UA120803C2 - Ультразвуковий пристрій для обробки рідини - Google Patents

Abstract

Ультразвуковий пристрій для обробки рідини містить порожнистий з донною торцевою поверхнею корпус з немагнітного матеріалу, в якому послідовно встановлені, вертикально розташований, ультразвуковий резонансний випромінювач, частота збудження якого дорівнює власній частоті оброблюваної рідини, з зануреною в рідину випромінюючою поверхнею, закріплений в корпусі у вузловій точці хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, з утворенням герметичної порожнини. Блок магнітної обробки, утворений набором постійних магнітів, причому рідина в корпус підводиться через штуцер, встановлений в корпусі над випромінюючою поверхнею ультразвукового випромінювача, а штуцер для відведення рідини встановлений в торцевій донній поверхні корпусу, яка паралельна випромінюючій поверхні. Для підвищення ефективності обробки рідини ультразвуковий випромінювач оснащений трансформатором коливальної швидкості, на вихідній торцевій поверхні якого з утворенням відносно корпусу щілинних зазорів для протікання рідини виконаний плоский дисковий вібратор з можливістю випромінювання своїми поверхнями. Діаметр вібратора обраний меншим за половину довжини ультразвукової хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, на боковій циліндричній поверхні вібратора виконана канавка з двома похилими поверхнями, відстань від плоскої торцевої поверхні дискового вібратора до торцевої донної поверхні корпусу обрана кратною непарній кількості чвертей довжини ультразвукової хвилі, що встановилася в рідині в напрямку випромінювання в бік торцевої поверхні корпусу. Набір постійних магнітів виконано у вигляді набору кільцевих постійних магнітів з поляризацією по товщині, що охоплюють частину корпусу перед торцевою донною поверхнею, причому магніти встановлені однойменними полюсами один до одного.

Description

власній частоті оброблюваної рідини, з зануреною в рідину випромінюючою поверхнею, закріплений в корпусі у вузловій точці хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, з утворенням герметичної порожнини. Блок магнітної обробки, утворений набором постійних магнітів, причому рідина в корпус підводиться через штуцер, встановлений в корпусі над випромінюючою поверхнею ультразвукового випромінювача, а штуцер для відведення рідини встановлений в торцевій донній поверхні корпусу, яка паралельна випромінюючій поверхні. Для підвищення ефективності обробки рідини ультразвуковий випромінювач оснащений трансформатором коливальної швидкості, на вихідній торцевій поверхні якого з утворенням відносно корпусу щілинних зазорів для протікання рідини виконаний плоский дисковий вібратор з можливістю випромінювання своїми поверхнями. Діаметр вібратора обраний меншим за половину довжини ультразвукової хвилі деформації що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, на боковій циліндричній поверхні вібратора виконана канавка з двома похилими поверхнями, відстань від плоскої торцевої поверхні дискового вібратора до торцевої донної поверхні корпусу обрана кратною непарній кількості чвертей довжини ультразвукової хвилі, що встановилася в рідині в напрямку випромінювання в бік торцевої поверхні корпусу. Набір постійних магнітів виконано у вигляді набору кільцевих постійних магнітів з поляризацією по товщині, що охоплюють частину корпусу перед торцевою донною поверхнею, причому магніти встановлені однойменними полюсами один до одного. м кннднннвком ох шен і і їй

І ; я у | й дн

ЕО а з Ь. Ще лк

Я - ! з ! пн в ще ее с 7

І А І ш- і і - «4 І: дет а ши Що нн 9 тре де Ди ше о нини а Ши

ТК пт І шт ж вий С дн т ек: й Я Ще їх с. чех др точок, 7

ЖАВ М В ре ш- ря перинне Я ме Сех ди рик ШО І и о пн 1, ни ні Ту нтннннин Мі, ї і 1: ШИ ЗИ: ви й и гид ян, 8 ' й до ї че нина и кох Ше - Пе 77

Я АК --

КК Как ех ДИ нини

Н хх і БЖ р і й СЕ в дит і ! ее пер ке

Н Й ко і ях у ; вІшщя, х й їх ! ЕІ м :

Шия -

Ко ши и

УМ Ши

Її Ши ї

Винахід стосується технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в процесах, що відбуваються в рідкому середовищі, наприклад, при знезараженні рідин, тобто знищенні вірусів та мікроорганізмів, створенні високоякісних стійких емульсій, освітленні стічних вод, холодній стерилізації молока, активації рідин та палива і т.п.

Для інтенсифікації технологічних процесів, пов'язаних з рідиною, використовують різні фізичні поля та фактори впливу, наприклад, ультразвукові коливання, які діють на згадані процеси через, так звані, ефекти першого порядку (частота, інтенсивність і т.п.) і ефекти другого порядку, до яких відноситься, перш за все, кавітація.

Ефективність зазначеного використання ультразвукових коливань в значній мірі залежить від режимів випромінювання ультразвукової енергії та особливостей побудови технологічного обладнання, що реалізує вказані технології.

Відомий ультразвуковий пристрій для обробки рідини (патент України Мо 55323А, МПК СО2Е 1/36, 2003), що містить подовжений порожнинний корпус з донною і бічною поверхнями, в якому встановлений ультразвуковий випромінювач із трансформатором коливальної швидкості, підключений до електричного генератора коливань, який закріплено на корпусі у вузловій точці стоячої хвилі деформації в трансформаторі швидкості так, що випромінюючий торець трансформатора швидкості спрямований до донної поверхні корпуса і розташований нижче вхідного патрубка корпуса.

У пристрої використовується вплив на рідину тільки одного фізичного поля - ультразвукового.

У вказаному пристрої ультразвукова енергія вводиться в рідину за допомогою зануреної випромінюючої поверхні ультразвукового перетворювача, що дозволяє зробити це достатньо ефективно. Але максимальну інтенсивність ультразвукова хвиля має тільки поблизу поверхні випромінювання. Подалі від випромінювача інтенсивність різко понижується. Відбувається це внаслідок значного збільшення площі, через яку проходить ультразвукова хвиля деформації.

Якщо використовується випромінювач з поршневими коливаннями, то діаграма направленості його випромінювання поступово розширюється. При цьому відповідно зменшується інтенсивність ультразвукової енергії. Якщо використовується мембранний згинальний

Зо випромінювач, то ультразвукова енергія розповсюджується в усі боки і її інтенсивність швидко спадає. Ультразвукова хвиля, що випромінюється, відбивається від стінок корпуса, внаслідок чого в порожнині корпуса встановлюється стояча хвиля деформації. Якщо стінки корпуса нахилені відносно поверхні випромінювання або використовується згинальний випромінювач, то в об'ємі корпуса встановлюється, так зване, дифузне ультразвукове поле, в якому перемішуються вузли та пучності коливань. Це дозволяє усереднити рівень кавітації в об'ємі рідини, що знаходиться в корпусі. Але цей рівень буде суттєво менший у порівнянні з рівнем кавітації в вузлах та пучностях стоячої хвилі деформації у випадку коли випромінююча та відбиваюча поверхні паралельні. Дифузне ультразвукове поле дозволяє підвищити рівномірність кавітаційної обробки деталей в очисних ультразвукових кавітаційних ваннах. Але, якщо мова йде про досягнення високої інтенсивності ультразвукової енергії та високого рівня кавітації для забезпечення високої ефективності знезараження рідини (кількість знищених мікроорганізмів пропорційна інтенсивності ультразвукової енергії, що вводиться в рідину) з дифузним полем необхідно боротися. Якщо ж інтенсивність ультразвукових коливань буде малою і рівень падіння тиску в ультразвуковій хвилі не буде досягати порога виникнення кавітації в рідині, то кавітація не виникатиме і пристрій взагалі не буде знищувати шкідливі мікроорганізми, а навпаки буде стимулювати їх розмноження.

Мала площа випромінюючої поверхні застосованого в пристрої трансформатора коливальної швидкості не дозволяє ввести в рідину ультразвукову хвилю великої інтенсивності, оскільки при збільшенні підведеної до випромінювача потужності на випромінюючій поверхні утворюється кавітаційний двохфазний прошарок, який поглинає та розсіює значну кількість ультразвукової енергії, перешкоджаючи проходженню ультразвукових коливань в рідину. Тому збільшення підведеної потужності призводить лише до нагріву п'єзокераміки випромінювача.

Таким чином, конструкція, що розглядається, не дозволяє досягти достатньо високої інтенсивності ультразвукового поля і високого рівня кавітації в об'ємі рідини, що обробляється.

Тому вказаний пристрій не дозволяє ефективно обробляти рідину з метою її знезараження, активації та отримання стійких емульсій.

Також відомий ультразвуковий пристрій для обробки рідини (патент України Мо 100470, МПК

СО2Е 1/36, СО2Е 1/30, опубл. 25.12.2012, Бюл. Мо 24), що містить вертикально розташований порожнинний ступінчастий корпус з донною торцевою поверхнею та вхідним і вихідним бо патрубками, ультразвуковий випромінювач з торцевою поверхнею випромінювання, закріплений в верхній частині ступінчастого корпусу, яка має більший діаметр, в вузловій точці стоячої хвилі деформації з утворенням герметичної порожнини та можливістю випромінювання ультразвукових хвиль в бік донної торцевої поверхні, яка розташована паралельно поверхні випромінювання на регламентованій відстані в ступені меншого діаметру.

В пристрої також використовується тільки одне фізичне поле - ультразвукове.

Можливість випромінювання ультразвукових хвиль вздовж корпусу забезпечується розташуванням ультразвукового перетворювача у верхній частині корпусу, де в області кріплення трансформатора швидкості утворено герметичну порожнину. Ця порожнина не дозволяє змочувати вузлову точку кріплення трансформатора швидкості. В разі змочування цієї точки ультразвукова енергія може стікати в рідину і не доходити в повному обсязі до вихідного торця трансформатора швидкості, зменшуючи ефективність його коливань.

Досягнення необхідної інтенсивності ультразвукових коливань в конструкції забезпечується за рахунок ступінчастої конструкції корпусу, яка виконує функцію чверть хвильового трансформатора тиску. Завдяки трансформатору тиску в ступені меншого діаметру коливання тиску збільшуються, що призводить до інтенсивного розвитку кавітації та, відповідно, більш інтенсивної обробки рідини.

Найбільш близьким до запропонованого є ультразвуковий пристрій для обробки рідини (патент України Мо 113244, СО2Е 1/36, СО2Е 1/30, опубл. 26.12.2016, Бюл. Мо 24), що містить порожнистий з донною торцевою поверхнею корпус з немагнітного матеріалу, в якому послідовно встановлені вертикально розташований, ультразвуковий резонансний випромінювач, частота збудження якого дорівнює власній частоті оброблюваної рідини, з зануреною в рідину випромінюючою поверхнею, закріплений в корпусі у вузловій точці хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, з утворенням герметичної порожнини, та блок магнітної обробки, утворений набором постійних магнітів, причому рідина в корпус підводиться через штуцер, встановлений в корпусі над випромінюючою поверхнею ультразвукового випромінювача, а штуцер для відведення рідини встановлений в торцевій донній поверхні корпусу, яка паралельна випромінюючій поверхні.

В пристрої вже використано два фізичних поля - ультразвукове і магнітне. Це дозволило збільшити можливості енергетичного впливу на рідину і мікроорганізми в ній.

Зо Необхідна висока інтенсивність ультразвуку досягається за рахунок трансформатору тиску, який дозволяє в ступені меншого діаметру корпусу отримати збільшену амплітуду коливань звукового тиску. Для забезпечення достатньо високого ККД амплітуда коливань випромінюючої поверхні незначна, що дозволяє ефективно ввести в об'єм трансформатору тиску ультразвукові коливання без утворення на випромінюючій поверхні кавітаційного прошарку, який поглинає і розсіює ультразвукову енергію. Але застосований ультразвуковий трансформатор тиску не дозволяє суттєво підвищити амплітуду тиску, оскільки для цього необхідно при забезпеченні поршневих коливань випромінюючої поверхні (що накладає обмеження на її діаметр) застосувати малий діаметр другої ступені трансформатора. Але в цей малий діаметр ультразвукова хвиля входить зі ступеню більшого діаметру дуже не ефективно зі значними втратами, що не дозволяє досягти суттєвого підвищення інтенсивності коливань.

Застосована в пристрої магнітна обробка рідини не є ефективною, оскільки діє на короткому проміжку шляху течії рідини і створює тільки малопотужне магнітне поле.

Для вирішення поставленої задачі в пристрої для ультразвукової обробки рідини, що містить порожнистий з донною торцевою поверхнею корпус з немагнітного матеріалу, в якому послідовно встановлені вертикально розташований, ультразвуковий резонансний випромінювач, частота збудження якого дорівнює власній частоті оброблюваної рідини, з зануреною в рідину випромінюючою поверхнею, закріплений в корпусі у вузловій точці хвилі деформації що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, з утворенням герметичної порожнини, та блок магнітної обробки, утворений набором постійних магнітів, причому рідина в корпус підводиться через штуцер, встановлений в корпусі над випромінюючою поверхнею ультразвукового випромінювача, а штуцер для відведення рідини встановлений в торцевій донній поверхні корпусу, яка паралельна випромінюючій поверхні, ультразвуковий випромінювач оснащений трансформатором коливальної швидкості, на вихідній торцевій поверхні якого з утворенням відносно корпусу щілинних зазорів для протікання рідини виконаний плоский дисковий вібратор з можливістю випромінювання своїми поверхнями, діаметр якого обраний меншим за половину довжини ультразвукової хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, на боковій циліндричній поверхні вібратора виконана канавка з двома похилими поверхнями, відстань від плоскої торцевої поверхні дискового вібратора до торцевої донної поверхні корпусу обрана кратною непарній бо кількості чвертей довжини ультразвукової хвилі, що встановилася в рідині в напрямку випромінювання в бік торцевої поверхні корпусу, а набір постійних магнітів виконано у вигляді набору кільцевих постійних магнітів з поляризацією по товщині, що охоплюють частину корпусу перед торцевою донною поверхнею, причому магніти встановлені однойменними полюсами один до одного.

В конструкції, що пропонується, застосований ультразвуковий трансформатор швидкості, що дозволяє значно збільшити амплітуду коливань поверхні випромінювання і, відповідно, збільшити інтенсивність ультразвуку. Але, як відомо, це призводить до появи на поверхні випромінювання кавітаційного прошарку, який розсіює та поглинає ультразвукову енергію, тобто перешкоджає потраплянню ультразвукової енергії в корпус пристрою. Тому, за звичай, з цим прошарком борються з метою збільшення кількості ультразвукової енергії, що може потрапити в об'єм корпусу пристрою. В пристрої, що пропонується, цей дуже інтенсивний кавітаційний прошарок і використано для кавітаційної обробки рідини. З цією метою рідину змусили протікати здовж усієї поверхні дискового випромінюючого вібратора, протискаючись крізь, спеціально організовану, вузьку щілину. Канавка на боковій поверхні вібратора додатково забезпечує кавітаційний вплив на рідину. Тепер увесь потік рідини гарантовано отримає кавітаційну обробку максимальної інтенсивності.

Застосування набору магнітів у вигляді групи кільцевих постійних магнітів з поляризацією по товщині, що охоплюють частину корпусу перед торцевою донною поверхнею та встановлені однойменними полюсами один до одного, дозволяє суттєво збільшити інтенсивність впливу на рідину магнітного поля. Пульсуюче по інтенсивності та направленості магнітне поле, утворене таким чином розміщеними постійними магнітами, забезпечує інтенсивну магнітну обробку рідини після кавітації.

Сутність винаходу пояснюється рисунком, де показана схема ультразвукового пристрою для обробки рідини.

Пристрій складається з вертикально розташованого порожнистого корпусу 1 з донною торцевою поверхнею 2, вхідним патрубком З та вихідним патрубком 4. Причому вихідний патрубок розташований в зоні донної поверхні 2 і з'єднаний з внутрішньою порожниною корпусу 1. В верхній частині корпусу 1 розміщений ультразвуковий випромінювач, складений з п'єзокерамічних кілець 5, демпфуючої накладки 6 та трансформатора коливальної швидкості 7.

Зо Вихідна торцева поверхня трансформатора коливальної швидкості 7 виконана у вигляді дискового вібратора 8 з можливістю випромінювання своїми поверхнями та з утворенням відносно корпусу 1 щілинних зазорів для протікання рідини. Для утворення щілинного зазору біля поверхні вібратора 8, що випромінює в протилежному напрямку від донної поверхні 2 корпусу 1 встановлений вкладиш 9, виконаний з двох поздовжньо розрізаних половин. Діаметр дискового вібратора 8 обраний меншим за половину довжини ультразвукової хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача. На боковій циліндричній поверхні вібратора 8 виконана канавка 10 з двома похилими поверхнями. Відстань від плоскої торцевої поверхні дискового вібратора до торцевої донної поверхні 2 корпусу 1 обрана кратною парній кількості чвертей довжини ультразвукової хвилі 11, що встановилася в рідині в напрямку випромінювання в бік торцевої поверхні 2 корпусу 1. Набір постійних магнітів виконано у вигляді набору кільцевих постійних магнітів 12 з поляризацією по товщині, що охоплюють частину корпусу 1 перед торцевою донною поверхнею 2, причому магніти встановлені однойменними полюсами один до одного.

Пристрій працює наступним чином. Через пристрій за допомогою вхідного З та вихідного 4 патрубків прокачується рідина, яка потребує кавітаційної обробки. При цьому, завдяки герметичному кріпленню ультразвукового випромінювача за допомогою ущільнення, в верхній частині порожнини корпусу 1 утворюється повітряна герметична порожнина. Ця порожнина не дозволяє змочувати вузлову точку кріплення ультразвукового випромінювача. В разі змочування цієї точки ультразвукова енергія може стікати в рідину і не доходити в повному обсязі до поверхні випромінювання дискового вібратора 8, зменшуючи ефективність роботи випромінювача. Пристрій готовий до роботи. При подачі високочастотної напруги від електричного генератора коливань на п'єзоелементи 5 випромінювача в останньому збуджуються поздовжні резонансні пружні механічні коливання, які при цьому дорівнюють і частоті власних коливань рідини. Це призводить до виникнення резонансних коливань рідини, що забезпечує максимальну ефективність обробки рідині. Ультразвукова хвиля вводиться в рідину з інтенсивністю, яка перевищує поріг виникнення кавітації в рідині. При чому максимальна інтенсивність коливань має місце на поверхні випромінювання дискового вібратора 8. Потім завдяки кавітаційному прошарку, що утворюється на поверхні вібратора, відбувається різке зменшення інтенсивності ультразвуку. Це відбувається внаслідок поглинання бо та розсіювання ультразвуку в кавітаційному прошарку на поверхні дискового вібратору. Тому максимально ефективній кавітаційній обробці буде піддаватися рідина в кавітаційному прошарку, тобто рідина, яка протікає крізь щілини, які утворені між дисковим вібратором 8, корпусом 1 та вкладишем 9 пристрою. Канавка 10 на боковій циліндричній поверхні вібратора 8 також завдяки наявності похилих поверхонь буде випромінювати ультразвук в щілинний зазор, збільшуючи площу поверхні випромінювання, тобто кавітаційного прошарку, в якому рідина, що протікає, піддається інтенсивній кавітаційній обробці. Оскільки діаметр випромінюючого вібратора 8 обраний меншим за половину довжини ультразвукової хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, вібратор 8 здійснює поршневі, а не згинальні коливання. Тобто кавітаційний прошарок на поверхні вібратора 8 має постійну товщину, що забезпечує максимально ефективну кавітаційну обробку рідини. Далі рідина потрапляє в канал, який з'єднаний з вихідним штуцером 4 та має торцеву поверхню 2 відбиття ультразвукових хвиль. Цей канал розміщено нормально до поверхні випромінювання дискового вібратора і тому ультразвукова хвиля буде заходити в нього, утворюючи завдяки його регламентованій довжині хвилю деформації 11, що встановлюється. Тому в цьому каналі також буде відбуватися кавітаційна обробка рідини, але вже з меншою інтенсивністю ніж в щілинному зазорі. Потужні циліндричні магніти 12, що охоплюють цей канал, створюють знакозмінне магнітне поле, яке здійснює інтенсивну магнітну обробку рідини.

Запропонований кавітаційний пристрій для обробки рідини дозволяє активувати рідину за рахунок ультразвукової кавітації та магнітного впливу.

Активоване рідке паливо має підвищені енергетичні показники горіння. Таке паливо встигає повністю з максимальною ефективністю згоріти в камері двигуна внутрішнього згоряння, не змиває мастильну плівку з пар тертя і не викидається з вихлопними газами в атмосферу.

Емульсія, отримана в такому пристрої, довгий час не розшаровується завдяки інтенсивному кавітаційному перемішуванню на молекулярному рівні. Задіяна в пристрої інтенсивна кавітаційна обробка здатна знешкодити широке коло шкідливих бактерій, вірусів та мікроорганізмів в рідині, забезпечити високий рівень окислювальних процесів в рідині, що дозволить наситити її вільними радикалами, тобто активувати рідину. Застосування потужних постійних магнітів, які знакозмінними силовими лініями пронизують збурену та розірвану кавітацією рідину, дозволяє, додатково до ультразвукового поля, забезпечити максимально

Зо ефективний вплив на рідину магнітного поля, що призводить до заспокоєння, структуризації та додаткового активування рідини.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   Ультразвуковий пристрій для обробки рідини, що містить порожнистий з донною торцевою поверхнею корпус з немагнітного матеріалу, в якому послідовно встановлені, вертикально розташований, ультразвуковий резонансний випромінювач, частота збудження якого дорівнює власній частоті оброблюваної рідини, з зануреною в рідину випромінюючою поверхнею, закріплений в корпусі у вузловій точці хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, з утворенням герметичної порожнини, та блок магнітної обробки, утворений набором постійних магнітів, причому рідина в корпус підводиться через штуцер, встановлений в корпусі над випромінюючою поверхнею ультразвукового випромінювача, а штуцер для відведення рідини встановлений в торцевій донній поверхні корпусу, яка паралельна випромінюючій поверхні, який відрізняється тим, що ультразвуковий випромінювач оснащений трансформатором коливальної швидкості, на вихідній торцевій поверхні якого з утворенням відносно корпусу щілинних зазорів для протікання рідини виконаний плоский дисковий вібратор з можливістю випромінювання своїми поверхнями, діаметр якого обраний меншим за половину довжини ультразвукової хвилі деформації, що встановилася по довжині ультразвукового випромінювача, на боковій циліндричній поверхні вібратора виконана канавка з двома похилими поверхнями, відстань від плоскої торцевої поверхні дискового вібратора до торцевої донної поверхні корпусу обрана кратною непарній кількості чвертей довжини ультразвукової хвилі, що встановилася в рідині в напрямку випромінювання в бік торцевої поверхні корпусу, а набір постійних магнітів виконано у вигляді набору кільцевих постійних магнітів з поляризацією по товщині, що охоплюють частину корпусу перед торцевою донною поверхнею, причому магніти встановлені однойменними полюсами один до одного.