RU2264868C2

RU2264868C2 - Liquid spraying method and device

Info

Publication number: RU2264868C2
Application number: RU2004108879/12A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Крамаров (RU); Ю.А. Крамаров; А.А. Панич (RU); А.А. Панич
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-11-27

Abstract

FIELD: liquid spraying equipment, particularly with the use of ultrasound oscillations, for machinery building and combustion devices, for low-temperature and cryogenic liquid spraying, for fusible metal liquid dispersion and for aerosol distribution in medicine.

SUBSTANCE: method involves applying axisymmetric ultrasound oscillations to surface layer of the liquid in parallel to major free surface thereof. Device for above method realization includes piezoelectric ultrasonic transducer and bowl-shaped concentrator coaxial with the transducer and having varying cross-sectional thickness. In area having the highest cross-sectional thickness concentrator is rigidly connected to working pad of transducer. Concentrator has cylindrical inner surface in area having lesser cross-sectional thickness.

EFFECT: increased reliability and effectiveness of spraying system, possibility to obtain fine aerosol.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к распылению жидкостей с применением ультразвуковых колебаний и может быть применено в различных областях машиностроения, в топочных устройствах, для распыления низкотемпературных и криогенных жидкостей, расплавов легкоплавких металлов, а также в медицинской технике для получения аэрозолей.The invention relates to the spraying of liquids using ultrasonic vibrations and can be applied in various fields of mechanical engineering, in furnace devices, for spraying low-temperature and cryogenic liquids, melts of low-melting metals, as well as in medical equipment for producing aerosols.

Известен способ распыления и разбрызгивания жидкости путем введения высокочастотных ультразвуковых колебаний из глубины жидкости на ее поверхность, при этом на поверхности жидкости образуется фонтан, в верхней части которого происходит образования тумана и крупных брызг [1].There is a method of spraying and spraying a liquid by introducing high-frequency ultrasonic vibrations from the depth of the liquid to its surface, while a fountain is formed on the surface of the liquid, in the upper part of which fog and large spray form [1].

Недостатком этого способа является низкий коэффициент полезного действия, что связано с кавитационными потерями в толще жидкости, с вовлечением жидкости в циркуляционные течения и ее подъемом в фонтане и с затратами энергии на образование крупных капель, которые необходимо сепарировать.The disadvantage of this method is the low efficiency, which is associated with cavitation losses in the thickness of the liquid, with the involvement of the liquid in the circulation currents and its rise in the fountain and with the energy consumption for the formation of large drops, which must be separated.

Наиболее близким аналогом является способ распыления жидкости путем введения ультразвуковых колебаний в слой жидкости. Толщина этого слоя остается постоянной, с одной стороны он ограничен жесткой поверхностью, параллельной поверхности распыления, и жидкость удерживается на ней капиллярными силами. Ультразвуковые колебания вводят перпендикулярно поверхности жидкости нормальными колебаниями жесткой поверхности при помощи пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя [2].The closest analogue is the method of spraying liquid by introducing ultrasonic vibrations into the liquid layer. The thickness of this layer remains constant, on the one hand it is bounded by a rigid surface parallel to the spray surface, and the liquid is held on it by capillary forces. Ultrasonic vibrations are introduced perpendicular to the liquid surface by normal vibrations of a rigid surface using a piezoelectric ultrasonic transducer [2].

Недостатком этого способа является необходимость подкачки жидкости в слой посредством насосного устройства, что приводит к усложнению распыляющей системы, уменьшению ее надежности и увеличению энергозатрат. Недостатком является также сравнительно крупнодисперсный аэрозоль, связанный с использованием низкочастотного ультразвука.The disadvantage of this method is the need for pumping liquid into the layer by means of a pumping device, which leads to a complication of the spray system, a decrease in its reliability and an increase in energy consumption. The disadvantage is the relatively coarse aerosol associated with the use of low-frequency ultrasound.

Заявляемые в качестве изобретения способ распыления жидкости и устройство для его осуществления позволяют существенно повысить надежность и экономичность системы распыления и получить мелкодисперсный аэрозоль.The inventive method of spraying a liquid and a device for its implementation can significantly improve the reliability and efficiency of the spray system and to obtain a fine aerosol.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе распыления жидкости путем введения ультразвуковых колебаний в слой жидкости распыление осуществляют путем введения осесимметричных ультразвуковых колебаний в поверхностный слой параллельно большой свободной горизонтальной поверхности.The specified technical effect is achieved by the fact that in the method of spraying liquid by introducing ultrasonic vibrations into the liquid layer, the spraying is carried out by introducing axisymmetric ultrasonic vibrations into the surface layer parallel to a large free horizontal surface.

Устройство для осуществления предлагаемого способа, включающее пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь, содержит соосный с преобразователем чашеобразный концентратор с переменной толщиной поперечного сечения, в области наибольшей толщины сечения концентратор жестко соединен с рабочей накладкой преобразователя, а внутренняя поверхность концентратора в области наименьшей толщины сечения выполнена цилиндрической.A device for implementing the proposed method, including a piezoelectric ultrasonic transducer, contains a cup-shaped concentric concentric cup-shaped concentrator coaxial with the transducer with a variable thickness of the cross section, in the region of the greatest thickness of the cross section, the concentrator is rigidly connected to the transducer overlay, and the inner surface of the concentrator is made cylindrical in the region of the smallest section thickness.

Создание нового способа распыления жидкости стало возможным благодаря введению ультразвуковых колебаний в слой параллельно большой (по сравнению с радиусом краевого мениска) свободной горизонтальной поверхности, на которой, при взаимодействии с силами тяжести, поверхностного натяжения и инерции возбуждаются капиллярные волны со сходящимся волновым фронтом. При этом вся энергия волнового движения сосредоточена в поверхностном слое жидкости, в толще жидкости не возникает кавитация, и вся масса жидкости остается неподвижной. Это способствует высокому коэффициенту полезного действия процесса и высокой производительности системы. При этом обеспечивается мелкодисперсность аэрозоля, диаметр частиц которого связан с длиной капиллярной волны.The creation of a new method for spraying liquid became possible due to the introduction of ultrasonic vibrations into a layer parallel to a large (compared to the radius of the edge meniscus) free horizontal surface on which, when interacting with gravity, surface tension and inertia, capillary waves with a converging wavefront are excited. Moreover, all the energy of the wave motion is concentrated in the surface layer of the liquid, cavitation does not occur in the thickness of the liquid, and the entire mass of the liquid remains motionless. This contributes to a high process efficiency and high system performance. This ensures fine dispersion of the aerosol, the particle diameter of which is associated with the capillary wavelength.

Высокая надежность системы распыления обеспечивается новой конструкцией устройства для осуществления способа, совмещающего функции ультразвукового преобразователя и концентратора. Новая конструкция концентратора позволяет создать в его цилиндрической части изгибные колебания большой амплитуды, чем обеспечивается высокая производительность процесса распыления с поверхности жидкости.The high reliability of the spray system is provided by the new design of the device for implementing the method, combining the functions of an ultrasonic transducer and a concentrator. The new design of the concentrator makes it possible to create bending vibrations of large amplitude in its cylindrical part, which ensures high productivity of the spraying process from the surface of the liquid.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежо, на котором изображен общий вид устройства для распыления жидкости.The invention is illustrated by the following description and drawing, which shows a General view of a device for spraying liquid.

Стержневой преобразователь устройства включает два одинаковых пьезокерамических элемента 1 с электродами на торцевых поверхностях. Преобразователь содержит металлические накладки: пассивную 2 и активную 3. Пьезоэлементы 1, накладки 2 и 3 и прокладка 4 между пьезоэлементами 1 стянуты болтом 5.The rod transducer of the device includes two identical piezoceramic elements 1 with electrodes on the end surfaces. The converter contains metal plates: passive 2 and active 3. Piezoelectric elements 1, pads 2 and 3 and gasket 4 between the piezoelectric elements 1 are tightened with a bolt 5.

С активной накладкой 3 жестко соединен чашеобразный концентратор 6 с переменной толщиной поперечного сечения. В оптимальном варианте, изображенном на фиг.1, концентратор 6 и активная накладка 3 выполнены в виде одной детали из металла с высокой добротностью, например титана. Область 7 концентратора 6, имеющая наименьшую толщину, выполнена с цилиндрической внутренней поверхностью. Внутренний объем концентратора 6 и его цилиндрической части 7 заполнен распыляемой жидкостью. Источник электрических колебаний 8 подключен через накладку 2 и прокладку 4 к пьезоэлементам 1 стержневого преобразователя.A cup-shaped concentrator 6 with a variable thickness of the cross section is rigidly connected to the active patch 3. In the optimal embodiment shown in figure 1, the hub 6 and the active plate 3 are made in the form of a single part of metal with high quality factor, such as titanium. The region 7 of the hub 6 having the smallest thickness is made with a cylindrical inner surface. The internal volume of the hub 6 and its cylindrical part 7 is filled with a sprayed liquid. The source of electrical vibrations 8 is connected through the pad 2 and the gasket 4 to the piezoelectric elements 1 of the rod transducer.

Способ распыления жидкости осуществляется следующим образом. От источника 8 подают электрические колебания к преобразователю, включающему пьезоэлементы 1. В активной части 3 преобразователя возбуждается стоячая продольная волна. В чашеобразной части 6 концентратора продольная волна переходит в продольно-радиальную, усиливается и возбуждает в верхней кольцеобразной области 7 изгибные колебания большой амплитуды.The method of spraying liquid is as follows. From source 8, electrical vibrations are supplied to a transducer including piezoelectric elements 1. A standing longitudinal wave is excited in the active part 3 of the transducer. In the cup-shaped part 6 of the concentrator, the longitudinal wave transforms into a longitudinal-radial wave, amplifies and excites in the upper annular region 7 bending vibrations of large amplitude.

На свободной поверхности жидкости возбуждаются капиллярные волны со сходящимся волновым фронтом. Когда амплитуда этих волн превышает критическое значение, колебания становятся неустойчивыми, что приводит к распылению жидкости.Capillary waves with a converging wavefront are excited on the free surface of the liquid. When the amplitude of these waves exceeds a critical value, the oscillations become unstable, which leads to the dispersion of the liquid.

Проведено экспериментальное распыление воды данным способом. Для реализации способа изготовлен осесимметричный распылитель на частоту 147 кГц с диаметром чаши 90 мм, высотой 8 мм, включающей активную цилиндрическую часть высотой 6 мм. При полностью залитой чаше распылителя и потреблении 20 Вт мощности производительность мелкодисперсного распыления устойчивого аэрозоля составила 12 мл/мин, что существенно лучше, чем при использовании других известных способов распыления.Experimental spraying of water by this method was carried out. To implement the method, an axisymmetric atomizer was manufactured at a frequency of 147 kHz with a cup diameter of 90 mm, a height of 8 mm, including an active cylindrical part 6 mm high. With a completely filled spray cup and consumption of 20 watts of power, the performance of finely dispersed spray of a stable aerosol was 12 ml / min, which is significantly better than when using other known spraying methods.

Весьма полезной особенностью предлагаемого способа и устройства является то, что находящаяся в чаше устройства жидкость, кроме поверхностного слоя, слабо нагружает пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь, и распыление жидкости происходит лишь с поверхности, что способствует достижению высокого коэффициента полезного действия процесса. Данная характеристика позволяет применить предлагаемое изобретение в переносных системах распыления с автономными источниками питания.A very useful feature of the proposed method and device is that the liquid in the device bowl, in addition to the surface layer, weakly loads the piezoelectric ultrasonic transducer, and the liquid is sprayed only from the surface, which helps to achieve a high efficiency of the process. This characteristic allows the application of the invention in portable spray systems with autonomous power sources.

Источники информацииSources of information

1. Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга. М., «Наука», 1970, с.353-366.1. Physics and technology of powerful ultrasound. Physical fundamentals of ultrasound technology. Ed. L.D. Rosenberg. M., "Science", 1970, p. 353-366.

2. «Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга. М., «Наука», 1970, с.341-353.2. “Physics and technology of powerful ultrasound. Physical fundamentals of ultrasound technology. Ed. L.D. Rosenberg. M., "Science", 1970, p. 341-353.

Claims

1. A method of spraying liquid by introducing ultrasonic vibrations into the liquid, characterized in that axisymmetric ultrasonic vibrations with a converging wave front are introduced into the surface layer of the liquid parallel to the large free surface.

2. The device for implementing the method of spraying a liquid according to claim 1, comprising a piezoelectric ultrasonic electromechanical transducer, characterized in that it comprises a bowl-shaped concentrator coaxial with the transducer with a variable thickness of the cross section, in the region of the greatest thickness of the cross section, the concentrator is rigidly connected to the working plate of the transducer, and the inner surface of the concentrator in the region of the smallest section thickness is cylindrical.