RU2081705C1 - Apparatus of stream ultrasonic dispersion of viscous paint and varnish suspensions - Google Patents
Apparatus of stream ultrasonic dispersion of viscous paint and varnish suspensions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2081705C1 RU2081705C1 RU95106298A RU95106298A RU2081705C1 RU 2081705 C1 RU2081705 C1 RU 2081705C1 RU 95106298 A RU95106298 A RU 95106298A RU 95106298 A RU95106298 A RU 95106298A RU 2081705 C1 RU2081705 C1 RU 2081705C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vibrator
- amplitude
- tip
- suspension
- gap
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам сверхтонкого измельчения в жидких средах мелкодисперсных материалов и может найти применение в различных технологических процессах в медицинской, пищевой, химической промышленности. Высокая эффективность использования может быть при изготовлении лакокрасочных материалов. Измельченными материалами могут быть различные пигменты, красители и др. The invention relates to devices for ultrafine grinding in liquid media of finely dispersed materials and can find application in various technological processes in the medical, food, chemical industry. High efficiency of use can be in the manufacture of paints and varnishes. The crushed materials can be various pigments, dyes, etc.
Известно устройство ультразвуковой обработки суспензий, (а.с. 1799622 Струйная мельница по кл. B 02 C 19/06, опубликованное 07.03.93 г.). A device for ultrasonic processing of suspensions is known (a.s. 1799622 Inkjet mill according to class B 02 C 19/06, published on 03/07/93).
Известное устройство содержит струйный насос, камеру измельчения рециркуляции суспензии. При этом сопло встроено внутрь полости гидроцилиндров струйного насоса не величину 1.5 мм, отражательная плита расположена от сопла на расстоянии 10-30 мм, излучатель ультразвука расположен на выходе камеры измельчения, в гидроцилиндре струйного насоса смонтированы два последовательно соединенных клапана, а сопло со стороны входа содержит калиброванную сверхпрочную втулку с отверстием 0,8.1 мм, причем камера измельчения и отражательная плита покрыты износостойким сверхпрочным материалом. The known device contains a jet pump, a chamber for grinding recirculation of the suspension. In this case, the nozzle is built into the cavity of the hydraulic cylinders of the jet pump not 1.5 mm in size, the reflective plate is located at a distance of 10-30 mm from the nozzle, the ultrasound transducer is located at the outlet of the grinding chamber, two series-connected valves are mounted in the hydraulic cylinder of the jet pump, and the nozzle from the inlet side contains calibrated heavy-duty sleeve with a hole of 0.8.1 mm, and the grinding chamber and reflective plate are coated with a wear-resistant heavy-duty material.
Измельчение материала происходит в основном в системе рециркуляции суспензии через струйный насос и камеру измельчения в момент удара о плиту высокоскоростной струи, вытекающей из сопла. The grinding of the material occurs mainly in the slurry recirculation system through the jet pump and the grinding chamber at the moment of impact on the plate of the high-speed jet flowing from the nozzle.
Недостатком данного устройства является то, что увеличены габариты устройства за счет вынесения ультразвукового преобразователя из зоны основной обработки, усложнено обслуживание всего устройства в целом. Кроме того, устройство обладает низкой эксплуатационной надежностью, т.к. отсутствует виброразвязка ультразвуковых колебаний корпуса и преобразователя. The disadvantage of this device is that the dimensions of the device are increased due to the removal of the ultrasonic transducer from the main processing zone, the maintenance of the entire device as a whole is complicated. In addition, the device has low operational reliability, because there is no vibration isolation of ultrasonic vibrations of the housing and the transducer.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте США N 503536 "Способ ультразвукового измельчения взрывчатых веществ", МКИ B 02 C 19/00, опубл 30.07.91 г. The closest in technical essence to the claimed device is the device described in US patent N 503536 "Method for ultrasonic grinding of explosives", MKI B 02 C 19/00, publ. 30.07.91,
Данное устройство содержит камеру измельчения с входным и выходным патрубками, ультразвуковой вибратор, выполненный в виде концентратора колебаний, расположенный в полости камеры измельчения на некотором расстоянии от выходного патрубка. This device comprises a grinding chamber with inlet and outlet nozzles, an ultrasonic vibrator made in the form of an oscillation concentrator located in the cavity of the grinding chamber at a certain distance from the outlet nozzle.
Недостатком данного устройства является низкая эксплуатационная надежность из-за отсутствия виброразвязки вибратора с корпусом и отсутствия автоматического согласования вибратора с обрабатываемой средой. Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства и качества обработки материала. The disadvantage of this device is the low operational reliability due to the lack of vibration isolation of the vibrator with the housing and the lack of automatic matching of the vibrator with the medium. The aim of the present invention is to improve the operational reliability of the device and the quality of the processing of material.
Повышение эксплуатационной надежности достигается: за счет упрощения обслуживания при смене пьезоактивного элемента ультразвукового преобразователя, т. к. он вынесен из камеры измельчения; за счет возможности легкого изменения расстояния между концентратором и выходным патрубком; за счет виброразвязки концентратора с корпусом при соединении его с корпусом в узловой плоскости посредством мембраны; за счет уменьшения степени демпфирования колебаний концентратора обрабатываемой суспензией. Повышение качества обработки суспензии достигается за счет мотивированного выбора зазора, его площади и амплитуд колебаний концентратора в зазоре. Improving operational reliability is achieved: by simplifying maintenance when changing the piezoelectric element of the ultrasonic transducer, because it is removed from the grinding chamber; due to the possibility of easily changing the distance between the concentrator and the outlet pipe; due to the vibration isolation of the hub with the housing when connecting it to the housing in the nodal plane by means of a membrane; by reducing the degree of damping of the vibrations of the concentrator processed by the suspension. Improving the processing quality of the suspension is achieved due to the motivated choice of the gap, its area and the amplitude of oscillations of the concentrator in the gap.
На фиг. 1 представлен общий вид одного из возможных вариантов реализации устройства, на фиг. 2 и 3, схемы конструктивных исполнений устройства и формы их колебаний. In FIG. 1 shows a general view of one of the possible embodiments of the device, FIG. 2 and 3, design diagrams of the device and the form of their vibrations.
Устройство ультразвуковой обработки суспензий содержит две камеры 1, 2 измельчения, каждая из которых соответственно имеет входные 3, 4 патрубки и выходные 5, 6 патрубки. Излучатель ультразвука состоит из вибратора 7, содержащего концентраторы 8, 9, выходной торец 10, 11 каждого из которых расположен соответственно вблизи торца выходного патрубка 5, 6. Конденсаторы 8, 9 выполнены из высокодобротного металла с малым волновым сопротивлением и симметрично расположены по обе стороны от вибратора 7. Кроме того, каждый из концентраторов соединен с корпусом камеры посредством мембраны 16 в узловой плоскости колебаний, т.е. в месте, где перемещения концентратора в продольном направлении равные нулю, что обеспечивает отсутствие передачи энергии на корпус. Для регулирования рабочего зазора между торцами концентраторов 8, 9 и торцами выходных патрубков 5, 6 устройство содержит ряд заменяемых прокладок 14, 15, которые после установки затягивают при завинчивании патрубков. Камеры 1, 2 измельчения могут быть соединены между собой гибкими шлангами 12, 13. Вся конструкция устройства скреплена шпильками 17, расположенными по его периметру. Для подачи обрабатываемой суспензии в камеры 1, 2 измельчения используют шестеренчатый насос 18 (МШ-20), запитываемый от последовательно соединенных трехфазного асинхронного двигателя 19 (серии 4А) и преобразователя частоты 20. Для подготовки суспензии перед обработкой в заявляемом устройстве используют дисольвер 21 и механический смеситель 22. На выходе каждой из камер установлен регулируемый дроссель, служащий для задания величины расхода и давления в соответствующей камере дроссель 23 для камеры 1. The device for ultrasonic processing of suspensions contains two
Устройство ультразвуковой обработки суспензий работает следующим образом. В исходном состоянии шестеренчатый насос 18, подающий суспензию в камеры 1, 2 измельчения, отключен. Напряжение питания на пьезоактивном элементе ультразвукового преобразователя отсутствует. Лакокрасочную суспензию, например цинковые белила, перед ультразвуковой обработкой предварительной готовят, а именно: перемешивают в дисольвере твердую фазу (60% пигмента) и жидкую фазу (40% лака). Размер исходной фракции твердого более 100 мкм, вязкость суспензии более 300 мм2/сек. После чего полученную суспензию во избежание отстаивания постоянно перемешивают в предварительном смесителе и одновременно доводят до вязкости 180-200 мм2/сек.A device for ultrasonic processing of suspensions works as follows. In the initial state, the gear pump 18, which feeds the suspension into the
Для работы заявляемого устройства включают шестеренчатый насос, подают напряжение питания на пьезоактивный элемент ультразвукового преобразователя. Ультразвуковой преобразователь, преобразует электрическую энергию в ультразвуковую вибрацию концентратора. Обрабатываемую суспензию из предварительного смесителя под давлением подаваемая суспензия попадает в зону обработки проточный зазор между торцем высокоамплитудного концентратора 8 и торцем выходного патрубка 5. Ультразвуковая обработка диспергируемого материала происходит за счет кавитационного воздействия и механического взаимодействия частиц. For the operation of the inventive device include a gear pump, supply voltage to the piezoelectric element of the ultrasonic transducer. Ultrasonic transducer, converts electrical energy into ultrasonic vibration concentrator. The suspension to be treated from the pre-mixer under pressure is fed into the processing zone, the flow gap between the end of the high-amplitude concentrator 8 and the end of the outlet pipe 5. Ultrasonic treatment of the dispersible material occurs due to cavitation and mechanical interaction of particles.
Дисперсность обрабатываемого материала и производительность устройства зависит от параметров:
а) диаметра выходного отверстия входного патрубка;
б) рабочего зазора между торцем высокоамплитудного конца концентратора и торцем выходного патрубка;
в) диаметра торца конца концентратора;
г) давления подачи суспензии
Давление подачи суспензии регулируют производительность шестеренчатого насоса, который запитывают от трехфазного асинхронного двигателя, подключенного к трехфазному преобразователю частоты, и величиной гидродинамического сопротивления дросселей 23, установленных на выходе каждой из камер. Увеличение давления в камере до 2.4 кг/см2 увеличивает кавитационную активность в рабочем зазоре (это общеизвестно).The dispersion of the processed material and the performance of the device depends on the parameters:
a) the diameter of the outlet of the inlet pipe;
b) the working gap between the end of the high-amplitude end of the concentrator and the end of the outlet pipe;
c) the diameter of the end face of the hub;
d) suspension feed pressure
The pressure of the suspension supply regulates the performance of the gear pump, which is fed from a three-phase asynchronous motor connected to a three-phase frequency converter, and the hydrodynamic resistance of the chokes 23 installed at the output of each of the chambers. The increase in pressure in the chamber to 2.4 kg / cm 2 increases the cavitation activity in the working gap (this is well known).
Проведенные эксперименты показывают, что обработка вязких суспензий в большом рабочем объеме, например в макрообъеме внутренней полости цилиндрического вибратора, является неэффективной по следующим причинам: быстрое погашение ультразвуковой энергии при распространении ультразвука от излучающей поверхности и интерференционные эффекты, приводящие к отсутствию кавитационного диспергирования в определенных зонах рабочего объема. Кроме того, при больших амплитудах колебаний развивается так называемый экранный эффект, локализующий кавитацию жидкой фазы суспензии в окрестности зоны небольшой протяженности от поверхности излучения, причем с ростом амплитуды колебаний эта зона еще более локализуется и препятствует распространению ультразвука в глубь рабочего объема. Поэтому в предлагаемой конструкции вся обработка происходит в тонком слое между торцем высокоамплитудного наконечника и торцем выходного патрубка, что позволяет произвести интенсивную обработку всего объема жидкости в протоке и однородно. The experiments show that the processing of viscous suspensions in a large working volume, for example, in a macrovolume of the internal cavity of a cylindrical vibrator, is ineffective for the following reasons: the rapid repayment of ultrasonic energy during the propagation of ultrasound from the emitting surface and interference effects leading to the absence of cavitation dispersion in certain areas of the working volume. In addition, with large oscillation amplitudes, the so-called screen effect develops, which localizes cavitation of the liquid phase of the suspension in the vicinity of a zone of small extent from the radiation surface, and with an increase in the amplitude of oscillations, this zone is even more localized and prevents the propagation of ultrasound deep into the working volume. Therefore, in the proposed design, all processing takes place in a thin layer between the end of the high-amplitude tip and the end of the outlet pipe, which allows intensive processing of the entire volume of liquid in the flow and uniformly.
Кроме того, наличие тонкого слоя толщиной несколько десятков амплитуд колебаний позволяет развиться процессам чисто механического воздействия на частицы твердой фазы торец наконечника контактирует с ними, вызывая соударение и дробление частиц. Экспериментами показано, что для появления четко выраженного однородного эффекта диспергирования необходимо, чтобы величина зазора была меньшей одной пятой длины волны ультразвука 1 и обрабатываемой суспензии. В этом случае влияние волнового характера распространения ультразвука практически не проявляется. In addition, the presence of a thin layer with a thickness of several tens of amplitudes of oscillations allows the development of processes of purely mechanical action on particles of the solid phase, the end face of the tip contacts them, causing collision and crushing of the particles. The experiments showed that for the appearance of a pronounced homogeneous dispersion effect, it is necessary that the gap value is less than one fifth of the wavelength of ultrasound 1 and the processed suspension. In this case, the influence of the wave nature of the propagation of ultrasound is practically not manifested.
Однако реализация очень малого зазора также недопустима: при уменьшении и увеличении зазора в процессе колебаний торца концентратора в этом случае происходит синхронное втекание и вытекание суспензии в зазор и из него с частотами ультразвукового диапазона, и возникающие при этом силы гидродинамического вязкого трения становятся практически бесконечно большими, полностью прекращая колебания торца концентратора, т.к. для преодоления этих сил необходима бесконечно большая мощность источника питания и вибратора. Поперечный размер торца наконечника концентратора в данном случае мал и следовательно мал поперечный размер зазора, и получим, что для обеспечения значений параметра сжимаемости [1] меньше единицы необходимо, чтобы зазор h был больше h>(3. 4)A, где A амплитуда колебаний торца наконечника концентратора. Учитывая, что, в процессе увеличения амплитуд колебаний путем увеличения напряжения питания на электрическом входе вибратора, первоначально достигается порог кавитации, характеризуемый обычно [2] пороговой колебательной скоростью V0, а затем происходит достаточно резкое снижение акустического сопротивления излучению, увеличивающее амплитуды колебаний в 1,5.3 раза (в зависимости от степени согласования вибратора со средой), предлагается следующее ограничение на минимальную величину зазора
(8...10)Vo/ω < h,
где
ω частота колебаний. Например, при величине порогового значения колебательной скорости для краски V0 0,2 м/сек, находим, что для частоты 20000 Гц минимальная величина зазора равна 100 мкм.However, the implementation of a very small gap is also unacceptable: with a decrease and increase in the gap during oscillations of the end face of the concentrator, in this case, the suspension simultaneously flows into and out of the gap with the frequencies of the ultrasonic range, and the resulting forces of hydrodynamic viscous friction become almost infinitely large, completely stopping the vibrations of the end face of the concentrator, because To overcome these forces, an infinitely large power source and vibrator are needed. The transverse size of the end face of the concentrator tip in this case is small and, therefore, the transverse dimension of the gap is small, and we obtain that to ensure the compressibility parameter [1] is less than unity, it is necessary that the gap h be greater than h> (3. 4) A, where A is the oscillation amplitude end face of the hub. Considering that, in the process of increasing the oscillation amplitudes by increasing the supply voltage at the electric input of the vibrator, the cavitation threshold is initially reached, which is usually characterized [2] by the threshold vibrational velocity V 0 , and then there is a fairly sharp decrease in acoustic resistance to radiation, increasing the oscillation amplitudes by 1, 5.3 times (depending on the degree of matching of the vibrator with the medium), the following restriction on the minimum clearance is proposed
(8 ... 10) V o / ω <h,
Where
ω oscillation frequency. For example, when the threshold value of the vibrational velocity for the paint is V 0 0.2 m / s, we find that for a frequency of 20,000 Hz the minimum gap is 100 μm.
Другое ограничение на минимальную величину зазора является естественным и следует из возможности свободного протекания суспензии через зазор, т.е. h>(3.4)d0, где d0 максимальный диаметр частиц твердой фазы.Another restriction on the minimum size of the gap is natural and follows from the possibility of free flow of the suspension through the gap, i.e. h> (3.4) d 0 , where d 0 is the maximum particle diameter of the solid phase.
Существует еще одно существенное дополнение в пользу данного конструктивного решения. Наряду с диспергированием частиц твердой фазы происходят процессы как дезагрегатирования, так и агрегатирования этих же частиц, причем с ростом температуры среды, что характерно для кавитационных процессов, значительно преобладают процессы агрегатирования частиц. Это неприемлемо для некоторых технологических процессов, например при диспергировании лакокрасочных материалов, где наличие нескольких крупных частиц в пробе снижает марку всего обработанного объема. В данной конструкции наличие высоких амплитуд колебаний в зазоре, который сравним с этими амплитудами, вызывает мощное механическое воздействие, которое в сочетании с относительно высокой скоростью движения среды в зазоре, позволяет полностью устранить процесс агрегатирования частиц лакокрасочной суспензии. При этом необходимая дозировка ультразвукового воздействия на среду достигается как увеличением интенсивности колебаний наконечника, так и уменьшением величины зазора, что также увеличивает концентрацию энергии в зазоре и увеличивает дозировку воздействия на суспензию. There is another significant addition in favor of this design solution. Along with the dispersion of particles of the solid phase, processes of both disaggregation and aggregation of the same particles occur, moreover, with an increase in the temperature of the medium, which is characteristic of cavitation processes, the processes of aggregation of particles significantly prevail. This is unacceptable for some technological processes, for example, when dispersing paints and varnishes, where the presence of several large particles in the sample reduces the brand of the entire processed volume. In this design, the presence of high oscillation amplitudes in the gap, which is comparable with these amplitudes, causes a powerful mechanical effect, which, combined with the relatively high speed of the medium in the gap, completely eliminates the process of aggregation of particles of paint and varnish suspension. In this case, the required dosage of ultrasonic exposure to the medium is achieved both by increasing the intensity of the tip oscillations and by reducing the gap, which also increases the energy concentration in the gap and increases the dosage of the effect on the suspension.
Эффективность работы любого ультразвукового устройства требует поддержания стабильного уровня амплитуд колебаний, что обеспечивает поддержание требуемого качества продукта обработки и связано с уменьшением влияния состояния обрабатываемой среды на вибратор. Данную ультразвуковую систему можно отнести к разряду рассогласованных со средой обработки (или недогруженной), т. к. площадь торца наконечника мала и, следовательно, мала излучаемая вибратором мощность, но и присоединенная к вибратору нагрузка также мала, в ее влияние на амплитуду, форму и частоту колебаний вибратора незначительно. Однако при обработке вязких сред в режиме высоких амплитуд колебаний это влияние все-таки существенно и приводит к изменению частоты и формы колебаний вибратора. Таким образом, существует противоречие между желанием передать обрабатываемой среде максимальную акустическую мощность и, с другой стороны, стабилизировать высокий уровень амплитуд колебаний независимо от изменений в акустической нагрузке (суспензии). Это противоречие в предлагаемой конструкции разрешается в пользу стабилизации высокого уровня амплитуд колебаний, а именно реализуется такой режим работы вибратора, когда развиваемая им механическая мощность большей своей частью тратится в самом вибраторе, а меньшая ее часть расходуется в нагрузке, т.е. полагаем, что акустический КПД менее 0,25. В этом случае площадь торца высокоамплитудного наконечника S выбирается из условия недогрузки вибратора:
S < UIη/[4(Vo)ρC]
где
U и I номинальные напряжение и ток на электрическом входе вибратора при его согласовании с источником питания по модулю и фазе [2] η - электромеханический КПД вибратора, равный (= 0,5.0,6 для пьезоактивной части из магнитострикционного материала, 0,65.0,75 из пьезокерамического материала), r и C плотность и скорость звука в суспензии для докавитационного режима. Так, если потребляемые магнитострикционным вибратором напряжение и ток равны 150 B и 3 А, V0 0,2 м/сек, r 2200 кг/м3, C 1800 м/сек, то площадь торца вибратора должна быть менее 3,9 • 10-4 м2, а радиус менее 1,1 см.The efficiency of any ultrasonic device requires maintaining a stable level of oscillation amplitudes, which ensures the maintenance of the required quality of the processed product and is associated with a decrease in the influence of the state of the processed medium on the vibrator. This ultrasound system can be classified as mismatched with the processing medium (or underloaded), because the tip end face area is small and, therefore, the power radiated by the vibrator is small, but the load connected to the vibrator is also small, in its effect on the amplitude, shape and the vibrator oscillation frequency is negligible. However, when processing viscous media in the regime of high oscillation amplitudes, this influence is still significant and leads to a change in the frequency and shape of the vibrator vibrations. Thus, there is a contradiction between the desire to transfer the maximum acoustic power to the medium being processed and, on the other hand, to stabilize a high level of vibration amplitudes regardless of changes in the acoustic load (suspension). This contradiction in the proposed design is resolved in favor of stabilizing a high level of oscillation amplitudes, namely, such a mode of operation of the vibrator is realized when the mechanical power developed by it is spent for the most part in the vibrator itself, and a smaller part of it is spent in the load, i.e. we believe that acoustic efficiency is less than 0.25. In this case, the end area of the high-amplitude tip S is selected from the condition of underloading the vibrator:
S <UIη / [4 (V o ) ρC]
Where
U and I are the nominal voltage and current at the electric input of the vibrator when it is matched with the power supply modulo and phase [2] η is the electromechanical efficiency of the vibrator equal to (= 0.5.0.6 for the piezoelectric part from magnetostrictive material, 0.65.0.75 from piezoceramic material), r and C are the density and speed of sound in suspension for the pre-cavitation regime. So, if the voltage and current consumed by the magnetostrictive vibrator are 150 V and 3 A, V 0 0.2 m / s, r 2200 kg / m 3 , C 1800 m / s, then the surface area of the vibrator should be less than 3.9 • 10 -4 m 2 and a radius of less than 1.1 cm.
Особенно вредным, по нашим данным, является влияние асимметрии нагрузки на концы вибратора, которое приводит к изменению формы колебаний, а именно перемещает места пучностей и узлов колебаний в сторону рабочего торца наконечника. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению доли продольного размера пьезоактивной части вибратора, работающей в сторону обрабатывающего высокоамплитудного наконечника, (на величину размера D на фиг. 2) и еще более уменьшает интенсивность его колебаний. Particularly harmful, according to our data, is the influence of load asymmetry on the ends of the vibrator, which leads to a change in the shape of the vibrations, namely, it moves the places of antinodes and vibration nodes towards the working end of the tip. This, in turn, leads to a decrease in the proportion of the longitudinal size of the piezoelectric part of the vibrator working towards the processing high-amplitude tip (by the size D in Fig. 2) and further reduces the intensity of its vibrations.
Выход из данной ситуации или еще более уменьшать площадь торца наконечника, что возможно только до определенных пределов, т.к. уменьшается и производительность устройства, или симметрировать нагрузку на вибратор, выполнив его заодно с другим соосно и симметрично расположенным вибратором с полностью аналогичной камерой. В этом случае любые изменения в нагрузке происходят симметрично и практически синхронно, что приводит к существенной стабилизации амплитуд колебаний, т.к. смещения формы колебаний в ту и другую сторону происходят симметрично и разнонаправленно и при суммировании взаимокомпенсируются. Именно такое устройство и показано на фиг. 1 и 2. The way out of this situation or to further reduce the area of the end face of the tip, which is possible only to certain limits, because the performance of the device also decreases, or to balance the load on the vibrator by performing it at the same time as another coaxially and symmetrically located vibrator with a completely similar camera. In this case, any changes in the load occur symmetrically and almost synchronously, which leads to a significant stabilization of the oscillation amplitudes, because displacements of the vibrational form in both directions occur symmetrically and multidirectionally, and when summed, they cancel each other out. It is such a device that is shown in FIG. 1 and 2.
Пьезоактивная часть вибратора размещена в окрестности узла колебаний в плоскости симметрии устройства, что обеспечивает одинаковые потоки мощности в обоих направлениях. Общеизвестно, что условие резонанса вибратора продольного типа с условиями свободного края это равенство длины вибратора величине, кратной половине длины волны в его материале. Следовательно, при симметричном расположении пьезоактивной части длина каждого из вибраторов должна быть равна величине (2N + 1)L/4, где L длина волны ультразвука в материале вибратора, N 1, 2, 3. что следует непосредственно из распределения амплитуд колебаний на фиг. 2. The piezoelectric part of the vibrator is located in the vicinity of the oscillation node in the plane of symmetry of the device, which provides the same power flows in both directions. It is well known that the resonance condition of a longitudinal type vibrator with free edge conditions is the equality of the length of the vibrator to a multiple of half the wavelength in its material. Therefore, with a symmetrical arrangement of the piezoelectric part, the length of each of the vibrators should be equal to (2N + 1) L / 4, where L is the ultrasound wavelength in the vibrator material,
Немного худший, но аналогичный эффект можно достичь при размещении между симметричными вибраторами вибропоглощающей прокладки (типа резины), толщиной L/(4.8), что обеспечивает в процессе работы смещение узлов колебаний каждого из вибраторов в сторону к прокладке (смещение узла колебаний в пьезоактивной части вибратора в сторону неработающего торца вибратора рекомендовано также в работе Гальпериной А.Н. "К построению одно- и двухполуволновых ультразвуковых систем с преобразователями и концентраторами" см. Акустический журнал, т. 29, вып. 6, 1983 г. но там это осуществляется за счет конструктивной асимметрии вибратора). Следовательно, при нагружении торцевые высокоамплитудных наконечников на вязкую суспензию, появляющееся смещение узла колебаний в пьезоактивной части будет скомпенсировано вязко-упругой нагрузкой на нерабочем торце. Расположение вибропоглощающей прокладки 1 (см. фиг. 3) между торцами вибраторов в плоскости симметрии имеет добавочный эффект: осуществляется своего рода акустическая отрицательная обратная связь по амплитуде между торцами вибраторов, глубина которой регулируется увеличением или уменьшением толщины прокладки в указанном выше диапазоне значений, при этом увеличивается или уменьшается уровень акустического сигнала между вибраторами за счет затухания его в материале прокладки. Отсюда следует, что любое увеличение амплитуд колебаний торцев вибраторов приведет к появлению компенсирующего это увеличение сигнала. Нетрудно видеть (см. фиг.3), что длина каждого из вибраторов в этом случае равна NL/2, т.е. кратна половине длины волны ультразвука в материале вибраторов. A slightly worse, but similar effect can be achieved by placing a vibration-absorbing pad (type of rubber) between symmetric vibrators (thickness rubber) L / (4.8), which ensures that the vibration nodes of each of the vibrators are shifted towards the gasket during operation (shift of the vibration unit in the piezoelectric part of the vibrator towards the idle end of the vibrator is also recommended in the work of A.N. Galperina "On the construction of one- and two-half-wave ultrasound systems with transducers and concentrators" see Acoustic Journal, vol. 29, issue 6, 1983 g. but there it is carried out due to the structural asymmetry of the vibrator). Therefore, when loading the high-amplitude end tips onto a viscous suspension, the appearing displacement of the oscillation unit in the piezoelectric part will be compensated by the visco-elastic load at the non-working end. The location of the vibration-absorbing pad 1 (see Fig. 3) between the ends of the vibrators in the plane of symmetry has an additional effect: there is a kind of acoustic negative feedback in amplitude between the ends of the vibrators, the depth of which is controlled by increasing or decreasing the thickness of the pad in the above range of values, while the level of the acoustic signal between the vibrators increases or decreases due to its attenuation in the gasket material. It follows that any increase in the amplitudes of vibrations of the ends of the vibrators will lead to the appearance of a signal compensating for this increase. It is easy to see (see figure 3) that the length of each of the vibrators in this case is equal to NL / 2, i.e. a multiple of half the wavelength of ultrasound in the material of the vibrators.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить качество диспергирования суспензии за счет концентрации в достаточно малом по толщине слое акустической энергии большой мощности и вовлечение в процесс не только кавитационного воздействия, но и механического воздействия конца концентратора, вызывающее дробление, истирание и интенсивное перемешивание частиц суспензии, препятствующее их агрегатированию. Малая толщина зазора и замыкание всего потока на зазор исключает влияние волнового распространения акустической мощности и позволяет произвести обработку всего потока суспензии практически однород но. The use of the invention allows to improve the dispersion quality of the suspension due to the concentration of high power acoustic energy in a sufficiently thin layer and the involvement of not only cavitation effects, but also mechanical effects of the end of the concentrator, causing crushing, abrasion and intensive mixing of the suspension particles, preventing their aggregation . The small gap thickness and the closure of the entire flow to the gap eliminates the influence of wave propagation of acoustic power and allows processing the entire suspension flow almost uniformly.
Claims (9)
(8 - 10)Vo/ω < h < L/5,
где L длина волны ультразвука в суспензии;
V0 амплитуда колебательной скорости торца высокоамплитудного наконечника для порога кавитации в суспензии;
ω - частота колебаний,
при этом должно выполняться условие проточности зазора:
h > (3 4)d0,
где d0 максимальный диаметр частиц твердой фазы.1. A device for streaming ultrasonic dispersion of viscous paint suspensions containing a chamber with inlet and outlet nozzles and a high-amplitude tip of an ultrasonic vibrator installed with a flow gap from the camera body, characterized in that the high-amplitude tip is mounted relative to the camera body with a flow gap h, which is limited by a range of values
(8 - 10) V o / ω <h <L / 5,
where L is the ultrasound wavelength in suspension;
V 0 the amplitude of the vibrational velocity of the end face of the high-amplitude tip for the threshold of cavitation in suspension;
ω is the oscillation frequency,
in this case, the gap flow condition must be satisfied:
h> (3 4) d 0 ,
where d 0 is the maximum particle diameter of the solid phase.
S < UIη/[4(Vo)ρc],
где U и I номинальное напряжение и ток на электрическом входе вибратора при его согласовании с источником питания по модулю и фазе;
η электромеханический КПД вибратора;
r и c плотность и скорость звука в суспензии для докавитационного режима.2. The device according to claim 1, characterized in that the area S of the end face of the high-amplitude tip is selected from the condition of underloading the vibrator
S <UIη / [4 (V o ) ρc],
where U and I are the rated voltage and current at the electric input of the vibrator when it is matched with the power supply modulo and phase;
η electromechanical efficiency of the vibrator;
r and c are the density and speed of sound in suspension for the pre-cavitation regime.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95106298A RU2081705C1 (en) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | Apparatus of stream ultrasonic dispersion of viscous paint and varnish suspensions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95106298A RU2081705C1 (en) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | Apparatus of stream ultrasonic dispersion of viscous paint and varnish suspensions |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95106298A RU95106298A (en) | 1997-01-27 |
| RU2081705C1 true RU2081705C1 (en) | 1997-06-20 |
Family
ID=20167031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95106298A RU2081705C1 (en) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | Apparatus of stream ultrasonic dispersion of viscous paint and varnish suspensions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2081705C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2690474C1 (en) * | 2018-08-22 | 2019-06-03 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Ultrasonic dispersion device |
| RU196276U1 (en) * | 2019-10-08 | 2020-02-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | DEVICE FOR ULTRASONIC DISPERSION OF METAL POWDERS |
-
1995
- 1995-04-20 RU RU95106298A patent/RU2081705C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Авторское свидетельство СССР N 1799662, кл. B 02 C 19/06, 1993. Патент США N 5035363, кл. B 02 C 19/00, 1991. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2690474C1 (en) * | 2018-08-22 | 2019-06-03 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Ultrasonic dispersion device |
| RU196276U1 (en) * | 2019-10-08 | 2020-02-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | DEVICE FOR ULTRASONIC DISPERSION OF METAL POWDERS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95106298A (en) | 1997-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9011698B2 (en) | Method and devices for sonicating liquids with low-frequency high energy ultrasound | |
| US7322431B2 (en) | Advanced ultrasonic processor | |
| US7504075B2 (en) | Ultrasonic reactor and process for ultrasonic treatment of materials | |
| Gallego-Juárez et al. | Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing | |
| US5026167A (en) | Ultrasonic fluid processing system | |
| US3328610A (en) | Sonic wave generator | |
| US5032027A (en) | Ultrasonic fluid processing method | |
| CA1110227A (en) | Apparatus and processes for the treatment of materials by ultrasonic longitudinal pressure oscillations | |
| US20100296975A1 (en) | High Capacity Ultrasonic Reactor System | |
| JP3278846B2 (en) | Modular unit for tubular sonicator | |
| GB1472791A (en) | Ultrasonic wave generator | |
| RU2081705C1 (en) | Apparatus of stream ultrasonic dispersion of viscous paint and varnish suspensions | |
| EP2195122B1 (en) | High capacity ultrasonic reactor system | |
| Teipel et al. | Size reduction of particulate energetic material | |
| JPH0398634A (en) | Ultrasonic wave dispersion and emulsification method | |
| RU2063562C1 (en) | Hydrodynamic radiator | |
| KR20070022765A (en) | High-throughput continuous-flow ultrasound reactor | |
| US20200122102A1 (en) | Ultrasonic cavitation method and mixer for oil-based botanical extracts | |
| US3242010A (en) | Method of and means for applying sonic energy to fuel cells | |
| US3357683A (en) | Apparatus for generating vibrations in liquids | |
| RU2284228C1 (en) | Ultrasonic oscillating system | |
| RU2284215C1 (en) | Ring-type magnetostrictive transducer | |
| RU2434674C1 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
| SU1593812A1 (en) | Method of electrochemical machining | |
| CN211871791U (en) | Continuous ultrasonic hardening and tempering experimental device |