ES2258168T3 - Sistema transductor ultrasonico. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de tratamiento de un líquido o de una suspensión con una energía ultrasónica que comprende: proporcionar un elemento móvil sin fin (102) que sea permeable a un líquido (156), una chapa transversal (106) dispuesta debajo del elemento y extendiéndose a través del elemento (102) y un transductor (108), en engranaje operativo con la chapa (106), mover el elemento sin fin (102) alrededor de rodillos (104), generando el transductor (108) impulsos de presión en la chapa (106) para formar burbujas de implosión (158) en el líquido (156) dispuesto encima del elemento (102), teniendo las burbujas de implosión (158) un diámetro d1 que forma un espacio (155) definido entre el elemento (102) y la chapa (106), representando el espacio (155) una distancia d2 siendo la distancia d2 inferior al diámetro d1 de las burbujas (158) para evitar que las burbujas (158) aumenten hasta el diámetro d1 del espacio (155).

Description

Sistema transductor ultrasónico.

Campo técnico

La presente invención es un sistema reactor y transductor ultrasónico. Más en particular, el sistema transductor se puede usar en elementos móviles sin fin que son permeables al líquido.

Antecedentes y resumen de la invención

Antiguamente, la energía ultrasónica se aplicaba a los líquidos. La energía ultrasónica lo suficientemente intensa aplicada a un líquido, tal como agua, produce cavitación que puede provocar cambios en las características fisioquímicas del líquido. La sonoquímica, que se ocupa de fenómenos de ese tipo, ha proliferado mucho durante los últimos años.

El material publicado sobre sonoquímica y materias relacionadas está relacionado con los procesos por lotes, es decir la dispersión o solución líquida que se va a tratar se coloca en un recipiente. Posteriormente, el líquido del recipiente se remueve o agita, y se aplica ultrasonido al mismo. Es necesario esperar hasta que se consigue el resultado deseado, cambio físico o químico del líquido, o hasta que no se observa ninguna mejora en la producción. Posteriormente, se desconecta el ultrasonido y se extrae el líquido. De este modo el líquido no vuelve a su estado inicial antes del tratamiento con energía ultrasónica. En este sentido, el tratamiento con ultrasonido se considera irreversible o sólo muy lentamente reversible.

Aparte de todo, los procesos industriales que usan líquidos se realizan de manera adecuada por lotes, como se ha descrito anteriormente. De hecho, prácticamente todos los procesos de grandes cantidades se basan en el procesamiento continuo. Los motivos para tratar líquidos en procesos continuos son numerosos. Por ejemplo, el hecho de que un proceso determinado pueda no ser irreversible o sólo lentamente reversible y de que sea necesario tratar el líquido mucho antes de que pueda revertir a su estado anterior.

Para la mayoría de trabajos fisioquímicos en soluciones líquidas, si no todos, es necesario llevar las ondas de choque, externas a las burbujas colapsantes, a una oscilación violenta mediante ultrasonido. Los impulsos de presión negativa forman las burbujas y los impulsos de presión comprimen las burbujas y, por consiguiente, reducen el diámetro de la burbuja. Tras una cantidad suficiente de ciclos, se aumenta el diámetro de la burbuja hasta el punto en el que la burbuja ha alcanzado su diámetro crítico, tras lo que la burbuja se arrastra a una oscilación violenta y colapsa, con lo que se genera un impulso de presión y térmico. Un campo de ultrasonidos muy intenso forma más burbujas y las arrastra a una oscilación violenta y colapsan más rápidamente.

Una burbuja que se genera dentro de un líquido en movimiento ocupa un volumen dentro de dicho líquido y seguirá la velocidad de flujo dentro de dicho líquido. Cuanto menos intenso sea el campo de ultrasonidos al que se expone, a más impulsos se tendrá que exponer a fin de llegar a una implosión violenta. Esto significa que cuanto mayor sea la velocidad de flujo, más intenso tendrá que ser el campo de ultrasonidos para llevar las burbujas a una implosión violenta y al colapso. De lo contrario, las burbujas abandonarán el campo de ultrasonidos antes de llegar a la implosión. Un campo de ultrasonidos intenso necesita que transductores de ultrasonidos muy potentes generen el campo y que la energía que generan dichos transductores se transmita al líquido que se va a tratar. En función de este requisito, Bo Nilsson y H\ring{a}kan Dahlberg desarrollaron nuevos tipos de transductor piezoeléctrico que se podían accionar a voltajes de hasta 13 kV y, por lo tanto, capaces de generar campos ultrasónicos muy intensos. Dichos desarrollos se describen en las patentes estadounidenses 5.955.823, 6.016.023 y 6.137.209. En la patente estadounidense 6.308.585 se describe un procedimiento y un dispositivo para acoplar transductores ultrasónicos de gran potencia.

Una fuente ultrasónica muy intensa provocará un colchón de burbujas cerca de la superficie emisora. El ultrasonido no puede penetrar a través de dicho colchón y, por consiguiente, no puede penetrar ultrasonido en el medio que se va a tratar. El modo tradicional de hacer frente a este problema es reducir la potencia, en cuanto a vatios por unidad de superficie de la superficie emisora, aplicada a los transductores ultrasónicos. Como se ha indicado anteriormente, la velocidad de flujo del medio que se va a tratar necesitará un campo de ultrasonidos más intenso y, por lo tanto, que se aplique una mayor potencia a los transductores ultrasónicos. Cuanto mayor sea la salida de potencia, más rápidamente se formará el colchón y más grueso será el colchón formado. Un colchón grueso detendrá completamente la penetración de ultrasonidos en un líquido situado en el otro lateral de dicho colchón. Todas las burbujas de cavitación de dicho colchón permanecerán en el colchón y provocarán un deterioro importante por cavitación en el área de ensamblaje del transductor de ultrasonidos lo que lleva a un cambio necesario de dicha parte del sistema de ultrasonidos. Esto significa que se consigue un efecto de ultrasonido reducido o inútil dentro del sustrato que se va a tratar y que el equipo de ultrasonidos se puede deteriorar seriamente. Existe la necesidad de solucionar los problemas que se han indicado anteriormente. Los sistemas transductores de la presente invención proporcionan una solución a los problemas.

Más en particular, el procedimiento es para tratar un líquido con una energía ultrasónica. Se proporciona un elemento móvil sin fin que es permeable a un líquido. Una chapa transversal está dispuesta debajo del elemento y se extiende a través del elemento y un transductor está en engranaje operativo con la chapa. El elemento se mueve alrededor de rodillos. El transductor genera impulsos de presión en la chapa para formar burbujas de implosión en el líquido dispuesto encima del elemento. Las burbujas de implosión tienen un primer diámetro d1. Entre el elemento y la chapa se forma un espacio. El espacio representa una distancia d2 que es inferior al diámetro d1 de las burbujas para evitar que las burbujas se queden dentro del espacio. Asimismo, las distancias entre las fibras que forman los espacios del material textil son preferentemente inferiores a la distancia d2.

Breve descripción de los dibujos

Fig. 1 es una vista lateral esquemática de la formación de un reactor de un sistema de técnica anterior,

Fig. 2 es una ilustración gráfica de la correlación entre la producción de yodo y la potencia acústica,

Fig. 3 es una vista en perspectiva del sistema transductor de la presente invención dispuesto debajo de un elemento móvil sin fin,

Fig. 4 es una vista transversal a lo largo de la línea 4-4 de la Fig. 3,

Fig. 5 es una vista a escala ampliada de burbujas de cavitación dispersas en una suspensión dispuesta encima del medio móvil sin fin,

Fig. 6 es una vista transversal de una segunda forma de realización del sistema transductor de la presente invención y

Fig. 7 es una vista transversal de una pluralidad de transductores dispuestos debajo de un medio móvil sin fin.

Descripción detallada

La Fig. 1 es una vista lateral de un sistema transductor de técnica anterior 10 que tiene un recipiente 11, tal como un reactor inoxidable, con una pared 12 para contener un líquido 13. Un transductor 14 está acoplado a una parte exterior 16 de la pared 12. Cuando el transductor 14 está activado, se forma una almohadilla 18 de burbujas de cavitación 20 en una parte interior 22 de la pared 12 debido a la zona de fractura del líquido 13 que puede ser consecuencia de marcas de fractura en la parte interior 22 de la pared 12. Las burbujas se pueden sujetar a la pared interior debido a la tensión superficial del líquido 13. Las burbujas 20 son buenos aislantes y evitan la transmisión real de la energía ultrasónica al líquido 13. Los impulsos de presión negativa de la energía ultrasónica que transmite el transductor 14 crean las burbujas de cavitación. De este modo la presión dentro de las burbujas es muy baja.

La Fig. 2 es una ilustración gráfica que muestra que la producción de yodo se ve afectada por el aumento de la potencia acústica en el sistema 10. Como se muestra en la Fig. 1, cuanta más potencia se aplica, más gruesa es la formación de las burbujas 20 y el aumento de producción se reduce y cae bruscamente a índices de potencia de unos 100 vatios en este caso. De este modo, las burbujas de cavitación limitan seriamente la utilidad de aumentar la potencia acústica para mejorar la producción de yodo.

La Fig. 3 es una vista en perspectiva del sistema transductor 100 de la presente invención. El sistema tiene un medio permeable móvil sin fin 102, tal como un tejido, cable de plástico para máquinas de fabricación de papel o cualquier otro medio deformable permeable a los líquidos, que pueda girar alrededor de rodillos 104 que guían el medio 102 por una trayectoria sin fin. Como se explica más adelante, es importante que el medio sea permeable a un líquido, que puede llevar energía ultrasónica al líquido dispuesto encima del medio 102, a fin de crear de manera eficaz las burbujas de cavitación en el líquido o solución que se va a tratar. La energía ultrasónica se puede usar para reducir la floculación 163 de fibras en el líquido que se va a tratar, se muestra mejor en la Fig. 5A, debido a que las burbujas implosionan o colapsan para generar impulsos de presión a la floculación de fibras 163, de manera que las fibras se separen unas de otras, para distribuir o dispersar uniformemente las fibras en el líquido. Los impulsos de presión pueden ser de, aproximadamente, 500 bares, por lo tanto, los impulsos son más enérgicos que las fuerzas que mantienen junta la floculación de fibras. En general, cuanto más largas son las fibras o cuanto mayor es la consistencia de las fibras, mayor es la tendencia de floculación.

El medio puede tener una velocidad de giro de hasta 2000 metros por minuto en una dirección hacia adelante, como se muestra con una flecha (F). Una chapa alargada 106, hecha, por ejemplo, de acero o titanio está dispuesta debajo del medio permeable 102 y se extiende a través de una anchura (W) del medio 102. Una pluralidad de transductores 108, tal como transductores magnetoestrictivos, piezoeléctricos o cualquier otro tipo adecuado de transductores, está en engranaje operativo con la chapa 106 tal como formando una sola pieza con la misma o acoplado a la misma.

La Fig. 4 es una vista detallada de uno de los transductores 108 acoplado a una parte central 118 de la chapa hidrodinámica 106. Más en particular, la chapa 106 tiene una parte trasera 110 y una parte delantera 112. La parte trasera 110 tiene una extensión rectangular 114 que está separada de una superficie superior 116 de la chapa 106. La parte central 118 de la chapa 106 tiene una parte exterior 120 de un elemento de conexión 122 roscada, asimismo separada de la superficie superior 116, de manera que se forma una cavidad 124 entre la extensión 114 y el elemento de conexión 122.

La parte delantera 112 tiene una extensión 126 que está separada de la superficie superior 116 y tiene una pared posterior 128 que es perpendicular a una superficie inferior 130 de la chapa 106, de manera que se forma una cavidad 132 entre la pared posterior 128 y el elemento 122. La extensión 126 tiene una pared delantera 134 que forma un ángulo agudo alfa con la superficie superior 116. Las cavidades 124 y 132 proporcionan resonancia al ultrasonido que transmite el transductor 108 para reforzar la amplitud de las vibraciones del ultrasonido. La pared delantera 134 forma un ángulo agudo alfa con una superficie superior 116 de la chapa 106 para reducir al mínimo el impulso de presión cuando la pared delantera 134 divide la capa de agua de debajo del elemento, a fin de que una gran parte del agua vaya hacia abajo y sólo una pequeña parte vaya entre el lateral superior de la chapa 116 y el elemento 102. Cuando el elemento 102 se esté moviendo sobre la superficie de chapa 116 se creará una presión negativa en función de la velocidad que hará bajar el elemento 102 contra la superficie de chapa 116. Cuando el elemento abandona la chapa 106 hay espacio para empujar el líquido 156 a través del elemento 102.

Es decir, el diseño de la extensión 126 es especialmente adecuado para la fabricación de papel que tiene una suspensión de agua y fibras. La división de la capa de agua en la pared delantera 134 crea un impulso de presión negativa de manera que el agua de la parte superior del medio móvil fluye a través del medio 102 y hasta un recipiente que hay debajo del mismo. El diseño de la extensión 126 también se puede diseñar para otras aplicaciones distintas de la fabricación de papel, que sólo se usa como un ejemplo ilustrativo.

El transductor 108 tiene una cavidad superior 136 con una pared interior roscada 138 para recibir de manera roscada el elemento 122. El transductor 108 se puede acoplar a la chapa 106 de otras maneras, tal como mediante cierres adherentes o mecánicos, y la presente invención no se limita a la conexión roscada que se ha descrito anteriormente.

Debajo de la cavidad superior 136, definida en la misma hay una segunda cavidad de alojamiento 140. La cavidad 140 tiene un segmento central 141 para sujetar una pieza de separación de refrigeración de la parte inferior 142, un elemento piezoeléctrico inferior 144, una pieza de separación de refrigeración de la parte central 146, un elemento piezoeléctrico superior 148 y una pieza de separación de refrigeración de la parte superior 150 que se apoya contra una superficie inferior 152 del elemento de conexión 122. Las piezas de separación 142, 146, 150 se usan para alejar el calor por rozamiento que crean los elementos 144, 148.

Usando tres piezas de separación, se pueden refrigerar todas las superficies de los elementos 144, 148. Cuando los elementos piezoeléctricos 144, 148 están activados, se cambia el grosor de los elementos por medio de impulsos y se transmite energía ultrasónica al elemento 122. Por ejemplo, usando una unidad de potencia con voltaje alterno de un nivel y frecuencia seleccionados para que se adapten a la aplicación pertinente, los elementos 144, 148 empiezan a vibrar radialmente. De este modo, si la frecuencia CA es 20 kHz se transmite un sonido a la misma frecuencia de 20 kHz. Se entenderá que se puede usar cualquier transductor adecuado para generar la energía ultrasónica y que la invención no se limita a transductores piezoeléctricos.

La Fig. 5 es una vista a escala ampliada de un segmento central 154 de manera que el medio permeable 102 se apoya en la superficie superior 116 del elemento 122 de la chapa 106 o presiona contra la misma, de manera que no hay una separación suficiente entre ellos para retener burbujas de cavitación. Es decir, una característica importante de la presente invención es que un espacio 155 definido entre la chapa 106 y el medio 102 es inferior a la mitad del diámetro crítico de la burbuja, de manera que no se pueden retener burbujas de dimensiones críticas entre ellos. El espacio 155 entre el elemento 102 y la chapa 106 está definido por la tensión del elemento 102, por el ángulo entrante entre el elemento 102 y la chapa 106, por el impulso de presión que induce la división de la capa de agua en la parte delantera de la chapa 106, por la geometría de la chapa 106, por el impulso de presión negativa cuando el elemento 102 abandona la chapa 106 y por el ángulo saliente del elemento 102. Las burbujas 158 tienen un diámetro d1 que tiene al menos dos veces la longitud de la distancia d2 del espacio 155 entre la superficie superior 116 de la chapa 106 y la superficie inferior 161 del medio permeable 102. De este modo, las burbujas de cavitación 158 se introducen en el medio permeable 102 para dispersarse en la sustancia líquida 156 que se somete al tratamiento ultrasónico y que está dispuesta encima del medio 102. La sustancia líquida 156 tiene una superficie superior 160 de manera que las burbujas 158 se pueden mover libremente entre la superficie superior 160 de la sustancia 156 y una superficie superior 162 del medio 102. En general, el efecto de la energía ultrasónica se reduce el cuadrado de la distancia porque el líquido absorbe la energía. De este modo, es probable que se formen más burbujas de cavitación cerca del medio 102 en comparación con la cantidad de burbujas que se forman en la superficie 160. Una característica importante es que debido a que el medio 102 se está moviendo y no hay espacio suficiente entre la chapa 106 y el medio 102, no se retienen burbujas de cavitación ni entre ellos ni a lo largo de la superficie superior 162 del medio móvil 102.

La segunda forma de realización de un sistema transductor 173, que se muestra en la Fig. 6, es prácticamente idéntica a la forma de realización que se muestra en la Fig. 4, excepto que el sistema transductor 173 tiene un primer canal 164 y un segundo canal 166, definidos en el mismo, que están en comunicación fluida con una entrada 168 definida en un elemento de chapa 169. Los canales 164, 166 se extienden en perpendicular a la superficie superior 170 de un elemento de conexión 172. Los canales 164, 166 se pueden extender a lo largo de la chapa 169 y se pueden usar para inyectar agua, que contiene productos químicos, a través de los mismos. Por ejemplo, en la fabricación de papel, los productos químicos pueden ser blanqueadores o emolientes. Se pueden usar otras sustancias, tales como espumantes, tensioactivos o cualquier otra sustancia en función de la aplicación pertinente. La energía ultrasónica se puede usar parar proporcionar una temperatura y presión elevadas que pueden ser necesarias para crear una reacción química entre los productos químicos añadidos y el medio. Los canales 164, 166 también se pueden usar para añadir agua normal, cuando la suspensión de encima del medio móvil está demasiado seca, a fin de mejorar la transmisión de la energía ultrasónica en la suspensión. Los productos químicos u otros líquidos que se han mencionado anteriormente también se pueden añadir a través de canales de la parte delantera de la barra de ensamblaje del transductor 106. Si el contenido de líquido del medio que se va a tratar es muy reducido, el líquido se puede aplicar simplemente por medio de boquillas de pulverización por debajo de la red. Asimismo, en esos casos la energía ultrasónica puede introducir el líquido aplicado en la red y posteriormente exponerlo a la suficiente energía de ultrasonidos como para hacer que tenga lugar la reacción deseada entre los productos químicos y el medio que se va a tratar.

La Fig. 7 es una vista lateral global que muestra un medio sin fin permeable y deformable 174 que está sujeto por medio de rodillos 176a a e. Debajo del medio 174 hay una pluralidad de sistemas transductores 178a a e para un aumento de la salida añadiendo más energía ultrasónica al sistema. Usando una pluralidad de transductores, se pueden añadir a la suspensión 179 productos químicos diferentes, según sea necesario. La suspensión 179, que contiene fibras u otros sólidos que se van a tratar con energía ultrasónica, se bombea, por medio de una bomba 180 de un conducto 181, a través de un distribuidor 182, hasta el medio 174 que se mueve a lo largo de una flecha (G). Las fibras tratadas pueden caer en un recipiente 184.

El sistema transductor de la presente invención es muy flexible porque no hay formación de almohadillas de burbujas de cavitación en la trayectoria de la energía ultrasónica. Usando una pluralidad de transductores, se puede aumentar sustancialmente la energía ultrasónica sin encontrarse con el problema de excesivas burbujas de cavitación que bloqueen la transmisión de ultrasonidos. La pluralidad de transductores también posibilita añadir productos químicos al reactor en diferentes zonas a lo largo del medio móvil, según sea necesario.

Si bien la presente invención se ha descrito de conformidad con composiciones y formas de realización preferentes, se entenderá que se pueden realizar ciertas sustituciones y alteraciones a la misma sin apartarse del alcance de las reivindicaciones siguientes.

Claims (7)

1. Un procedimiento de tratamiento de un líquido o de una suspensión con una energía ultrasónica que comprende:

proporcionar un elemento móvil sin fin (102) que sea permeable a un líquido (156), una chapa transversal (106) dispuesta debajo del elemento y extendiéndose a través del elemento (102) y un transductor (108), en engranaje operativo con la chapa (106),

mover el elemento sin fin (102) alrededor de rodillos (104),

generando el transductor (108) impulsos de presión en la chapa (106) para formar burbujas de implosión (158) en el líquido (156) dispuesto encima del elemento (102), teniendo las burbujas de implosión (158) un diámetro d1 que forma un espacio (155) definido entre el elemento (102) y la chapa (106), representando el espacio (155) una distancia d2 siendo la distancia d2 inferior al diámetro d1 de las burbujas (158) para evitar que las burbujas (158) aumenten hasta el diámetro d1 del espacio (155).

2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende además implosionar las burbujas (158) para reducir la floculación de fibras (163) en el líquido (156).

3. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende además proveer la chapa (106) de cavidades (124) y (132) para aumentar una amplitud de la superficie superior de una parte central (118).

4. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende además proveer la chapa (106) de una pared delantera (134) que forma un ángulo agudo alfa con una superficie superior (116) de la chapa (106) para crear un impulso de presión negativa para empujar el líquido (156) a través del elemento (102).

5. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende además proveer el transductor (108) de piezas de separación (142), (146), (150) dispuestas entre elementos piezoeléctricos (144), (148) para alejar el calor por rozamiento que crean los elementos (144), (148).

6. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende además introducir las burbujas (158) en el medio (102) y en el líquido (156) de manera que el espacio (155) no tenga burbujas (158).

7. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procedimiento comprende además proveer un sistema transductor (173) de un primer canal (164) e inyectar productos químicos (171) a través del mismo.