RU2540608C1 - Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media - Google Patents

Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media Download PDF

Info

Publication number
RU2540608C1
RU2540608C1 RU2013155249/05A RU2013155249A RU2540608C1 RU 2540608 C1 RU2540608 C1 RU 2540608C1 RU 2013155249/05 A RU2013155249/05 A RU 2013155249/05A RU 2013155249 A RU2013155249 A RU 2013155249A RU 2540608 C1 RU2540608 C1 RU 2540608C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel system
channel
acoustic
liquid medium
ultrasonic
Prior art date
Application number
RU2013155249/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Александрович Геталов
Original Assignee
Андрей Александрович Геталов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Александрович Геталов filed Critical Андрей Александрович Геталов
Priority to RU2013155249/05A priority Critical patent/RU2540608C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2540608C1 publication Critical patent/RU2540608C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method for ultrasonic cavitational processing of liquid media, wherein a resonance acoustic cavitation mode is formed within a flowing mechanical vibration channel system; generation of sound vibrations is carried out in an in-phase manner at each side of the channel with an amplitude greater than the acoustic cavitation threshold for a moving liquid medium. The channel system has at least four rectangular sides with a section in the plan view in the form of a rhombus. Sides with resonant natural vibrations at the same frequency or different frequencies are arranged such that together they form a cylindrical focusing concentrator of acoustic energy in the central area of the channel system.
EFFECT: invention increases acoustic wave intensity in the processed liquid medium while maintaining or increasing the volume of the processed liquid medium in the channel system.
1 tbl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области кавитационной обработки жидких сред, а также сред, где удельное содержание воды или иной жидкой фазы превышает ~40-50% от общей массы. Жидкие среды могут содержать твердые включения (суспензии). Акустическая ультразвуковая кавитация эффективно применяется в целом ряде областей хозяйства, где реализуются следующие технологические процессы /1-5/:The invention relates to the field of cavitation treatment of liquid media, as well as environments where the specific content of water or other liquid phase exceeds ~ 40-50% of the total mass. Liquid media may contain solid inclusions (suspensions). Acoustic ultrasonic cavitation is effectively used in a number of areas of the economy, where the following processes are implemented / 1-5 /:

- диспергирование;- dispersion;

- гомогенизация и эмульгирование;- homogenization and emulsification;

- смешивание;- mixing;

- дезинтеграция;- disintegration;

- деагломерация.- deagglomeration.

На практике это охватывает процессы получения многокомпонентных сред (эмульсий, суспензий, водных растворов и систем), ультразвуковой стерилизации (обеззараживание) воды, молока, других продуктов, очистке инструмента и медицинских принадлежностей и т.д.In practice, this covers the processes of obtaining multicomponent media (emulsions, suspensions, aqueous solutions and systems), ultrasonic sterilization (disinfection) of water, milk, other products, cleaning of instruments and medical supplies, etc.

Способ обработки жидких сред, который реализован в схеме ультразвукового реактора, может быть принят за прототип /1/. Он заключается в том, что ультразвуковую волну в объеме жидкости создают с помощью стержневого излучателя, на торце которого расположен источник колебаний, как правило, пьезоэлекрический излучатель. Существует много вариантов расчетов формы стержневого излучателя и возможности крепления на его торце нескольких пьезоизлучателей, но все они направлены на увеличение амплитуды колебаний стержня на нижнем торце и на боковых стенках /8/. Это связано с тем, что зона развитой кавитации на практике измеряется размерами в несколько сантиметров от поверхности колебаний. Поэтому донная часть стержня считается самой эффективной зоной, так как между плоским торцом излучателя и плоским дном формируется стоячая волна в обрабатываемой жидкости. При этом отмечается, что диаметр торца трудно сделать в размерах больше 50-70 мм. Излучение с цилиндрической поверхности стержня имеет существенно меньшую амплитуду колебаний и цилиндрическую расходимость. С учетом отраженных акустических волн от стенок внешнего цилиндра-стакана можно оценить, что оптимальный режим стабильной стоячей плоской когерентной ультразвуковой волны в обрабатываемой жидкой среде, по аналогии с незначительной областью между торцом излучателя и дном цилиндра-стакана, получить практически невозможно. Сложная картина проходящих и отраженных ультразвуковых волн в среде, отсутствие когерентности волны и концентрации энергии на одной частоте приводит к тому, что получить эмульсии с размером дисперсной фазы менее 1,0 мкм практически невозможно, уровень гомогенности не превышает 15-20% на основной моде. При этом объем обрабатываемой жидкости ограничен.The method of processing liquid media, which is implemented in the scheme of an ultrasonic reactor, can be taken as a prototype / 1 /. It consists in the fact that an ultrasonic wave is created in the volume of a liquid using a rod emitter, at the end of which there is a source of oscillations, as a rule, a piezoelectric emitter. There are many options for calculating the shape of the rod emitter and the possibility of attaching several piezoelectric emitters at its end, but all of them are aimed at increasing the amplitude of the oscillations of the rod at the lower end and on the side walls / 8 /. This is due to the fact that the developed cavitation zone in practice is measured by the dimensions of several centimeters from the surface of the oscillations. Therefore, the bottom of the rod is considered the most effective zone, since a standing wave is formed in the processed fluid between the flat end of the emitter and the flat bottom. It is noted that the diameter of the end face is difficult to make in sizes larger than 50-70 mm. Radiation from the cylindrical surface of the rod has a significantly lower amplitude of oscillations and a cylindrical divergence. Taking into account the reflected acoustic waves from the walls of the external cylinder-cup, it can be estimated that it is practically impossible to obtain the optimal regime of a stable standing plane coherent ultrasonic wave in the processed liquid medium, by analogy with a small area between the end of the emitter and the bottom of the cylinder-cup. The complex picture of transmitted and reflected ultrasonic waves in the medium, the absence of wave coherence and energy concentration at one frequency leads to the fact that it is almost impossible to obtain emulsions with a dispersed phase size of less than 1.0 μm, the homogeneity level does not exceed 15-20% in the main mode. Moreover, the volume of the processed fluid is limited.

Другой, альтернативный способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред реализован в роторно-пульсационных гомогенизаторах /2/.Another alternative method of ultrasonic cavitation treatment of liquid media is implemented in rotary-pulsating homogenizers / 2 /.

В камере озвучивания, за счет периодически возникающих знакопеременных движений жидкости из вращающейся системы статор-ротор, возникает ультразвуковая волна с кавитационными эффектами. Это промежуточный вариант между акустической и гидродинамической кавитацией. Такие гомогенизаторы получили в настоящее время наибольшее распространение. Они достаточно просты, позволяют обрабатывать большие объемы жидкости, существенно дешевле, чем ультразвуковые аналоги. Хорошие скоростные гомогенизаторы позволяют делать эмульсии с размером дисперсной фазы ~1,5 мкм на основной моде, уровень гомогенности не превышает 10-15%. Тем не менее, и этот способ имеет ряд принципиальных ограничений. Это связано с низким кпд электромеханических систем (до 10%), что ограничивает мощность ультразвуковой волны до 1,5-2 Вт/см2, не позволяет работать с вязкими средами, с обработкой статических объемов жидкости (в объеме статор-ротор), суспензий, содержащих твердые включения, и целый ряд других принципиальных ограничений.In the sounding chamber, due to periodically occurring alternating motions of the fluid from the rotating stator-rotor system, an ultrasonic wave with cavitation effects occurs. This is an intermediate option between acoustic and hydrodynamic cavitation. Such homogenizers are currently most widely used. They are quite simple, allow you to process large volumes of liquid, much cheaper than ultrasonic counterparts. Good high-speed homogenizers allow emulsions with a dispersed phase size of ~ 1.5 μm in the main mode, the level of homogeneity does not exceed 10-15%. However, this method also has a number of fundamental limitations. This is due to the low efficiency of electromechanical systems (up to 10%), which limits the power of the ultrasonic wave to 1.5-2 W / cm 2 , does not allow working with viscous media, with the processing of static volumes of liquid (in the volume of the stator-rotor), suspensions containing solid inclusions, and a number of other fundamental restrictions.

Наиболее близким по сути является способ получения эмульсионного косметического средства по патенту №2419414 от 08.09.2010 г.The closest in essence is a method of obtaining an emulsion cosmetic product according to patent No. 2419414 of 09/08/2010.

Принципиальным отличием данного способа от других является использование для возбуждения акустической волны в жидких средах резонансных свойств механической колебательной системы-канала прямоугольного сечения с большой стороной а и малой стороной b соответственно, генерирование звуковых колебаний осуществляется синфазно на обеих противоположных сторонах а с амплитудой, превышающей порог акустической кавитации, частота f звуковых колебаний подбирается равной резонансной частоте всего канала, при этом меньшее расстояние b между стенками канала выбирается кратным четверти длины волны, возбуждаемой в данной среде. В прототипе между сторонами а в обрабатываемой жидкости формируется квазиплоская стоячая волна, причем за счет отражения от противоположной стороны разница давлений в положительной и отрицательной фазе может усиливаться. Если ширина b равна половине длины волны в жидкости, максимальное усиление может составить 4 раза (с учетом двух сторон).The principal difference of this method from others is the use of the resonant properties of a mechanical oscillatory system of a rectangular channel with large side a and small side b, respectively, to generate an acoustic wave in liquid media, sound vibrations are generated in phase on both opposite sides a with an amplitude exceeding the acoustic threshold cavitation, the frequency f of sound vibrations is chosen equal to the resonant frequency of the entire channel, with a smaller distance b between kami channel selected multiple quarter wavelength, is excited in a given environment. In the prototype, between the sides a, a quasi-plane standing wave is formed in the fluid being treated, and due to reflection from the opposite side, the pressure difference in the positive and negative phase can be amplified. If the width b is equal to half the wavelength in the liquid, the maximum gain can be 4 times (taking into account two sides).

Недостатками данного способа является ограничение по коэффициенту усиления акустической волны в обрабатываемой жидкой среде при одновременном ограничении объема данной жидкой среды. Действительно, для получения акустических полей высокой интенсивности, например на частоте 25 кГц, половина длины волны в воде составит ~3 см (размер b), ширина а составит ~11,5 см, то есть в системе-канале размерами 100*11,5*3 см будет возможна одновременная обработка не более 3,45 литров жидкости, близкой по своим характеристикам к воде. Коэффициент усиления акустической волны ограничен, единственный путь - увеличение амплитуды колебаний системы-канала. Как правило, это вызывает большие затруднения.The disadvantages of this method is the restriction on the gain of the acoustic wave in the processed liquid medium while limiting the volume of this liquid medium. Indeed, to obtain high-intensity acoustic fields, for example, at a frequency of 25 kHz, half the wavelength in water will be ~ 3 cm (size b), width a will be ~ 11.5 cm, that is, in a channel system with dimensions of 100 * 11.5 * 3 cm will be possible simultaneous processing of not more than 3.45 liters of liquid, similar in its characteristics to water. The gain of the acoustic wave is limited, the only way is to increase the amplitude of the oscillations of the channel system. As a rule, this causes great difficulties.

Целью изобретения является увеличение интенсивности акустической волны в обрабатываемой жидкой среде при сохранении либо увеличении объема обрабатываемой жидкой среды в системе-канале.The aim of the invention is to increase the intensity of the acoustic wave in the processed liquid medium while maintaining or increasing the volume of the processed liquid medium in the channel system.

Данная цель достигается тем, что в способе ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред, в котором режим резонансной акустической кавитации формируется внутри проточной механической колебательной системы-канала, генерирование звуковых колебаний осуществляется синфазно на каждой стороне канала с амплитудой, превышающей порог акустической кавитации для движущейся жидкой среды, система-канал имеет не менее четырех прямоугольных сторон с сечением в плане в виде ромба, при этом стороны, совершающие резонансные автоколебания на одной либо разных частотах, расположены таким образом, что вместе образуют цилиндрический фокусирующий концентратор акустической энергии в центральной зоне системы-канала.This goal is achieved by the fact that in the method of ultrasonic cavitation processing of liquid media, in which the resonant acoustic cavitation mode is formed inside the flow-through mechanical oscillatory system-channel, the generation of sound vibrations is carried out in-phase on each side of the channel with an amplitude exceeding the acoustic cavitation threshold for a moving liquid medium, the channel system has at least four rectangular sides with a cross-section in the plan in the form of a rhombus, while the sides performing resonant self-oscillations on one oh or different frequencies, arranged so that together form a cylindrical concentrator focusing the acoustic energy in the center region-channel system.

Известно /4, стр. 167/, что для поточной кавитационной обработки жидкостей целесообразно использовать цилиндрические фокусирующие излучатели, которые создают когерентный синфазно сходящийся фронт - цилиндрический фронт акустической волны. Приведенные в данной работе замкнутые цилиндрические фокусирующие излучатели /4, стр. 183/ из пьезокерамики, использующие как изгибные, так и радиальные колебания, на практике получили очень ограниченное распространение. Это связано с относительно высокой частотой радиальных колебаний (сотни кГц) и их малой амплитудой.It is known / 4, p. 167 / that it is advisable to use cylindrical focusing emitters for flow cavitation treatment of liquids, which create a coherent in-phase convergent front - a cylindrical front of an acoustic wave. The closed cylindrical focusing emitters / 4, p. 183 / made of piezoceramics given in this work, using both bending and radial vibrations, have received very limited distribution in practice. This is due to the relatively high frequency of radial vibrations (hundreds of kHz) and their small amplitude.

Для промышленных масштабов уровень кавитационной обработки жидких сред должен измеряться кубометрами и десятками кубометров в час. При этом диапазон наиболее эффективных частот лежит от 20 кГц до 40 кГц.For an industrial scale, the level of cavitation treatment of liquid media should be measured in cubic meters and tens of cubic meters per hour. In this case, the range of the most effective frequencies lies from 20 kHz to 40 kHz.

Такие объемы требуют сечения каналов, где происходит кавитационная обработка жидких сред, измеряемое десятками квадратных сантиметров.Such volumes require a cross-section of the channels where cavitation treatment of liquid media occurs, measured in tens of square centimeters.

При этом необходимо, чтобы радиальные колебания были максимально возможными по амплитуде и когерентными.At the same time, it is necessary that the radial vibrations be the maximum possible in amplitude and coherent.

Для реализации предлагаемого способа рассмотрим систему-канал, цилиндрическое (круглое) сечение которого можно аппроксимировать набором хорд. В простейшем случае это будет четыре прямоугольные стороны, образующие квадрат, ромб или трапецию. В работе /4, стр. 169/ показано, что коэффициенты усиления сходящейся цилиндрической волны по интенсивности и колебательной скорости в фокальной плоскости имеет оптимальный угол раскрытия ~60 градусов. Соответственно, угол между двумя излучаемыми поверхностями должен составлять 120 градусов. Упрощенная аппроксимация круга равносторонним треугольником показывает, что в этом случае угол раскрытия будет 30 градусов, что в 2 раза снижает коэффициент усиления (~50% от максимума). Аппроксимация круга квадратом (угол раскрытия 45 градусов) дает промежуточные результаты с коэффициентом усиления (~75% от максимума). На Фиг.1 представлена зависимость из работы /4, стр. 182/, показывающая максимально достижимую колебательную скорость на фокальной оси от колебательной скорости его поверхности при наличии затухания акустической волны в среде. Как известно /3, стр. 15/, интенсивность звуковой волны пропорциональна квадрату колебательной скорости. Для типовых значений интенсивности ~ 10 Вт/см2 (вода) амплитуда колебательной скорости составляет ~36,7 см/с /3, стр. 120/. Максимально достижимый коэффициент усиления по скорости может составить ~15 (по Фиг.1). Это существенно выше, чем в прототипе, даже если учесть факторы, снижающие этот коэффициент. Надо отметить, что усиление эффективно при слабых колебательных скоростях поверхности цилиндрического излучателя, что очень важно. Создавая небольшие колебания на каждой стороне, которые формируют сходящуюся цилиндрическую волну, в центре системы-канала (на фокальной линии) будут наблюдаться высокие интенсивности акустической волны. Реализация предлагаемого способа может быть выполнена в разных вариантах. На Фиг.2 и Фиг.3 представлены подготовленные к работе элементы (секции) колебательной системы-канала, формирующие сходящуюся к центру канала сферическую волну. В первом случае система-канал имеет сечение в виде ромба (углы 120 и 60 градусов), во втором случае - в виде правильного шестигранника (углы 120 градусов). Форма правильного шестигранника может быть отнесена к одной из наиболее оптимальных.To implement the proposed method, we consider a channel system whose cylindrical (round) section can be approximated by a set of chords. In the simplest case, it will be four rectangular sides forming a square, rhombus or trapezoid. It was shown in / 4, p. 169 / that the gain of a converging cylindrical wave in intensity and vibrational velocity in the focal plane has an optimal opening angle of ~ 60 degrees. Accordingly, the angle between the two radiated surfaces should be 120 degrees. The simplified approximation of the circle by an equilateral triangle shows that in this case the opening angle will be 30 degrees, which reduces the gain by 2 times (~ 50% of the maximum). The approximation of a circle by a square (opening angle of 45 degrees) gives intermediate results with a gain (~ 75% of the maximum). Figure 1 presents the dependence from work / 4, p. 182 /, showing the maximum achievable vibrational velocity on the focal axis of the vibrational velocity of its surface in the presence of attenuation of the acoustic wave in the medium. As you know / 3, p. 15 /, the intensity of the sound wave is proportional to the square of the vibrational velocity. For typical intensity values of ~ 10 W / cm 2 (water), the amplitude of the vibrational velocity is ~ 36.7 cm / s / 3, p. 120 /. The maximum achievable speed gain can be ~ 15 (in FIG. 1). This is significantly higher than in the prototype, even if we take into account factors that reduce this coefficient. It should be noted that amplification is effective at low vibrational velocities of the surface of a cylindrical emitter, which is very important. By creating small vibrations on each side that form a converging cylindrical wave, high intensities of the acoustic wave will be observed in the center of the channel system (on the focal line). Implementation of the proposed method can be performed in different ways. Figure 2 and Figure 3 presents the prepared for work elements (sections) of the oscillatory system-channel, forming a spherical wave converging to the center of the channel. In the first case, the channel system has a cross section in the form of a rhombus (angles of 120 and 60 degrees), in the second case, in the form of a regular hexagon (angles of 120 degrees). The shape of the regular hexagon can be attributed to one of the most optimal.

Режим резонансной акустической кавитации формируется внутри проточной механической колебательной системы-канала, генерирование звуковых колебаний осуществляется синфазно на каждой стороне канала с амплитудой, превышающей порог акустической кавитации для движущейся жидкой среды. Система-канал должна иметь не менее четырех прямоугольных сторон с сечением в плане в виде ромба, при этом стороны, совершающие резонансные автоколебания на одной либо разных частотах, расположены таким образом, что вместе образуют цилиндрический фокусирующий концентратор акустической энергии в центральной зоне системы-канала.The resonant acoustic cavitation mode is formed inside the flow-through mechanical oscillatory system-channel, the sound vibrations are generated in-phase on each side of the channel with an amplitude exceeding the acoustic cavitation threshold for a moving liquid medium. The channel system must have at least four rectangular sides with a cross-section in the form of a rhombus, while the parties performing resonant self-oscillations at one or different frequencies are arranged so that together they form a cylindrical focusing acoustic energy concentrator in the central zone of the channel system.

На Фиг.4 показан общий вид промышленной установки с каналами ромбовидного сечения. На установке имеется 14 индивидуальных колебательных каналов с емкостью ~4 литра каждый. Одновременно может проходить кавитационную обработку ~56 литров жидкости. Каждый канал состоит из 4 граней, гнутых на специальном станке с последующей сваркой для обеспечения герметичности.Figure 4 shows a General view of an industrial installation with diamond-shaped channels. The installation has 14 individual oscillatory channels with a capacity of ~ 4 liters each. At the same time, ~ 56 liters of liquid can undergo cavitation treatment. Each channel consists of 4 faces, bent on a special machine with subsequent welding to ensure tightness.

Каждая грань системы-канала представляет собой прямоугольник, который имеет определенные размеры длины и ширины в зависимости от рабочей частоты. Рабочая частота близка к первой гармонике колебаний прямоугольной мембраны, которую можно определить по соотношению /6/Each face of the channel system is a rectangle that has certain length and width dimensions depending on the operating frequency. The working frequency is close to the first harmonic of the oscillations of the rectangular membrane, which can be determined by the ratio / 6 /

Figure 00000001
Figure 00000001

где с - скорость распространения упругих волн;where c is the propagation velocity of elastic waves;

kx, ky - волновые числа, значения которых определяются граничными условиями;k x , k y are wave numbers whose values are determined by the boundary conditions;

Lx - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Ох;L x is the length of the side of the plate directed along the axis Ox;

Ly - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Оy;L y is the length of the side of the plate directed along the axis Oy;

jx, jy - целое число, равное 1 для первой гармоники колебаний.j x , j y is an integer equal to 1 for the first harmonic of the oscillations.

Каналы изготовлены из нержавеющей стали AISI 316 (аналог 12Х10НТ), имеющей скорость продольных волн ~5800 м/с.The channels are made of AISI 316 stainless steel (analogue 12X10HT), with a longitudinal wave velocity of ~ 5800 m / s.

Как показали многочисленные эксперименты, в системах с бесконечным числом степеней свободы, к которым относятся пластины и мембраны, при определенных частотах и величине амплитуды динамического прогиба могут быть реализованы режимы вынужденных колебаний (линейных и нелинейных), вынужденных колебаний с дополнительными параметрическими резонансами либо автоколебаний /7, 8/.As shown by numerous experiments, in systems with an infinite number of degrees of freedom, which include plates and membranes, at certain frequencies and magnitude of the dynamic deflection amplitude, the modes of forced oscillations (linear and nonlinear), forced oscillations with additional parametric resonances or self-oscillations can be realized / 7 , 8/.

Для обеспечения когерентности сходящейся цилиндрической волны необходимо лучше всего реализовать режим автоколебаний.To ensure the coherence of a converging cylindrical wave, it is best to implement a self-oscillation regime.

Режим автоколебаний должен характеризоваться максимальной амплитудой колебаний, минимальной потребляемой мощностью и доминирующей гармоникой колебаний, существенно преобладающей над остальными. Энергию для поддержания автоколебаний доставляет внешний силовой возбудитель ультразвуковых колебаний /9, стр. 175/, в частности, пьезоэлектрические возбудители, подключенные к промышленному генератору ультразвуковых колебаний УЗГ 2-22, которые серийно выпускаются рядом отечественных предприятий. Генератор УЗГ 2-22 удобен тем, что позволяет вручную провести определение частоты автоколебаний, поскольку имеет индикатор потребляемой мощности, связанной с мощностью, отдаваемой в нагрузку. Для контроля за амплитудой колебаний, при определении частоты автоколебаний, используется измерительный тракт из пьезоакселерометров типа 4344 (либо типа АР-12, АР-33, выпускаемых в России), усилителя 2635 фирмы Bruel&Kjaer, цифрового осциллографа Velleman с регистрацией сигналов на персональный компьютер.The self-oscillation regime should be characterized by a maximum amplitude of oscillations, a minimum power consumption, and a dominant harmonic of oscillations, which substantially prevails over the others. The energy for maintaining self-oscillations is provided by an external power exciter of ultrasonic vibrations / 9, p. 175 /, in particular, piezoelectric exciters connected to an industrial ultrasonic oscillator UZG 2-22, which are serially produced by a number of domestic enterprises. The UZG 2-22 generator is convenient in that it allows you to manually determine the frequency of self-oscillations, since it has an indicator of power consumption associated with the power given to the load. To control the amplitude of oscillations, when determining the frequency of self-oscillations, a measuring path is used from piezo-accelerometers of type 4344 (or type AR-12, AR-33, manufactured in Russia), an amplifier 2635 from Bruel & Kjaer, a digital Velleman oscilloscope with registration of signals to a personal computer.

Установлено, что частота автоколебаний не равна частоте первой гармонике колебаний мембраны, определенной выше. Как определено в способе-прототипе, весьма существенным является эффект присоединенной массы, нелинейного демпфирования и нелинейной упругости.It was found that the frequency of self-oscillations is not equal to the frequency of the first harmonic of membrane oscillations, as defined above. As defined in the prototype method, the effect of the attached mass, nonlinear damping and nonlinear elasticity is very significant.

По множеству обработанных экспериментальных данных для частот от 22 кГц до 40 кГц и использовании типовых пьезоэлектрических возбудителей (массы близки между собой) поправка в частоте составила 1,5-2,5 кГц в сторону более высоких частот.According to the set of processed experimental data for frequencies from 22 kHz to 40 kHz and the use of typical piezoelectric exciters (the masses are close to each other), the frequency correction was 1.5-2.5 kHz towards higher frequencies.

В качестве практического применения эффективности сходящейся цилиндрической волны приводятся данные следующего эксперимента.As a practical application of the efficiency of a converging cylindrical wave, the data of the following experiment are presented.

В таблице 1 приведена типовая рецептура косметической эмульсии.Table 1 shows a typical formulation of a cosmetic emulsion.

В качестве эмульгатора используется ингредиент NMF, который может образовать как прямую, так и обратную эмульсию при гомогенизации.As an emulsifier, the NMF ingredient is used, which can form both direct and inverse emulsion during homogenization.

На Фиг.5 показана микрофотография эмульсии при гомогенизации в колебательной системе-канале (прототип) на малой мощности (~50-70 Вт/литр) на частоте 25 кГц. Видно, что это типовая прямая эмульсия масло в воде.Figure 5 shows a micrograph of the emulsion during homogenization in an oscillating channel system (prototype) at low power (~ 50-70 W / liter) at a frequency of 25 kHz. It can be seen that this is a typical direct oil-in-water emulsion.

На Фиг.6 показана эмульсия этой же рецептуры, приготовленная в канале ромбовидного сечения. Удельные энергозатраты близки к предыдущему варианту(~50-70 Вт/литр), частота 25 кГц. Видно, что в эмульсии фаза обернулась, то есть она стала обратной.Figure 6 shows an emulsion of the same formulation prepared in a diamond-shaped channel. The specific energy consumption is close to the previous version (~ 50-70 W / liter), frequency 25 kHz. It can be seen that the phase turned around in the emulsion, that is, it became inverse.

Это произошло за счет увеличения интенсивности кавитационной обработки, обусловленной эффектом сходящейся цилиндрической волны.This was due to an increase in the intensity of cavitation treatment, due to the effect of a converging cylindrical wave.

Figure 00000002
Figure 00000002

На Фиг.7 представлена шкала объект-микрометра с ценой деления 10 мкм.Figure 7 presents the scale of the object micrometer with a division value of 10 μm.

В данном способе возможна реализация режима работы с разными частотами.In this method, it is possible to implement a mode of operation with different frequencies.

В этом случае самый простой профиль будет иметь сечение в виде трапеции или того же ромба. В остальном методика определения частот колебаний и размеров прямоугольных сторон системы-канала остается аналогичной. Для синхронизации работы генераторов с разными частотами необходимо использовать тактовый генератор. Проще всего это схема реализуется при кратных частотах, например 22кГц и 44 кГц и так далее.In this case, the simplest profile will have a section in the form of a trapezoid or the same rhombus. Otherwise, the methodology for determining the vibration frequencies and sizes of the rectangular sides of the channel system remains the same. To synchronize the operation of generators with different frequencies, it is necessary to use a clock generator. This scheme is most easily implemented at multiple frequencies, for example 22 kHz and 44 kHz, and so on.

Таким образом, предложенный способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред позволяет увеличить интенсивность акустической волны в обрабатываемой жидкой среде при сохранении либо увеличении объема обрабатываемой жидкой среды в системе-канале.Thus, the proposed method of ultrasonic cavitation treatment of liquid media allows you to increase the intensity of the acoustic wave in the processed liquid medium while maintaining or increasing the volume of the processed liquid medium in the channel system.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Бронин Ф.А. Исследование кавитационного разрушения и диспергирования твердых тел в ультразвуковом поле высокой интенсивности. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, МИСИС, 1967.1. Bronin F.A. Investigation of cavitation destruction and dispersion of solids in a high-intensity ultrasonic field. Abstract for the degree of candidate of technical sciences, MISIS, 1967.

2. Червяков В.М., Однолько В.Г. Использование гидродинамических и кавитационных явлений в роторных аппаратах. - М.: Машиностроение, 2008.2. Chervyakov V.M., Only V.G. The use of hydrodynamic and cavitation phenomena in rotary devices. - M.: Mechanical Engineering, 2008.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1956.3. Bergman L. Ultrasound and its application in science and technology. - M .: Foreign literature, 1956.

4. Розенберг Л.Д. Фокусирующие излучатели ультразвука. Часть 3. В кн. Источники мощного ультразвука. Под ред. Розенберга Л.Д. М.: Наука, 1967.4. Rosenberg L.D. Focusing ultrasound emitters. Part 3. In the book. Sources of powerful ultrasound. Ed. Rosenberg L.D. M .: Nauka, 1967.

5. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография, Алт. Гос. Техн. Ун-т им И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ.5. Khmelev V.N., Popova O.V. Multifunctional ultrasonic devices and their application in small industrial, agricultural and household conditions: scientific monograph, Alt. Gos. Tech. University of I.I. Polzunova. - Barnaul: Publishing house of Altai State Technical University.

6. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970.6. Koshlyakov N.S., Gliner E.B., Smirnov M.M. Partial differential equations of mathematical physics. M .: Higher school, 1970.

7. Обухов А.Н. Параметрическое возбуждение автоколебаний в вибрационных машинах. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Институт машиноведения, М., 2007.7. Obukhov A.N. Parametric excitation of self-oscillations in vibrating machines. Abstract for the degree of candidate of technical sciences. Institute of Engineering, M., 2007.

8. Израилович М.Я., Обухов А.Н. Параметрическое управление автоколебаниями. М.: Изд-во URSS, 2010.8. Izrailovich M.Ya., Obukhov A.N. Parametric self-oscillation control. M .: Publishing House URSS, 2010.

9. Вольмир А.С. Нелинейная динамика пластин и оболочек. М.: Наука, 1972.9. Volmir A.S. Nonlinear dynamics of plates and shells. M .: Nauka, 1972.

Claims (1)

Способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред, в котором режим резонансной акустической кавитации формируется внутри проточной механической колебательной системы-канала, генерирование звуковых колебаний осуществляется синфазно на каждой стороне канала с амплитудой, превышающей порог акустической кавитации для движущейся жидкой среды, отличающийся тем, что система-канал имеет не менее четырех прямоугольных сторон с сечением в плане в виде ромба, при этом стороны, совершающие резонансные автоколебания на одной либо разных частотах, расположены таким образом, что вместе образуют цилиндрический фокусирующий концентратор акустической энергии в центральной зоне системы-канала. A method of ultrasonic cavitation treatment of liquid media, in which the resonant acoustic cavitation mode is formed inside a flowing mechanical oscillatory system of a channel, the generation of sound vibrations is carried out in-phase on each side of the channel with an amplitude exceeding the acoustic cavitation threshold for a moving liquid medium, characterized in that the channel system has at least four rectangular sides with a cross-section in the plan in the form of a rhombus, while the sides performing resonant self-oscillations on one or different x frequencies are arranged in such a way that together they form a cylindrical focusing acoustic energy concentrator in the central zone of the channel system.
RU2013155249/05A 2013-12-13 2013-12-13 Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media RU2540608C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013155249/05A RU2540608C1 (en) 2013-12-13 2013-12-13 Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013155249/05A RU2540608C1 (en) 2013-12-13 2013-12-13 Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2540608C1 true RU2540608C1 (en) 2015-02-10

Family

ID=53286904

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013155249/05A RU2540608C1 (en) 2013-12-13 2013-12-13 Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2540608C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2724745C1 (en) * 2019-08-06 2020-06-25 Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ") Method of ultrasonic dispersion of demulsifier in water-oil emulsion

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060037915A1 (en) * 2002-06-04 2006-02-23 Protasis Corporation Method and device for ultrasonically manipulating particles within a fluid
RU2419414C1 (en) * 2010-04-06 2011-05-27 Андрей Александрович Геталов Method of obtaining emulsion cosmetic preparation
RU2477650C1 (en) * 2011-07-25 2013-03-20 Андрей Александрович Геталов Method of ultrasound cavitation treatment of fluid media
RU2479346C1 (en) * 2011-08-29 2013-04-20 Андрей Александрович Геталов Method of simultaneous ultrasound cavitation processing of different-composition media

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060037915A1 (en) * 2002-06-04 2006-02-23 Protasis Corporation Method and device for ultrasonically manipulating particles within a fluid
RU2419414C1 (en) * 2010-04-06 2011-05-27 Андрей Александрович Геталов Method of obtaining emulsion cosmetic preparation
RU2477650C1 (en) * 2011-07-25 2013-03-20 Андрей Александрович Геталов Method of ultrasound cavitation treatment of fluid media
RU2479346C1 (en) * 2011-08-29 2013-04-20 Андрей Александрович Геталов Method of simultaneous ultrasound cavitation processing of different-composition media

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2724745C1 (en) * 2019-08-06 2020-06-25 Общество с ограниченной ответственностью "Газпромнефть Научно-Технический Центр" (ООО "Газпромнефть НТЦ") Method of ultrasonic dispersion of demulsifier in water-oil emulsion

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2455086C1 (en) Method of ultrasonic cavitation processing of fluids and objects placed therein
Sadhal Acoustofluidics 13: Analysis of acoustic streaming by perturbation methods
CN103118776B (en) Method for ultrasonic cavitation treatment of liquid media
Zhang Chaotic oscillations of gas bubbles under dual-frequency acoustic excitation
RU2479346C1 (en) Method of simultaneous ultrasound cavitation processing of different-composition media
Manor et al. The appearance of boundary layers and drift flows due to high-frequency surface waves
WO2013147636A1 (en) Method for simultaneous cavitation treatment of liquid media varying in composition
Rajabi et al. Acoustic manipulation: Bessel beams and active carriers
RU2540608C1 (en) Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media
Osman et al. Development of an ultrasonic resonator for ballast water disinfection
Rajabi et al. Acoustic manipulation of a liquid-filled spherical shell activated with an internal spherical oscillator
Khmelev et al. Radiators for forming of high-intensive ultrasonic vibrations in gaseous media
Wang et al. Cavitation microstreaming generated by a bubble pair in an ultrasound field
RU2547508C1 (en) Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media and objects located in medium
RU2551490C1 (en) Method for ultrasonic cavitational processing of liquid media and objects located in medium
RU138071U1 (en) ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM
RU2286205C1 (en) Cavitation reactor
Dorovskikh et al. Development of specialized disk emitters for the formation of high-intensity ultrasonic fields in gaseous media
Bernyk Investigation of the processes of the acoustic apparatus with the processing technological environment power interaction
RU132000U1 (en) ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM FOR GAS MEDIA
RU137617U1 (en) PULSE MULTI-FREQUENCY PARAMETRIC RADIATOR
Vanhille et al. Nonlinear interaction of air bubbles and ultrasonic field: An analysis of some physical aspects
US11076241B2 (en) Electroacoustic transducer for the parametric generation of ultrasound
RU2556654C2 (en) Ultrasound flow reactor
RU143737U1 (en) ULTRASONIC FLOWING REACTOR

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20160708

PD4A Correction of name of patent owner