58 Общие сведения об ультразвуке
УЛЬТРАЗВУК – это упругие звуковые колебания высокой частоты (104 – 108 Гц).
Ультразвук способен интенсифицировать многие физические и физико-химические процессы.
История практического применения ультразвука такова. В конце прошлого века судостроители заметили, что, если скорость вращения корабельных винтов превысит определенный предел, их лопасти быстро изъязвляются. Как выяснилось, причина этого явления - кавитация, то есть возникновение в жидкости микропузырьков, в которых при быстром схлопывании за доли миллисекунды температура повышается до тысяч градусов, а давление - до сотен атмосфер. Когда такие пузырьки схлопывались близ поверхности винта, они её повреждали.
Позже, после создания генераторов ультразвука, в которых использовались эффекты электро- и магнитострикции, обнаружили, что кавитацию вызывают волны разрежения и сжатия. Долгое время казалось, что это явление интересно лишь с чисто научной точки зрения.
Ультразвуковые волны в жидкости
В последние годы выяснилось, что высокая температура и большое давление, возникающее в кавитационных пузырьках, способны инициировать многие необычные процессы. Например, в воде при облучении ультразвуком образуется перекись водорода и молекулярный водород; в такой среде многие органические вещества разлагаются, а неорганические соединения испытывают окислительно-восстановительные превращения.
Ультразвук способен ускорять и взаимодействия различных реагентов, для чего можно использовать простые технологические установки.
Ультразвук можно с успехом применять для подготовки питьевой воды и очистки сточных вод; он вызывает реакции полимеризации и деполимеризации.
Особенно эффективен ультразвук для приготовления различных композитов и эмульсий - например, кремов и майонезов.
Некоторые данные указывают также на то, что ультразвук ускоряет проращивание семян и рост растений.
59 Источники ультразвука.
Источниками ультразвуковых колебаний являются различные колеблющиеся тела, преобразующие электрическую или механическую энергию в колебательную.
В качестве источников ультразвуковых колебаний применяют различные излучатели:
- аэродинамические;
механические;
гидродинамические;
электромагнитные;
электродинамические;
магнитострикционные;
пьезоэлектрические.
Выбор источника зависит от:
необходимой мощности,
технологических и конструктивных показателей оборудования,
требуемой скорости процесса.
СХЕМА РАБОТЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
а – щелевой с симметричным закреплением резонансной пластины; б – щелевой с консольным закреплением резонансной пластины
Гидродинамические преобразователи позволяют получить звуковые и ультразвуковые волны непосредственно в жидкости, при столкновении струи, вытекающей из сопла, с какой-либо преградой.
При совпадении собственной частоты пластины с частотой импульсов давления, возникающих в струе, пластина впадает в резонанс и создаёт звуковые или ультразвуковые колебания в окружающей жидкой среде.
Достоинства гидродинамических преобразователей:
проще и надёжнее электромеханических источников звука, так как для своей работы не требуют сложных электронных или машинных генераторов;
они обеспечивают хорошее перемешивание и гомогенизацию продукта;
просты в изготовлении;
удобны;
устойчивы в эксплуатации.
Недостатки гидромеханических преобразователей:
Низкий к.п.д.;
Невысокая интенсивность звуковых колебаний.
КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
а – одностержневого; б – многостержневого; в – преобразователя с мембраной
В основе работы магнитострикционных преобразователей лежит способность некоторых металлов (никель и никелевые сплавы) изменять свои размеры под действием магнитного поля.
Если никелевый стержень поместить в жидкость, то при колебаниях его торцы будут излучать звуковые волны с частотой, равной частоте тока генератора.
СХЕМА РАБОТЫ И УСТРОЙСТВА ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО ИЗЛУЧАТЕЛ
а – схема пьезоэлектрического устройства пьезокварцевого излучателя; б – схема работы при одностороннем излучении
Эти излучатели применяют для получения ультразвуковых колебаний высоких частот (от 200 кГц и выше) и высокой интенсивности – порядка нескольких десятков Вт/см2.
Под действием переменного напряжения толщина кварцевой пластины изменяется в такт с изменение напряжения. При этом плоские поверхности кварцевой пластины, помещённой в жидкость (см. на схеме б), излучает ультразвуковые волны.
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Для работы пьезокерамических преобразователей требуются небольшие напряжения (100-400В).
Для возбуждения колебаний в керамических преобразователях на их боковые поверхности наносятся слои серебра, к которым подводится напряжение от высокочастотного генератора.
Значительная доля подводимой энергии уходит на нагрев излучателя. Для отвода этого тепла пьезокерамические преобразователи нуждаются в интенсивном охлаждении, на что расходуется дополнительная энергия.
Ультразвуковое оборудование пищевых производств.
СХЕМА МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ КОНСЕРВНОЙ ТАРЫ:
1 – ванна; 2 – цепной конвейер, на котором укреплены банконесущие кассеты; 3 - калорифер; 4 – магнитострикционный блок; 5 - фильтр
УСТРОЙСТВО ЭМУЛЬСИОННОЙ УСТАНОВКИ С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
а – эмульсионная установка; б – эмульсатор установки:
1 – насос; 2 – камера с преобразователями; 3 – отражатель; 4 – труба; 5 – обтекаемый колпачок
Эта установка предназначена для получения эмульсий и гомогенизации смесей большой вязкости при однократном проходе жидкости через преобразователь
Производительность, л/цикл……………………….. До 250
Мощность, кВт, не более……………………………… 4
Основная частота звука, кГц…………………………. 0,3
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЭМУЛЬСИОННАЯ УСТАНОВКА С МАГНИТОСТРИКЦИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
1 – бак-смеситель;
2 – камера грубого перемешивания;
3 – магнитострикционный преобразователь;
4 – ультразвуковой трансформатор;
5 – сборный бак;
6 – насос
Компоненты эмульсий заливаются в бак-смеситель 1, снабжённый мешалкой. После грубого перемешивания смесь подаётся в камеру 2, в которой смонтирован магнитострикционный преобразователь 3. смесь поступает под пластину ультразвукового трансформатора 4. по мере заполнения камеры 2 жидкость начинает перетекать в нижнюю камеру, устроенную аналогично. Всего в эмульсаторе имеются четыре камеры, последовательно соединённые между собой. После четырёхкратной обработки ультразвуком готовая эмульсия поступает в сборный бак 5, откуда насосом 6 направляется на производство.
СХЕМА УСТРОЙСТВА ЭМУЛЬСИОННОЙ УСТАНОВКИ С ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
а – схема эмульсионной установки непрерывного действия; б – схема поперечного разреза трубчатого вибратора:
1 – бачок; 2 – бак со змеевиком; 3 – труба тефлоновая; 4 – шесть пьезокерамических блоков; 5 – насос; 6 – сборный бак; 7 – трубопровод; 8 – цилиндрический излучатель; 9 – охлаждающая жидкость; 10 – тефлоновая трубка; 11 – обрабатываемая эмульсия
После грубого смешивания и темперирования смесь по тефлоновой трубе 3 последовательно проходит шесть пьезокерамических преобразователей 4, вдоль оси которых создаётся интенсивное ультразвуковое поле. По мере движения эмульсии уменьшаются диаметры частиц. Готовая эмульсия откачивается насосом 5 в сборный бак 6. охлаждающая вода подаётся внутрь керамических блоков по трубопроводу 7.
СХЕМА УСТРОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭКСТРАКТОРА
а – схема экстрактора:
1 – корпус; 2 – мешалка; 3 – сито коническое; 4 – змеевик; 5 пьезокварцевый преобразователь; 6 – трубопровод для выхода хмелевого экстракта; 7 – трубопровод для слива экстракта ароматических веществ; 8 – люк; 9 – трубопровод для подачи воды или пара; 10 – приборы контроля давления и температуры
б – схема пьезокварцевого преобразователя:
1 – кварцевая пластина; 2 – передающая пластина; 3 – кольцо-электрод; 4 – контактный штырь; 5 – изолятор; 6 – контурная катушка
Процесс экстракции расчленяется на две стадии: холодную экстракцию и горячую экстракцию. Для холодной экстракции в бак заливается холодная вода, засыпается хмель и смесь обрабатывается ультразвуком. В процессе озвучивания при низкой температуре из хмеля экстрагируется большое количество ароматических веществ, которые пропадают при обработке горячей смеси в сусловарочном котле. Холодный экстракт через сито по трубопроводу 7 уходит в сборник, после чего экстрактор заливается горячей водой и смесь хмеля с водой продолжает нагреваться. Одновременно смесь обрабатывается ультразвуком.
СХЕМА УСТРОЙСТВА ЗВУКОВОЙ СУШИЛКИ
1 – ЦИЛИНДР;
2, 3, 9 – ЗВУКОВЫЕ СИРЕНЫ;
4 – ПИТАТЕЛЬ;
5 – КОЛОСНИКОВАЯ РЕШЁТКА;
6 – ПАТРУБОК ДЛЯ ОТВОДА ВОЗДУХА, ПОДАВАЕМОГО ДЛЯ РАБОТЫ СИРЕНЫ;
7 – ПЕРЕГОРОДКА;
8 – ВЕРХНИЙ ПАТРУБОК ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Материал поступает в сушилку через питатель 4 на колосниковую решётку 5. воздух для сушки подаётся через сирену 2 и проходит через решётку 5. при этом обрабатываемый материал переходит во взвешенное состояние и интенсивно перемешивается (сушка в кипящем слое). Одновременно взвешенный материал подвергается действию звуковых колебаний от двух перпендикулярно расположенных сирен. Воздух, подаваемый для работы сирены 3, отводится из сушилки через патрубок 6. по мере высушивания частицы поднимаются потоком воздуха кверху и попадают за перегородку 7, откуда попадают в разгрузочный бункер. Влажный воздух из сушилки удаляется через верхний патрубок 8. для устранения уноса частиц с удаляемым влажным воздухом в верхней части установлена сирена 9, в результате чего ускоряется коагуляция и осаждение частиц высушиваемого материала.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОСВЕТЛЕНИЯ ВИНА
1 – цистерна;
2 – мешалка (установлены две:быстро-ходная и тихоходная) ;
3 – магнитострик- ционный излучатель
После заполнения вином в цистерну вводится оклеивающее вещество и производится перемешивание вина быстроходной мешалкой до получения необходимой равномерности смеси. После окончания перемешивания быстроходная мешалка выключается и включается тихоходная. В это время подаётся ультразвук. Медленное перемешивание в течение 20…30 минут во время озвучивания позволяет получить последовательное озвучивание всего объёма вина. Затем мешалка и ультразвук выключаются. Через 1-…12 часов вино легко фильтруется от хлопьевидных осадков.
№61
Сила проникновения ультрафиолетовых лучей невелика и распространяются они только по прямой, т.е. в любом рабочем помещении образуется множество затенённых зон, которые не подвержены бактерицидной обработке.
По мере удаления от источника ультрафиолетового излучения бактерицидность его действия резко снижается.
Действие лучей ограничивается поверхностью облучаемого предмета, и его чистота имеет большое значение. а – валковый; б – камерный одноярусный; в – камерный многоярусный; г – транспортёрный; д – шнековый; е – центробежный; ж – линейный; з - импульсный
