RU2393907C1

RU2393907C1 - Acoustic filter for separation of particles of fluid dispersed systems

Info

Publication number: RU2393907C1
Application number: RU2009108225/15A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Князьков (RU); Николай Николаевич Князьков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лабораторные технологии и системы"; Шевелева Елена Николаевна
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-07-10

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to devices intended for separation and concentration of particles of fluid dispersed systems: suspensions in the field of standing acoustic wave, and can be used in biology, medicine and food industry. Proposed filter comprises working chamber with inlet and outlet branch pipes that is arranged in cooling chamber incorporated with cooling fluid circulation system, and ultrasound radiator mounted in cooling chamber. Ultrasound radiator represents a ball segment with its concave surface facing said working chamber. Ball segment base plane runs parallel with working chamber lengthwise central axis and is located at a distance therefrom. ^ EFFECT: higher efficiency and quality of separation. ^ 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для разделения и концентрирования частиц жидких дисперсных систем: суспензий, взвесей и т.п. в поле стоячей ультразвуковой волны и может быть использовано в биологии, медицине, пищевой промышленности и т.д.The invention relates to devices for separation and concentration of particles of liquid dispersed systems: suspensions, suspensions, etc. in the field of a standing ultrasonic wave and can be used in biology, medicine, food industry, etc.

Известно устройство для осветления суспензий, содержащее рабочую камеру в виде прямоугольного корпуса, элемент для подвода суспензии, приемники осветленной жидкой фазы и сгущенных продуктов; устройство снабжено источником ультразвука, расположенным на одной стенке корпуса, а противоположная стенка установлена на расстоянии, кратном одной второй длины волны ультразвука, при этом приемники сгущенных продуктов выполнены в виде щелевых отсекателей и установлены в нижней части рабочей камеры под зонами пучности давлений ультразвуковой стоячей волны, а элемент для подвода суспензии снабжен дозатором для подачи флокулянтов, SU 1426950.A device for clarifying suspensions is known, comprising a working chamber in the form of a rectangular housing, an element for supplying a suspension, receivers of clarified liquid phase and condensed products; the device is equipped with an ultrasound source located on one wall of the housing, and the opposite wall is installed at a distance multiple of one second wavelength of ultrasound, while the receivers of condensed products are made in the form of slit shutoffs and are installed in the lower part of the working chamber under the pressure antinodes of the standing ultrasonic wave, and the element for supplying the suspension is equipped with a dispenser for supplying flocculants, SU 1426950.

Недостатком такого устройства является отсутствие системы охлаждения рабочей камеры, что может привести к нежелательному нагреву суспензии, при этом устройство не обеспечивает достаточной степени разделения взвешенных частиц по фракциям, поскольку для предотвращения перегрева суспензии необходима весьма большая скорость ее прохождения через рабочую камеру, что может воспрепятствовать удержанию в ней частиц.The disadvantage of this device is the lack of a cooling system for the working chamber, which can lead to undesirable heating of the suspension, while the device does not provide a sufficient degree of separation of suspended particles into fractions, since in order to prevent overheating of the suspension, a very high speed of its passage through the working chamber is required, which may prevent retention particles in it.

Известен акустический фильтр для разделения частиц жидких дисперсных систем, включающий вертикально расположенную рабочую камеру с подводящими и отводящими патрубками. Рабочая камера установлена в охладительной камере, включенной в систему циркуляции охлаждающей жидкости. Ультразвуковой излучатель выполнен в виде пластин, размещенных в охладительной камере и укрепленных на наружной поверхности рабочей камеры, US 5626767 (А).A known acoustic filter for separating particles of liquid disperse systems, including a vertically located working chamber with inlet and outlet pipes. The working chamber is installed in a cooling chamber included in the coolant circulation system. The ultrasonic emitter is made in the form of plates placed in a cooling chamber and mounted on the outer surface of the working chamber, US 5626767 (A).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.This technical solution is made as a prototype of the present invention.

Оно позволяет исключить необходимость больших скоростей жидкой среды в рабочей камере для ее охлаждения, что улучшает удержание частиц в рабочей камере в сравнении с SU 1426950. Однако прототипу присущ ряд серьезных недостатков.It eliminates the need for high speeds of the liquid medium in the working chamber for its cooling, which improves the retention of particles in the working chamber in comparison with SU 1426950. However, the prototype has a number of serious drawbacks.

Прежде всего следует отметить невысокую плотность ультразвуковой энергии в рабочей камере вследствие отсутствия возможности фокусировки и концентрации энергии от излучателя больших размеров в камере значительно меньшего размера. Пьезокристаллические и магнитострикционные ультразвуковые излучатели имеют пределы интенсивности ультразвука, излучаемого с единицы поверхности, как правило, не более 2-3 Вт/см², что ограничивает в устройстве-прототипе плотность ультразвуковой энергии в рабочей камере и соответственно производительность акустического фильтра.First of all, it is worth noting the low density of ultrasonic energy in the working chamber due to the lack of focusing and concentration of energy from a large emitter in a much smaller chamber. Piezocrystalline and magnetostrictive ultrasonic emitters have limits on the intensity of ultrasound emitted from a surface unit, usually not more than 2-3 W / cm ² , which limits the density of ultrasonic energy in the working chamber and, accordingly, the performance of the acoustic filter in the prototype device.

Кроме того, ультразвуковое поле, создаваемое плоскими излучателями устройства-прототипа, является неравномерным, что обусловлено наличием выраженных локальных максимумов ультразвуковой энергии в рабочей камере вследствие особенностей диаграммы направленности плоского излучателя. Эта диаграмма характеризуется центральным максимумом со значительной амплитудой и боковыми лепестками со значительно меньшей амплитудой. Вследствие этого в рабочей камере в зоне, соответствующей центральному лепестку диаграммы направленности излучателя, силы ультразвукового поля, удерживающие частицы жидкой дисперсной системы, в несколько раз превышают силы ультразвукового поля в других частях камеры, что создает своего рода «дыры» в акустическом фильтре и существенно ухудшает качество разделения частиц, особенно близких друг к другу по размерам и акустическим параметрам, в частности по скорости распространения ультразвука в материале частиц.In addition, the ultrasonic field generated by the flat emitters of the prototype device is uneven, due to the presence of pronounced local maximums of ultrasonic energy in the working chamber due to the specific features of the directivity pattern of the flat emitter. This diagram is characterized by a central maximum with significant amplitude and side lobes with a significantly lower amplitude. As a result, in the working chamber in the zone corresponding to the central lobe of the radiation pattern of the emitter, the forces of the ultrasonic field holding the particles of the liquid disperse system are several times higher than the forces of the ultrasonic field in other parts of the chamber, which creates a kind of “hole” in the acoustic filter and significantly worsens the quality of separation of particles, especially close to each other in size and acoustic parameters, in particular in terms of the speed of propagation of ultrasound in the material of the particles.

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности устройства, а также улучшение качества разделения частиц жидких дисперсных систем.The present invention is to improve the performance of the device, as well as improving the quality of the separation of particles of liquid dispersed systems.

Согласно изобретению в акустическом фильтре для разделения частиц жидких дисперсных систем, включающем рабочую камеру с подводящим и отводящим патрубками, установленную в охладительной камере, включенной в систему циркуляции охлаждающей жидкости, и ультразвуковой излучатель, размещенный в охладительной камере, ультразвуковой излучатель выполнен в виде шарового сегмента, шаровой сегмент обращен вогнутой поверхностью к рабочей камере, плоскость основания шарового сегмента параллельна продольной центральной оси рабочей камеры и находится от нее на расстоянииAccording to the invention, in an acoustic filter for separating particles of liquid dispersed systems, including a working chamber with inlet and outlet pipes installed in a cooling chamber included in the cooling fluid circulation system, and an ultrasonic emitter located in the cooling chamber, the ultrasonic emitter is made in the form of a spherical segment, the spherical segment faces with a concave surface to the working chamber, the base plane of the spherical segment is parallel to the longitudinal central axis of the working chamber and distance from her

,

где R - радиус вогнутой поверхности шарового сегмента;where R is the radius of the concave surface of the spherical segment;

D - диаметр основания шарового сегмента;D is the diameter of the base of the spherical segment;

l - длина рабочей камеры.l is the length of the working chamber.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «новизна».The applicant has not identified any technical solutions identical to the claimed, which allows us to conclude that the present invention meets the criterion of "novelty."

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения объект приобретает два принципиально новых, весьма важных свойства.Due to the implementation of the distinguishing features of the invention, the object acquires two fundamentally new, very important properties.

Во-первых, обеспечивается возможность фокусировки ультразвуковой энергии в рабочей камере и создания в рабочей камере высокой удельной плотности этой энергии, существенно превышающей максимальную плотность энергии, излучаемой с единицы поверхности ультразвукового излучателя. Это позволяет значительно увеличить производительность устройства.Firstly, it is possible to focus ultrasonic energy in the working chamber and create a high specific density of this energy in the working chamber, which is significantly higher than the maximum energy density emitted from a unit surface of an ultrasonic emitter. This can significantly increase the performance of the device.

Во-вторых, ультразвуковое поле, создаваемое в рабочей камере, значительно более равномерно распределяется по ее объему, что предотвращает образование акустических «дыр» в фильтре и существенно повышает качество разделения частиц жидких дисперсных систем.Secondly, the ultrasonic field created in the working chamber is much more evenly distributed over its volume, which prevents the formation of acoustic “holes” in the filter and significantly improves the quality of the separation of particles of liquid dispersed systems.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.The applicant has not identified sources of information that would contain information about the influence of the distinguishing features of the invention on the achieved technical result.

Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».These new properties of the object determine, according to the applicant, the compliance of the invention with the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - схема установки, продольный разрез;figure 1 - installation diagram, longitudinal section;

на фиг.2 - схема, иллюстрирующая взаимное расположениеfigure 2 is a diagram illustrating the relative position

излучателя и рабочей камеры;emitter and a working chamber;

на фиг.3 - разрез А - А на фиг.1;figure 3 is a section a - a in figure 1;

на фиг.4 - схема, иллюстрирующая диаграмму направленности ультразвукового излучения заявленного устройства,figure 4 is a diagram illustrating a radiation pattern of ultrasonic radiation of the claimed device,

на фиг.5 - схема, иллюстрирующая диаграмму направленности ультразвукового излучения устройства-прототипа.figure 5 is a diagram illustrating the radiation pattern of the ultrasonic radiation of the prototype device.

Акустический фильтр для разделения частиц жидких дисперсных систем включает рабочую камеру 1 с подводящей 2 и отводящей 3 магистралями, установленную в охладительной камере, содержащей корпус 4 и крышку 5, включенной в систему циркуляции охлаждающей жидкости, содержащую емкость 6, насос 7, подающий через магистраль 8 охлаждающую жидкость (в данном примере - воду) в охладительную камеру. Насос 7 связан с емкостью 6 магистралью 9. Охлаждающая жидкость отводится из охладительной камеры в емкость 6 через магистраль 10. Корпус 4 охладительной камеры выполнен из стекла, крышка 5 охладительной камеры выполнена из алюминиевого сплава. Внутри охладительной камеры, в конкретном примере в ее крышке 5 установлен пьезокерамический ультразвуковой излучатель 11, выполненный в виде шарового сегмента, который обращен вогнутой поверхностью к рабочей камере 1. Плоскость 12 основания шарового сегмента параллельна продольной центральной оси 13 рабочей камеры 1 и находится от нее на расстоянииAn acoustic filter for separating particles of liquid disperse systems includes a working chamber 1 with a supply 2 and a discharge 3 pipes installed in a cooling chamber containing a housing 4 and a cover 5 included in the cooling fluid circulation system containing a container 6, a pump 7, feeding through the pipe 8 coolant (in this example, water) into the cooling chamber. Pump 7 is connected to tank 6 by line 9. Coolant is discharged from the cooling chamber to tank 6 through line 10. Housing 4 of the cooling chamber is made of glass, the cover 5 of the cooling chamber is made of aluminum alloy. Inside the cooling chamber, in a specific example, a piezoceramic ultrasonic emitter 11 is installed in its cover 5, made in the form of a spherical segment, which faces a concave surface to the working chamber 1. The base plane 12 of the spherical segment is parallel to the longitudinal central axis 13 of the working chamber 1 and is located on it distance

,

где R - радиус вогнутой поверхности шарового сегмента с центром в точке О;where R is the radius of the concave surface of the spherical segment centered at point O;

Благодаря такой геометрии излучаемые ультразвуковые волны должны сходиться в точке О, находящейся за рабочей камерой 1, при этом энергия ультразвукового излучения практически полностью поступает в рабочую камеру 1 (фиг.2).Due to this geometry, the emitted ultrasonic waves must converge at a point O located behind the working chamber 1, while the energy of ultrasonic radiation almost completely enters the working chamber 1 (Fig. 2).

Жидкая дисперсная система, в данном примере разбавленный буферной жидкостью гомогенат нервной ткани животного из лабораторной посуды (не показана), с помощью насоса 14 засасывается в рабочую камеру 1 через магистраль 2. Всасывающий патрубок насоса 14 соединен с рабочей камерой 1 магистралью 3, нагнетательный патрубок насоса 15 соединен с приемной емкостью 17 магистралью 18. Ультразвуковой излучатель 11 питается от генератора 19 электрических колебаний ультразвуковой частоты.The liquid disperse system, in this example, the homogenate of the animal’s nervous tissue diluted with a buffer liquid from laboratory glassware (not shown), is sucked into the working chamber 1 through the line 2 using the pump 14. The suction pipe of the pump 14 is connected to the working chamber 1 by the pipe 3, the discharge pipe of the pump 15 is connected to the receiving tank 17 by the line 18. The ultrasonic emitter 11 is powered by an ultrasonic frequency generator 19.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Жидкая дисперсная система содержит в данном примере частицы, представляющие собой обломки клеточных мембран нервной ткани (изображены кружочками на фиг.1, 3), размером более 0,5 мкм, и синаптосомы, представляющие собой микросферы диаметром менее 0,5 мкм (изображены точками на фиг.1, 3).The liquid disperse system in this example contains particles that are fragments of the cell membranes of the nervous tissue (shown by circles in figures 1, 3), larger than 0.5 μm, and synaptosomes, which are microspheres with a diameter of less than 0.5 μm (shown by dots on figure 1, 3).

Жидкая дисперсная система поступает в рабочую камеру 1 и подвергается воздействию ультразвукового излучения, которое создается излучателем 11 и представляет собой стоячую ультразвуковую волну.The liquid dispersed system enters the working chamber 1 and is exposed to ultrasonic radiation, which is generated by the emitter 11 and is a standing ultrasonic wave.

Благодаря реализации признаков настоящего изобретения ультразвуковое поле более равномерно и не имеет выраженных локальных максимумов (фиг.4), присущих ультразвуковому полю, создаваемому устройством-прототипом (фиг.5). Под действием сил радиационного давления, возникающих в стоячей ультразвуковой волне, в рабочей камере 1 удерживаются частицы жидкой дисперсной системы размером более 0,5 мкм. Частицы меньшего размера, представляющие интерес для лабораторных исследований в области функциональной нейрохимии, проходят в приемную емкость 17. Удерживаемые в рабочей камере 1 крупные частицы представляют собой отходы, которые по окончании процесса удаляются из рабочей камеры 1.Due to the implementation of the features of the present invention, the ultrasonic field is more uniform and does not have pronounced local maxima (figure 4) inherent in the ultrasonic field generated by the prototype device (figure 5). Under the action of radiation pressure forces arising in a standing ultrasonic wave, particles of a liquid disperse system larger than 0.5 μm are held in the working chamber 1. Smaller particles of interest for laboratory studies in the field of functional neurochemistry pass into the receiving tank 17. The large particles held in the working chamber 1 are waste products that are removed from the working chamber 1 at the end of the process.

Процесс разделения частиц жидкой дисперсной системы в рабочей камере 1 связан с выделением тепловой энергии в рабочей камере 1, а также с нагревом излучателя 11. Для поддержания заданной рабочей температуры камеры 1 и излучателя 11 насосом 7 в охладительную камеру из емкости 6 подается охлаждающая жидкость. После прохождения охладительной камеры охлаждающая жидкость возвращается в емкость 6.The process of separating particles of a liquid disperse system in the working chamber 1 is associated with the release of thermal energy in the working chamber 1, as well as with the heating of the emitter 11. To maintain a given operating temperature of the chamber 1 and the emitter 11 with a pump 7, cooling liquid is supplied from the tank 6 to the cooling chamber. After passing through the cooling chamber, the coolant returns to the container 6.

В рабочей камере 1 благодаря сферической форме излучателя и геометрии устройства в целом концентрируется ультразвуковая энергия высокой плотности. Это позволяет увеличить расход жидкой дисперсной системы через рабочую камеру 1 и соответственно повысить производительность устройства. Равномерность ультразвукового поля в рабочей камере позволяет повысить качество разделения частиц жидкой дисперсной системы за счет обеспечения возможности разделения близких по размеру частиц. Это объясняется тем, что при равномерности ультразвукового поля в рабочей камере величина сил, удерживающих частицы, практически одна и та же по всему объему рабочей камеры. Вследствие этого устройство, настроенное путем установки параметров ультразвукового излучения на удержание частиц определенного размера, будет надежно удерживать эти и более крупные частицы в рабочей камере.Due to the spherical shape of the emitter and the geometry of the device as a whole, high-density ultrasonic energy is concentrated in the working chamber 1. This allows you to increase the flow rate of the liquid dispersed system through the working chamber 1 and, accordingly, increase the productivity of the device. The uniformity of the ultrasonic field in the working chamber allows to improve the quality of separation of particles of a liquid dispersed system by providing the ability to separate particles of similar size. This is due to the fact that with the uniformity of the ultrasonic field in the working chamber, the magnitude of the forces holding the particles is practically the same throughout the entire volume of the working chamber. As a result of this, a device configured by setting the parameters of ultrasonic radiation to retain particles of a certain size will reliably hold these and larger particles in the working chamber.

Для изготовления устройства использованы широко известные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».For the manufacture of the device used well-known structural materials and factory equipment. This circumstance, according to the applicant, allows us to conclude that this invention meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

An acoustic filter for separating particles of liquid disperse systems, including a working chamber with inlet and outlet pipes, installed in a cooling chamber included in the cooling fluid circulation system, and an ultrasonic emitter located in the cooling chamber, characterized in that the ultrasonic emitter is made in the form of a spherical segment , the spherical segment faces with a concave surface to the working chamber, the plane of the base of the spherical segment is parallel to the longitudinal central axis of the working chamber and find Smiling from her at a distance

,
where R is the radius of the concave surface of the spherical segment;
D is the diameter of the base of the spherical segment;
l is the length of the working chamber.