RU102197U1

RU102197U1 - ULTRASONIC COAGULATION CAMERA

Info

Publication number: RU102197U1
Application number: RU2010140035/05U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Хмелев; Андрей Викторович Шалунов; Ксения Викторовна Шалунова
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-02-20

Abstract

Ультразвуковая коагуляционная камера, включающая вертикально установленный технологический объем цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний, отличающаяся тем, что в качестве излучателя использован изгибно-колеблющийся диск, механически и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем, в верхней и нижней частях технологического объема установлены отражатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90° и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами от торцевых поверхностей цилиндрического объема, дополненные усеченными расходящимися конусами с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов, внешними диаметрами, соответствующими диаметру технологического объема и углом раскрытия в 90°, излучатель ультразвуковых колебаний размещен перед верхним центральным отражающим конусом. An ultrasonic coagulation chamber, including a vertically mounted technological volume of a cylindrical shape, in the upper part of which there is an emitter of ultrasonic vibrations, characterized in that a bending-oscillating disk mechanically and acoustically connected with a piezoelectric transducer is used as an emitter, in the upper and lower parts of the technological volume are installed reflectors of ultrasonic vibrations made in the form of central cones with an opening angle of 90 ° and base diameters, equal to the diameter of the emitter, counterclockwise directed by the peaks from the end surfaces of the cylindrical volume, supplemented by truncated diverging cones with inner diameters corresponding to the diameters of the base of the central cones, external diameters corresponding to the diameter of the technological volume and an opening angle of 90 °, an ultrasonic oscillator is placed in front of the upper central reflecting cone .

Description

Предлагаемое техническое решение - полезная модель относится к области технологий очистки газов за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, а именно, к ультразвуковым камерам для коагуляции твердых и жидких частиц, выделяющихся в процессе производств в различных отраслях (горнометаллургическая, химическая, теплоэнергетическая, пищевая) промышленности.The proposed technical solution - a utility model relates to the field of gas purification technologies due to exposure to them with high-intensity ultrasonic vibrations, namely, to ultrasonic chambers for coagulation of solid and liquid particles released during production in various industries (mining, chemical, thermal energy, food ) industry.

В связи с необходимостью улавливания вредных или ценных материалов из газовой среды, возникает необходимость в разработке эффективных устройств для коагуляции частиц нано размеров из газовых потоков. В этом случае традиционные устройства улавливания аэрозолей оказываются не применимыми.Due to the need to capture harmful or valuable materials from the gaseous medium, there is a need to develop effective devices for coagulating nanosized particles from gas streams. In this case, traditional aerosol capture devices are not applicable.

Возможным решением существующей технологической проблемы является укрупнение и последующее осаждение аэрозольных частиц под действием высокоинтенсивных (более 140 дБ) ультразвуковых колебаний (ультразвуковая коагуляция аэрозолей) [1].A possible solution to the existing technological problem is the enlargement and subsequent deposition of aerosol particles under the influence of high-intensity (more than 140 dB) ultrasonic vibrations (ultrasonic coagulation of aerosols) [1].

Для повышения эффективности процесса коагуляции под действием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обычно используют специальные коагуляционные камеры.To increase the efficiency of the coagulation process under the action of high-intensity ultrasonic vibrations, special coagulation chambers are usually used.

Подавляющее большинство известных [2-3] камер для ультразвуковой коагуляции инородных частиц из газовых потоков представляют собой цилиндрические технологические объемы с узлами ввода загрязненного газа, устройствами вывода очищенного газа и устройствами удаления выпавших на поверхность (дно) технологического объема твердых или жидких частиц. Такие коагуляционные камеры снабжены излучателями звуковых или ультразвуковых колебаний. В качестве излучателей обычно применяются газоструйные акустические излучатели, обеспечивающие преобразование энергии сжатого газа в энергию ультразвуковых колебаний и способные обеспечить максимальное по интенсивности излучение среди всех источников, предназначенных для формирования колебаний в газовых средах.The vast majority of known [2-3] chambers for ultrasonic coagulation of foreign particles from gas streams are cylindrical process volumes with contaminated gas inlet units, purified gas outlet devices and devices for removing solid or liquid particles that have fallen to the surface (bottom) of the technological volume. Such coagulation chambers are equipped with emitters of sound or ultrasonic vibrations. As emitters, gas-jet acoustic emitters are usually used, which convert the energy of compressed gas into energy of ultrasonic vibrations and are able to provide maximum intensity radiation among all sources intended for generating vibrations in gaseous media.

В этом случае известные коагуляционные камеры характеризуются низкой эффективностью коагуляции, что обусловлено низким КПД газоструйных излучателей (менее 20…25%, в зависимости от используемой конструктивной схемы), необходимостью использования для их работы специальных компрессоров для создания и подачи сжатого газа.In this case, the well-known coagulation chambers are characterized by low coagulation efficiency, which is due to the low efficiency of gas-jet emitters (less than 20 ... 25%, depending on the design used), the need to use special compressors for their creation and supply of compressed gas.

Среди известных ультразвуковых коагуляционных камер наиболее близкой к предлагаемому техническому решению и одним из наиболее эффективных устройств для коагуляции с применением акустических излучателей является камера, принятая за прототип [4], включающая вертикально установленный технологический объем цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний (статическая и динамическая сирена, пневматический рупор, электромагнитный громкоговорителей и т.п.).Among the known ultrasonic coagulation chambers closest to the proposed technical solution and one of the most effective devices for coagulation using acoustic emitters is the camera adopted as a prototype [4], including a vertically mounted technological volume of a cylindrical shape, in the upper part of which there is an ultrasonic vibrations emitter ( static and dynamic siren, pneumatic horn, electromagnetic loudspeakers, etc.).

Для повышения эффективности коагуляции, в сравнении с известными устройствами, конструкция камеры в [4] выполнена таким образом, чтобы обеспечивались условия резонансного распространения ультразвуковых колебаний, т.е. в технологическом объеме реализовывался режим «стоячей волны». Изменение объема камеры и ее настройка в резонансный режим осуществляется перемещением цилиндрического стержня, расположенного вдоль оси камеры.To increase the coagulation efficiency, in comparison with the known devices, the design of the camera in [4] is made in such a way as to ensure the conditions for the resonant propagation of ultrasonic vibrations, i.e. in the technological volume, the standing wave mode was implemented. Changing the volume of the chamber and adjusting it to the resonance mode is carried out by moving a cylindrical rod located along the axis of the chamber.

Известная коагуляционная камера обладает следующими недостатками:Known coagulation chamber has the following disadvantages:

- в коагуляционной камере со статической или динамической сиренами (газоструйными излучателями) возможно обеспечить высокую интенсивность излучения (мощность) только на низких рабочих частотах (до 10 кГц), поскольку на ультразвуковых частотах (более 20 кГц) диаметры выходных сопел и резонаторов излучателей становятся малыми (менее 1 мм), что ограничивает величины акустической мощности формируемых колебаний значениями, не превышающими 1…10 Вт [5]. По этой причине, коагуляция мелких частиц (с размерами менее 10 мкм) с применением ультразвуковых колебаний, создаваемых при помощи газоструйных излучателей, становится неэффективной;- in a coagulation chamber with static or dynamic sirens (gas-jet emitters) it is possible to ensure high radiation intensity (power) only at low operating frequencies (up to 10 kHz), since at ultrasonic frequencies (more than 20 kHz) the diameters of the output nozzles and resonators of the emitters become small ( less than 1 mm), which limits the values of the acoustic power of the generated oscillations to values not exceeding 1 ... 10 W [5]. For this reason, coagulation of small particles (with sizes less than 10 microns) using ultrasonic vibrations generated by gas-jet emitters becomes ineffective;

- невозможность обеспечения режима «стоячей волны» при использовании газоструйных излучателей. Особенностью их работы является срыв генерации УЗ колебаний, связанный с тем, что в резонаторе свистка противодавление достигает столь большой величины течения, при котором сверхзвуковой режим истечения оказывается невозможным и торможение струи происходит без образования скачка уплотнения [6]. Частая, бессистемная повторяемость подобных «срывов» обуславливает невозможность генерирования стабильных (по фазе и частоте) гармонических ультразвуковых колебаний. Это не позволяет осуществлять ультразвуковое воздействие в максимально эффективном режиме - режиме стоячей волны с резонансным усилением колебаний.- the impossibility of providing a "standing wave" when using gas-jet emitters. A feature of their work is the disruption of the generation of ultrasonic vibrations, due to the fact that in the whistle cavity the backpressure reaches such a large flow value at which a supersonic flow regime is impossible and the jet is decelerated without a shock wave [6]. The frequent, unsystematic frequency of such “breakdowns” makes it impossible to generate stable (in phase and frequency) harmonic ultrasonic vibrations. This does not allow for ultrasonic exposure in the most effective mode — the standing wave mode with resonant amplification of vibrations.

Все перечисленные недостатки обуславливают низкую производительность процесса или требуют уменьшения скорости очищаемого потока, или приводят к необходимости увеличения размеров (и стоимости) камеры, т.е. снижают эффективность процесса коагуляции.All these disadvantages cause a low productivity of the process or require a decrease in the speed of the stream being cleaned, or lead to the need to increase the size (and cost) of the chamber, i.e. reduce the effectiveness of the coagulation process.

В основу ультразвуковой коагуляционной камеры, предназначенной для эффективной коагуляции аэрозолей положены излучатели, обеспечивающие преобразование энергии продольных колебаний пьезоэлектрического преобразователя в изгибные колебания титановых дисков и отражатели, обеспечивающие формирование условий для резонансного усиления колебаний в технологическом объеме.An ultrasonic coagulation chamber designed for efficient aerosol coagulation is based on emitters that convert the energy of longitudinal vibrations of a piezoelectric transducer into bending vibrations of titanium disks and reflectors, which provide conditions for resonant amplification of vibrations in a process volume.

Предлагаемое техническое решение - полезная модель - направлено на устранение недостатков существующих устройств. В предлагаемом техническом решении представлена ультразвуковая камера для коагуляции инородных частиц в газовых потоках, при работе которой действительно повышается эффективность коагуляции (производительность, возможность коагуляции нанодисперсных аэрозолей).The proposed technical solution - a utility model - is aimed at eliminating the shortcomings of existing devices. The proposed technical solution presents an ultrasonic chamber for coagulation of foreign particles in gas flows, during operation of which the coagulation efficiency is really increased (productivity, the possibility of coagulation of nanodispersed aerosols).

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой коагуляционной камере, включающей вертикально установленный технологический объем цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний, в качестве излучателя предложен изгибно колеблющийся диск, механически и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем. В верхней и нижней частях технологического объема установлены отражатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами от торцевых поверхностей цилиндрического объема, дополненные усеченными расходящимися конусами с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов и внешними диаметрами, соответствующими диаметру технологического объема и углом раскрытия в 90 градусов. Излучатель ультразвуковых колебаний размещен перед верхним центральным отражающим конусом.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that in the known ultrasonic coagulation chamber, including a vertically mounted technological volume of a cylindrical shape, in the upper part of which there is an emitter of ultrasonic vibrations, a flexibly oscillating disk, mechanically and acoustically connected with a piezoelectric transducer, is proposed as an emitter. Ultrasonic oscillation reflectors are installed in the upper and lower parts of the technological volume, made in the form of central cones with an opening angle of 90 degrees and base diameters equal to the diameter of the emitter, counter-directed by vertices from the end surfaces of the cylindrical volume, complemented by truncated diverging cones with inner diameters corresponding to the diameters the base of the central cones and external diameters corresponding to the diameter of the process volume and an opening angle of 90 degrees ov. The emitter of ultrasonic vibrations is placed in front of the upper Central reflective cone.

Конструкция предлагаемой ультразвуковой коагуляционной камеры поясняется на фиг.1.The design of the proposed ultrasonic coagulation chamber is illustrated in figure 1.

Ультразвуковая коагуляционная камера включает вертикально установленный технологический объем 1 цилиндрической формы, в верхней части которого размещен излучатель ультразвуковых колебаний 2, в качестве излучателя использован изгибно колеблющийся диск, механически и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем 3. В верхней и нижней частях технологического объема установлены отражатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде центральных конусов 4 с углом раскрытия в 90 градусов и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами от торцевых поверхностей цилиндрического объема, дополненные усеченными расходящимися конусами 5 с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов, внешними диаметрами, соответствующими диаметру технологического объема и углом раскрытия в 90 градусов. Для обеспечения условий резонансного распространения ультразвуковых колебаний в технологическом объеме положение излучателя относительно верхнего центрального отражателя может изменяться. Удаление скоагулировавших частиц осуществляется через отверстия 6 в нижнем отражателе, а очищенный газ удаляется через отверстие в нижнем отражателе.The ultrasonic coagulation chamber includes a vertically mounted process volume 1 of a cylindrical shape, in the upper part of which an emitter of ultrasonic vibrations 2 is placed, a flexibly oscillating disk mechanically and acoustically connected with a piezoelectric transducer 3 is used as an emitter. Ultrasonic oscillation reflectors are installed in the upper and lower parts of the technological volume made in the form of central cones 4 with an opening angle of 90 degrees and base diameters equal to dia emitter radiator, counter-directed by the vertices from the end surfaces of the cylindrical volume, supplemented by truncated diverging cones 5 with inner diameters corresponding to the diameters of the base of the central cones, external diameters corresponding to the diameter of the process volume and an opening angle of 90 degrees. To ensure the conditions for the resonant propagation of ultrasonic vibrations in the technological volume, the position of the emitter relative to the upper central reflector can be changed. The removal of coagulated particles is carried out through the holes 6 in the lower reflector, and the purified gas is removed through the hole in the lower reflector.

Работает ультразвуковая коагуляционная камера следующим образом. Воздействие на взвешенные инородные частицы, подаваемые с потоком запыленного газа, в процессе коагуляции осуществляется колебаниями, создаваемыми обеими сторонами плоского излучателя, причем колебания, создаваемые обратной к потоку частиц стороной излучателя, направляют на него после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых УЗ колебаний в воздухе.The ultrasonic coagulation chamber operates as follows. The impact on suspended foreign particles supplied with a stream of dusty gas during coagulation is carried out by vibrations created by both sides of a flat emitter, and the vibrations created by the side of the emitter opposite to the particle flow are directed to it after reflection and passage of a distance exceeding the longitudinal size of the emitter by an amount a multiple of half the wavelength of the emitted ultrasonic vibrations in air.

Таким образом, обеспечивается равномерность акустического (ультразвукового) воздействия по всему диаметру технологического объема с излучающей поверхности, превосходящей площадь непосредственно излучателя как минимум вдвое.Thus, the uniformity of acoustic (ultrasonic) exposure across the entire diameter of the process volume from the emitting surface, which exceeds the area of the emitter directly by at least twice, is ensured.

Разработанное устройство имеет следующие технические характеристики: для формирования акустических колебаний в камере диаметром 500 мм использован излучатель в виде изгибно-колеблющейся дисковой пластины диаметром 250 мм. Совершая колебания на 3 и 5 модах в частотном диапазоне от 20 до 30 кГц излучатель обеспечивает в коагуляционной камере формирование ультразвуковых колебаний с интенсивностью более 150 дБ. Материал излучателя - титановый сплав; материал отражателя - металл.The developed device has the following technical characteristics: an emitter in the form of a flexurally oscillating disk plate with a diameter of 250 mm was used to form acoustic vibrations in a chamber with a diameter of 500 mm. By oscillating in modes 3 and 5 in the frequency range from 20 to 30 kHz, the emitter provides the formation of ultrasonic vibrations with an intensity of more than 150 dB in the coagulation chamber. Emitter material - titanium alloy; reflector material - metal.

Для определения эффективности предложенной ультразвуковой камеры для коагуляции и установления функциональных возможностей созданного оборудования были проведены экспериментальные исследования. На основе экспериментальных исследований было установлено, что введение в конструкцию системы очистки отходящих газов в виде цилиндрического технологического объема источника УЗ колебаний и отражателей, обеспечивающих резонансный режим распространения и усиления колебаний обеспечивается повышение эффективности существующей системы очистки до 99,5% (с 82%) за счет реализации возможности улавливания частиц нанометрового размера.To determine the effectiveness of the proposed ultrasonic camera for coagulation and establish the functionality of the created equipment, experimental studies were conducted. Based on experimental studies, it was found that the introduction into the design of the exhaust gas purification system in the form of a cylindrical technological volume of a source of ultrasonic vibrations and reflectors providing a resonant mode of propagation and amplification of vibrations provides an increase in the efficiency of the existing purification system to 99.5% (from 82%) per due to the realization of the possibility of capturing particles of nanometer size.

Уровень звукового давления в 150 дБ, является достаточным для коагуляции аэрозолей в камере при расходе запыленного газа не менее 15 м³/час;The sound pressure level of 150 dB is sufficient for coagulation of aerosols in the chamber at a flow rate of dusty gas of at least 15 m ³ / h;

Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая коагуляционная камера прошла лабораторные и технические испытания и была практически реализована в действующей установке. Мелкосерийное производство устройств планируется начать в 2011 году.The ultrasonic coagulation chamber developed in the laboratory of acoustic processes and apparatuses of the Biysk Technological Institute of Altai State Technical University passed laboratory and technical tests and was practically implemented in an existing installation. Small-scale production of devices is scheduled to begin in 2011.

Список литературы, использованной при составлении заявкиList of literature used in the preparation of the application

1. Хмелев В.Н.. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей (монография) Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 235 с.1. Khmelev VN. Ultrasonic coagulation of aerosols (monograph) Barnaul: Altai State Technical University, 2010. - 235 p.

2. Авторское свидетельство №380336.2. Copyright certificate No. 380336.

3. Авторское свидетельство №912231.3. Copyright certificate No. 912231.

4. Авторское свидетельство №1291189. - прототип4. Copyright certificate No. 1291189. - prototype

5. Ультразвуковой газоструйный излучатель [Текст]: пат. 1789301 Рос. Федерация: МПК 5 В06 В1/20 / Митин А.Г., Хмелев В.Н. (Россия), Опубликовано: 23.01.1993.5. Ultrasonic gas-jet emitter [Text]: US Pat. 1789301 Ros. Federation: IPC 5 В06 В1 / 20 / Mitin A.G., Khmelev V.N. (Russia), Published: 1/23/1993.

6. Источники мощного ультразвука [Текст] / под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1967. - 265 с.6. Sources of powerful ultrasound [Text] / ed. L.D. Rosenberg. - M .: Nauka, 1967 .-- 265 p.

Claims

An ultrasonic coagulation chamber, including a vertically mounted technological volume of a cylindrical shape, in the upper part of which there is an emitter of ultrasonic vibrations, characterized in that a bending-oscillating disk mechanically and acoustically connected with a piezoelectric transducer is used as an emitter, in the upper and lower parts of the technological volume are installed reflectors of ultrasonic vibrations made in the form of central cones with an opening angle of 90 ° and base diameters, equal to the diameter of the emitter, counterclockwise directed by the peaks from the end surfaces of the cylindrical volume, supplemented by truncated diverging cones with inner diameters corresponding to the diameters of the base of the central cones, external diameters corresponding to the diameter of the technological volume and an opening angle of 90 °, an ultrasonic oscillator is placed in front of the upper central reflecting cone .