройстве типа УГУ-В (рис. 5, б) элемент, излучающий ультразвук, представляет собой цилиндрическую камеру с несколькими тангенциально расположенными вводами на боковой ее поверхности, переходящую в камеру с меньшим (в 4—8 раз) диаметром. Устройство имеет корпус цилиндрической формы, в торце которого введен патрубок для подачи жидкости.

В гидродинамическом устройстве типа УГУ-Р (рис. 5, в) элемент, излучающий ультразвук, представляет собой неподвижную часть — статор, имеющий форму усечен­ ного конуса, по всей поверхности которого равномерно расположены щелевидные отверстия. В нижней части статора расположен патрубок для подачи жидкости. На конусную часть статора с небольшим зазором надет

ротор по форме, числу щелей и их размерам аналогичный статору.

22

Рис. 5. Гидродинамические излучатели:

Применение гидродинамических устройств дает воз­ можность получить эмульсии и суспензии с размером частиц около 1 мкм, снизить расход стабилизирующих добавок, обеспечить хороший контакт между компонен­ тами при гомогенизации и массообмене. В табл. 1 даны технические характеристики гидродинамических излуча­ телей.

Широкое применение ультразвуковые гидродинамиче­ ские излучатели получили для смешения различных жид­ ких компонентов, ускорения химических процессов вслед­ ствие лучшего контакта фаз и получения стойких эмуль­ сий несмешивающихся между собой жидкостей. Так, аппарат УГС интенсифицирует процессы смешения и эмульгирования, улучшает качество продукта, снижает металлоемкость, экономит электроэнергию и резко умень­ шает занимаемую аппаратурой площадь. Он состоит из следующих основных узлов: блока ультразвуковых ги­ дродинамических излучателей, насоса, фильтра, струй-

23

Т а б л и ц а 1

Техническая характеристика гидродинамических излучателей

Тип устройства

Технические данные

УГУ-П УГУ-В УГУ-Р

ника-эжектора, пульта управления и системы трубопро­ вода. Все узлы аппарата смонтированы на перевозной тележке. Основной частью аппарата УГС является ультра­ звуковой гидродинамический излучатель, который имеет сопло с устройством для формирования струи, пластину, изготовленную из материала с малой плотностью и боль­ шим модулем упругости, и акустический стакан.

Гидродинамический аппарат работает следующим обра­ зом. Два или несколько компонентов подаются одновре­ менно в аппарат и предварительно смешиваются в струйнике. Кран струйника имеет шкалу с градуировкой. Выпускаемые аппараты отградуированы по воде. В случае обработки других компонентов градуировка должна быть соответственно изменена. Из струйника компоненты по­ даются в центробежный насос, а затем в фильтр, который предназначен для очистки материалов от механических примесей. После фильтра компоненты подаются в основ­ ной узел аппарата — блок гидродинамических излучате­ лей, где и происходит смешение компонентов под действием ультразвуковых колебаний. Блок излучателей заключен в рубашку, что позволяет проводить процесс при пони­ женной или повышенной температурах. После облучения готовый продукт через трубопровод поступает по техно­ логическому назначению. При необходимости повторной обработки продукт может быть снова возвращен в аппарат.

Гидродинамические излучатели имеют набор сменных сопел и пластин, что обеспечивает работу аппарата УГС

24

Рис. 6. Схема установки для испытаний гидроди­ намических излучателей

с разной производительностью: 1,5; 3; 7; 14 м3/ч. Управле­ ние аппаратом осуществляется с помощью пульта.

Для проверки эффективности гидродинамических излу­ чателей проведены специальные исследования и сравни­ тельные испытания гидродинамических излучателей раз­ личных конструкций [166]. Для этой цели была исполь­ зована установка, схема которой позволяла создавать необходимые гидродинамические условия для работы различных типов излучателей. Установка состоит из емкости 2 (рис. 6), насоса 7, испытуемого излучателя 4, манометра 5 и трубопровода с вентилями /, 3, 6. Для оценки результатов смешения излучателями учитывались число проходов и время, а следовательно, и энергетиче­ ские затраты на смешение компонентов конкретным излу­ чателем. Анализ проб проводился микроскопическим методом — определялся средний размер частиц дисперс­ ной фазы. Чем выше степень дисперсности при одном и том же значении, затраченной на смешение энергии, тем эффективнее работа излучателя.

Затраченную энергию W оценивали мощностью, по­ требляемой излучателем, и временем, необходимым для смешения единицы объема, прокачиваемой через излуча­ тель жидкости:

W = Pt — 981 -IO-4 pVt,

где Р — потребляемая излучателем мощность в Вт; р —• давление в кгс/см2; t — время, необходимое для смешения, в с; У — объем обрабатываемой жидкости в м3.

Сравнительные испытания показали, что при равных числах проходов и равных значениях энергий, затрачен­ ных на смешение единицы объема, лучшие результаты показали пластинчатые гидродинамические излучатели. Для исследования эффективности работы гидродинамиче­ ских пластинчатых излучателей проводились и другие эксперименты.

25

g

=y=

Рис. 7. Схема установки для исследования эффективности гидродинамических пластинчатых излучателей

На рис. 7 изображена схема установки, с помощью которой получены экспериментальные данные по исследо­ ванию стойкости эмульсий при различных режимах работы ультразвукового гидродинамического пластинчатого излу­ чателя. Исходные компоненты эмульсии (трансформатор­ ное масло и вода) нагнетали насосом 1 из баков 2 и 3. Расход компонентов регулировался вентилями 4 и 5 и контролировался ротаметрами 6 и 7. Предварительно смешанная насосом жидкость подавалась под давлением до 14 кгс/см2, замеряемая манометром 8 через ресивер 9, в гидродинамический пластинчатый излучатель 10. Полу­ ченная эмульсия поступала в бак 11 и одновременно отби­ рались пробы для анализа ее свойств.

В гидродинамическом излучателе можно плавно изме­ нять расстояние между соплом и пластиной в пределах О—30 мм, а также заменять пластины и сопла. При экс­ периментах использовано сопло сечением 1,1x8 мм2 и пластины с вылетом 22 и 29 мм толщиной от 0,38 до 3,95 мм. Расстояние между соплом и пластиной излучателя — основной параметр, определяющий частоту следования завихрений, частоту их модуляции, интенсивность коле­ баний пластины и время нахождения частиц масла в зоне озвучивания. Расстояние изменялось в пределах 6—28 мм. В результате экспериментов установлено, что с помощью гидродинамического пластинчатого излучателя можно по­ лучить высококачественные эмульсии.

26

Электромеханические излучатели

В основу работы электромеханических излучателей положен принцип преобразования электрической энергии в механическую. По принципу действия электромеханиче­ ские излучатели делятся на электромагнитные, электро­ динамические \ магнитострикционные и пьезоэлектриче­ ские.

С помощью электромеханических излучателей можно создавать механические колебания как относительно низ­ ких частот в пределах от десятков герц до единиц кило­ герц (электромагнитные, электродинамические), так и колебания высоких частот от десятков килогерц до сотен мегогерц (магнитострикционные, пьезоэлектриче­ ские).

Электромагнитные излучатели. Работа электромагнит­ ных излучателей основана на возбуждении колебаний подвижной механической системы под действием электро­ магнита, возбуждаемого переменным электрическим по­ током. Электромагнитные излучатели делятся на излу­ чатели, работающие без удвоения и с удвоением частоты. В электромагнитных излучателях, работающих без удвое­ ния частоты, постоянное магнитное поле накладывается на переменное. Ток, вызывающий постоянное магнитное поле, называется током подмагничивания іп. В этом случае притягивающая сила электромагнита будет только при положительных полупериодах (рис. 8, а). Такой излуча­ тель называют поляризованным.

В электромагнитных излучателях с удвоением частоты постоянное магнитное поле отсутствует и электромагнит будет притягивать механическую систему во время каж­ дого полупериода (рис. 8, б). Следовательно, частота электромагнитного излучателя /п определяется частотой питающего электрического напряжения fv~ или его удвоенной частотой 2/Ѵ~. Электромагнитные излучатели питаются обычно от электромашинных генераторов, но иногда могут питаться от специальных переключающих устройств. Ввиду того, что выходная мощность электро­ магнитных излучателей падает с повышением частоты, они на частотах более 1—2 кГц применяются редко. Чаще они используются на низких частотах до 400 Гц.

1 Электромагнитные, электродинамические излучатели иногда на­ зывают электромагнитными, электродинамическими вибраторами.

27

Электромагнитный излучатель с упругой мембраной работает следующим образом. При прохождении перемен­ ного тока по обмотке катушки возбуждения в сердечнике электромагнита создается переменное магнитное поле. При максимальных или близких к ним значениях магнит­ ного потока мембрана притягивается к электромагниту, а при нулевых или близких к ним значениях магнитного поля мембрана под действием упругих сил отходит от электромагнита. В результате мембрана колеблется с ча­ стотой питающего тока, передавая упругие колебания жидкой среде. Электромагнитный излучатель со свободно подвешенным якорем работает так же за исключением того, что якорь (вместо мембраны) возвращается в исход­ ное положение под действием пружины, и упругие коле­ бания в среде передаются излучающей пластиной.

Как упругая мембрана, так и якорь излучателя изго­ товляются из ферромагнитных материалов, так как они являются составной частью магнитопровода, по которому замыкается магнитный поток. Расчет одностержневого и многостержневого электромагнитов, подвижных меха­ нических систем, выполненных в виде мембраны, закреп­ ленной по контуру, и в виде свободно подвешенного якоря

свозвратной пружиной, а также описание некоторых электромагнитных излучателей приведены в работе [35].

Электромагнитные излучатели применяются для обра­ ботки различных материалов в жидкости.

Электродинамические излучатели. Принцип действия электродинамического излучателя основан на взаимодей­ ствии проводника (катушки или стержня), несущего переменный ток, с магнитным по­ лем неподвижного электромагни- ^ та. Если к проводнику (катушке Ц или стержню) жестко прикрепить ^ мембрану, то она будет колебаться

счастотой изменения магнитного

29