Меню Рубрики

Установки и оборудование ультразвуковое

Ультразвук и ультразвуковые установки. Виды ультразвуковых установок.

В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков ( f = 6-10 5 кГц ).

Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде.

При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая называется колебательной.

Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением.

Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой она движется. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может использоваться в технологических процессах.

Достоинства ультразвуковой обработки:

— возможность получения акустической энергии различными техническими приёмами;

— широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки, пайки и т. д.);

— простота автоматизации и эксплуатации;

— повышенная стоимость акустической энергии по сравнению с другими видами энергии;

— необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;

— необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами и формой.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов:

— кавитация, т. е. образование в жидкости пузырьков и лопание их.

При этом возникают большие местные мгновенные давления, достигающие 10 8 Н/м2;

— поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.

Эти эффекты используются для:

— разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;

— коагуляции (укрупнения) частиц;

— диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;

— дегазации жидкостей или расплавов за счёт образования всплывающих пузырьков больших размеров.

1.1. Элементы ультразвуковых установок

Любая ультразвуковая установка (УЗУ) включает в себя три основных элемента:

— источник ультразвуковых колебаний;

— акустический трансформатор скорости (концентратор);

Источники ультразвуковых колебаний (УЗК) могут быть двух видов – механические и электрические.

Механические преобразуют механическую энергию, например, скорость движения жидкости или газа. К ним относятся ультразвуковые сирены или свистки.

Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объёма) под действием магнитного поля.

Магнитострикционный эффект у различных материалов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр (сплав железа с кобальтом).

Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нём переменного электромагнитного поля высокой частоты.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объём) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на её гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.

Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария, цирконата-титана свинца.

Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Формы концентраторов

Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обрабатываемого материала. Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью к агрессивным средам.

1.2. Технологическое использование ультразвуковых колебаний

В промышленности ультразвук используется по трём основным направлениям: силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль процессов.

Силовое воздействие на материал

Применяется для механической обработки твёрдых и сверхтвёрдых сплавов, получения стойких эмульсий и т. п.

Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на характерных частотах 16–30 кГц:

— размерная обработка на станках с применением инструментов;

— очистка в ваннах с жидкой средой.

Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел (рис. 1.2). Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение. Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний (обычно ламповый), к которому подключается обмотка 2.

Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию механических упругих колебаний – вибратор 1.

Читайте также:  Лабораторные установки промышленного оборудования

Рис. 1.2. Акустический узел ультразвуковой установки

Колебания вибратора, который переменно удлиняется и укорачивается с ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются концентратором 4, присоединённым к торцу вибратора.

К концентратору крепится стальной инструмент 5 так, чтобы между его торцом и обрабатываемой деталью 6 оставался зазор.

Вибратор помещается в эбонитовый кожух 3, куда подаётся проточная охлаждающая вода.

Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла 7 подаётся жидкость с мельчайшими зёрнами абразивного порошка.

От колеблющегося торца инструмента зёрна абразива приобретают большую скорость, ударяются о поверхность детали и выбивают из неё мельчайшую стружку.

Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, производительность установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16–30 кГц) и большим количеством зёрен абразива, движущихся одновременно с большим ускорением.

По мере снятия слоёв материала производится автоматическая подача инструмента.

Абразивная жидкость подаётся в зону обработки под давлением и вымывает отходы обработки.

С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование и другие.

Ультразвуковые ванны (рис. 1.3) применяются для очистки поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, плёнок окислов, минеральных масел и др.

Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.

Принцип действия такой ванны состоит в следующем: обрабатываемая деталь (1) погружается в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2). Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединённая с магнитострикционным вибратором (6) с помощью клеящего состава (8). Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3) распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.

Рис. 1.3. Ультразвуковая ванна

Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров. Кроме того, этим методом удаётся получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол и другие.

Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового производства.

Интенсификация технологических процессов

Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических процессов. Например, полимеризация при определённой силе звука идёт более интенсивно. При снижении силы звука возможен обратный процесс – деполимеризация. Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую скорость реакции.

В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств затвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.

Ультразвуковой контроль процессов

С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб. Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после действия на среду с достаточной точностью судят о её состоянии. Как правило, применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.

По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных смесей, не являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах не изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это даёт возможность определить процентное содержание примесей в исходном веществе.

По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать приборы ультразвуковой диагностики.

Выводы: ультразвук – упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц, не слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые установки широко используют для обработки материалов за счет высокочастотных акустических колебаний.

источник

Ультразвуковое оборудование

Ультразвуковое оборудование использует ультразвук для интенсификации различных процессов во многих отраслях современной промышленности.

Ультразвук и его возможности позволяют производить ультразвуковое оборудование любой мощности и в различной комплектации. Возможно использование ультразвукового оборудования в автомобильной, химической, фармакологической и других отраслях. В настоящее время ультразвук активно применяется для интенсивной мойки или очистки изделий, помещаемых в ванну или другую емкость. Также ультразвук увеличивает скорость технологических процессов, происходящих в жидких средах. Ультразвуковое оборудование незаменимо, в частности, для оборудования профессионального стенда диагностики и очистки форсунок ДВС (ультразвуковой чистки инжектора). Ультразвуковое оборудование может использоваться в существующих технологических линиях для получения мелкодисперсных растворов. Ультразвук обладает огромным потенциалом в сфере производства лекарственных препаратов, косметологии, красок, пищевых продуктов и добавок.

Читайте также:  Установка холодильного оборудования на пежо боксер

Основные виды ультразвукового оборудования:

• Ультразвуковой генератор – подает переменное напряжение соответствующей частоты на пьезокерамические преобразователи ультразвуковой ванны, ультразвукового концентратора и т.п., использующейся для активизации движения микрочастиц в жидкой и твёрдой среде;
• Погружной ультразвуковой излучатель предназначен для очистки изделий ультразвуком, используя имеющейся у заказчика емкости – ванны. Погружной ультразвуковой излучатель, а также ультразвуковая пластина позволяет произвести ремонт или переоснащение любого производства без демонтажа имеющегося оборудования и с минимальными затратами;
• Ультразвуковая ванная – это емкость со встроенными ультразвуковыми излучателями, которые подключаются к генератору ультразвуковых колебаний. Используемая для очистки изделий и деталей, а также в целях ускорения; разнообразных технологических процессов в жидких средах;
• Оборудование для ультразвуковой пропитки – применяется на металлургических заводах, где требуется герметизация пор, на предприятиях, производящих электродвигатели, трансформаторы, а также там, где требуется пропитка обмоток лаком или другими средами на предприятиях, производящих электродвигатели, трансформаторы, а также там, где требуется пропитка обмоток лаком или другими средами;
• Ультразвуковое оборудование общепромышленного назначения – предназначено для ультразвуковой обработки изделий сложной конструкции от жиров, масел, поливочных паст и других технологических загрязнений;
• Установка предварительного замачивания и промывки деталей и узлов различного назначения применяется перед операциями основной очистки.

Ультразвуковое оборудование на Metaprom.ru:

Статья размещена: 06 Июл 2010
Последнее редактирование: 07 Мая 2013

Другие публикации из рубрики Промышленная продукция / Электротехническое оборудование:

источник

Ультразвуковые устройства для интенсификации и модификации процессов в жидких средах.

Коломеец Н.П. к.т.н., Новик А.А. инж.

Ультразвуковые устройства для интенсификации и модификации процессов в жидких средах.

В статье проведен обзор разработанных авторами и практически используемых ультразвуковых установок для интенсификации физико-химических и других технологических процессов в жидких средах, включая ультразвуковую очистку, диспергирование, эмульгирование, получение аэрозолей и др. связанных с созданием кавитационных полей и течений.

Широко известен эффект интенсификации и модификации физико-химических и других технологических процессов происходящих в жидкостях при помощи акустических колебаний или ультразвуковых волн, например, ультразвуковая очистка, диспергирование, эмульгирование, получение аэрозолей и др. связанных с созданием кавитационных полей и течений.

В настоящей работе проведен обзор разработанных и практически используемых ультразвуковых технологических устройств воздействующих на жидкие среды.

Лабораторные ультразвуковые установки серии ИЛ100-6/1, … /6 .

Для исследования воздействия ультразвуковых колебаний на различные процессы, происходящие в жидкостях или на вещества и материалы, помещенные в жидкость, был разработан ряд ультразвуковых установок. Мощность установок, в зависимости от модификации, составляет от 630 Вт до 5 кВт, на рабочей частоте 22 ± 10% кГц. Установки были названы лабораторными, с целью подчеркнуть их применение на начальном этапе исследований для выявления необходимых амплитуд ультразвуковых колебаний и уровней удельной мощности ультразвука для реализации тех или иных технологических процессов.

Лабораторная ультразвуковая установка состоит из ультразвукового генератора, магнитострикционного ультразвукового преобразователя и штатива, см. Рис.1. Патент на полезную модель № 43785, «Ультразвуковая установка» [1].

Емкость с жидкостью размещается на столике штатива. Ввод ультразвуковых колебаний осуществляется сверху. Материал, из которого изготовлена емкость, определяется пользователем ультразвуковой установки. Это, и то, что волноводы-излучатели выполнены из титана, позволяет подвергать ультразвуковому воздействию жидкости с различной степенью агрессивности. С целью повышения стойкости волноводов-излучателей на их поверхности может быть выращен слой нитрида титана.

Ультразвуковая установка оснащается уникальным магнитострикционным преобразователем. Амплитуда колебаний на частоте 22 кГц , на «холостом» ходу, составляет не менее 40 мкм. Магнитострикционный преобразователь закреплен на стойке с возможностью перемещения вдоль нее и с возможностью изменения угла ввода ультразвуковых колебаний в емкость с жидкостью.

С целью регулирования удельной мощности ультразвука, ультразвуковой генератор, входящий в комплект ультразвуковой установки, оснащен ступенчатой регулировкой выходной мощности. Набор из трех волноводов-излучателей, входящих в комплект ультразвуковой установки, позволяет получить различную амплитуду ультразвуковых колебаний в исследуемой жидкости. Для этого волноводы-излучатели изготавливаются как акустические трансформаторы амплитуды колебаний с коэффициентом трансформации 1:0.5, 1:1 и 1:2. Излучающая поверхность волноводов-излучателей изготавливается в виде «пятачка» и при незначительной кавитационной эрозии возможно механическое ( подрезка на токарном станке) исправление качества поверхности без изменения резонансной частоты волновода-излучателя.

Рис.1. Фото Лабораторной ультразвуковой установки ИЛ100-6/1

Высокая надежность ультразвуковой установки и возможность непрерывной работы в течение 24 часов, позволяет использовать ее не только при проведении предварительных лабораторных исследований, но и использовать установку в качестве полупромышленной ультразвуковой установки при небольших объемах обрабатываемых жидкостей, при прерывистой загрузке обрабатываемых жидкостей в применяемые емкости. Для расширения возможностей применения ультразвуковых Лабораторных установок предприятие ООО «Ультразвуковая техника – ИНЛАБ» выпускает несколько модификаций подобного оборудования с различной выходной мощностью. Установки могут быть использованы в качестве:

  • диспергатора;
  • эмульгатора;
  • системы ускоряющей и улучшающей экстрагирование активных веществ из растительного сырья;
  • сонохимического оборудования;
  • источника высокоамплитудных ультразвуковых колебаний;
  • специальной технологической системы размешивания, коагулирования и т.д.
Читайте также:  Установка настройка специализированного оборудования по защите информации

Переход от экспериментов к полномасштабным полупромышленным или промышленным установкам, при увеличении производительности, требует сохранения заданных уровней интенсивности колебаний ультразвука. Это можно решить несколькими способами: увеличением числа комплектов применяемого ультразвукового оборудования и/или созданием сложных волноводных излучающих систем.

Сложные волноводные излучающие системы.

Ультразвуковая активация — один из современных способов ускорения протекания химических реакций. Следует отметить, что применение ультразвука позволяет не только увеличить скорость химической реакции, но и увеличивает процент прореагировавших веществ. Подвергая ультразвуковой кавитационной обработке жидкую среду можно получить химические реакции невозможные в других случаях.

Эмульгирование и диспергирование реагентов в ультразвуковом поле значительно увеличивает поверхность прохождения химической реакции. Возможно применение ультразвуковой активации в двухфазных системах; в реакциях присоединения, замещения; в металлоорганической химии; в нефтехимии; в катализе; в химии полимеров; в различных химических технологиях.

В ультразвуковых установках могут быть использованы различные излучающие волноводы. В общем случае это могут быть и классические волноводы-излучатели, с одной излучающей поверхностью, как в, описанных выше, Лабораторных ультразвуковых установках, и специальные излучающие волноводные системы.

Известны трубчатые излучающие волноводные системы, см. Рис.2.

Рис.2. Фото трубчатого излучающего волновода с магнитострикционным преобразователем в охлаждающем корпусе.

Широкое использование трубчатых волноводов сдерживает недостаточная механическая прочность волновода. Волновод изготавливается минимум из трех деталей соединяемых между собой сваркой или иным способом. При возбуждении таких волноводов высокоамплитудным мощным ультразвуком прочность соединения оказывается недостаточной и происходит разрушение волновода-излучателя.

Разработан и выпускается каскадный волновод-излучатель для использования в высокоэффективных, высокоамплитудных ультразвуковых акустических системах, см. Рис.3. Патент на изобретение № 2248850, «Ультразвуковое устройство» [2].

Рис.3. Фото каскадного волновода-излучателя присоединенного к магнитострикционному преобразователю без охлаждающего корпуса.

Волновод монолитный, изготавливается из титанового сплава. Волновод-излучатель может быть изготовлен для присоединения к ультразвуковому преобразователю на мощность до 5кВт, на частоте 22 кГц. Отличительной особенностью этого волновода является наличие концентраторов с акустическими линзами колебаний, которые выполнены на волноводе через ?/4, геометрические параметры линз подобраны специальным образом и повышают интенсивность излучения. Множество излучающих поверхностей, значительная площадь излучения ультразвука, возможность выдерживать значительные амплитуды ультразвука без потери основных рабочих параметров – все эти качества волновода позволяют решать технологические задачи применения ультразвуковых технологий на новом уровне.

Проточные ультразвуковые диспергаторы серии ИЛ100-6/7 и ИЛ100-6/8 .

Разработаны и изготавливаются проточные ультразвуковые установки различного применения. Диапазон рабочих температур и давления, конструкция, материал реактора и ультразвукового излучателя могут быть различными и определяются по согласованию с Заказчиком. Мощность ультразвукового генератора и преобразователя определяется необходимым расходом реагентов, объемом реакционной среды. Реактор ультразвуковой установки имеет коаксиальную конструкцию, см. Рис.4. Патент на полезную модель № 44540, «Ультразвуковая установка для обработки жидких сред» [3].

Рис.4. Фото реактора ультразвуковой установки вместе с магнитострикционным преобразователем расположенном в части корпуса реактора.

Реактор оснащается различными типами волноводов-излучателей. Различаются реакторы изменением марки установки. ИЛ100-6/7 и ИЛ100-6/8 – установки оснащены обычным волноводом-излучателем с одной излучающей поверхностью. ИЛ100-6/7-0.1 и ИЛ100-6/8-0.1 – установки оснащены каскадным волноводом-излучателем.

Данная конструкция ультразвуковой технологической установки позволяет встраивать ее в существующее реакционное оборудование Заказчика.

  1. А.А. Новик. Ультразвуковая установка / Патент на полезную модель РФ № 43785 с приоритетом от 11.10.04 // Бюллетень: Открытия. Изобретения. Пром. Образцы и товарные знаки. – 2004. — №31.
  2. Н.П. Коломеец, А.А. Новик. Ультразвуковое устройство / Патент на изобретение РФ № 2248850 с приоритетом от 21.06.04 // Бюллетень: Открытия. Изобретения. Пром. Образцы и товарные знаки. – 2005. — №9.
  3. А.А. Новик, Н.П. Коломеец, С.В. Вешняков, В.А. Федорченко, Г.В. Генин. Ультразвуковая установка для обработки жидких сред / Патент на полезную модель РФ № 44540 с приоритетом от 05.11.04 // Бюллетень: Открытия. Изобретения. Пром. Образцы и товарные знаки. – 2005. — №9.

Версия для печати

Россия, Санкт-Петербург,
Телефон: (812) 329-4961
Тел./факс: (812) 329-4962

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector