Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини, що містить трубчату конструкцію з акустично розв'язаними фланцями, виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених одного або декількох кілець, на кожному з яких на зовнішній твірній поверхні розміщені окремі секції резонансних ультразвукових вібраційних приводів поздовжніх коливань з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, причому товщина кілець здовж осі вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в кільцях, частота резонансу ультразвукових вібраційних приводів дорівнює власній частоті радіальної моди коливань кілець, який відрізняється тим, що співвісно всередині кілець з вібраційними приводами встановлена додаткова труба з кавітаційно стійкого та хімічно інертного акустично прозорого матеріалу для протоку рідини, яка ущільнена у фланцях з утворенням герметичного замкненого міжтрубного простору, заповненого попередньо дегазованою рідиною, довжина додаткової труби кратна половині довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в ній, закріплена вона з ущільненням у фланцях вузловими точками, причому частота її поздовжньо-згинних коливань дорівнює власній частоті рідини, що протікає всередині труби, та резонансній частоті радіальних коливань зовнішніх кілець, які при цьому розміщені в зонах пучностей поздовжньо-згинних коливань додаткової труби.

2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що додаткова труба виконана з кварцового скла.

Текст

Дивитися

Реферат: Винахід належить до технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в технологічних процесах, пов'язаних з виготовленням високоякісних ліків та високочистих хімічних сумішей, обеззаражуванням рідин, фільтруванням, створенням високоякісних стійких емульсій, освітленням стічних вод, холодною стерилізацією молока, активацією рідин та палива і т.п. Відповідно до винаходу пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини містить трубчату конструкцію з акустично розв'язаними фланцями, виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених одного або декількох кілець, на кожному з яких на зовнішній твірній поверхні розміщені окремі секції резонансних ультразвукових вібраційних приводів поздовжніх коливань з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, причому товщина кілець здовж осі вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в кільцях, частота резонансу ультразвукових вібраційних приводів дорівнює власній частоті радіальної моди коливань кілець. При цьому співвісно всередині кілець з вібраційними приводами встановлена додаткова труба з кавітаційно стійкого та хімічно інертного акустично прозорого матеріалу для протоку рідини, яка ущільнена у фланцях з утворенням герметичного замкненого міжтрубного простору, UA 112827 C2 (12) UA 112827 C2 заповненого попередньо дегазованою рідиною, довжина додаткової труби кратна половині довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в ній, закріплена вона з ущільненням у фланцях вузловими точками, причому частота її поздовжньо-згинних коливань дорівнює власній частоті рідини, що протікає всередині труби, та резонансній частоті радіальних коливань зовнішніх кілець, які при цьому розміщені в зонах пучностей поздовжньо-згинних коливань додаткової труби. UA 112827 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в технологічних процесах, пов'язаних з виготовленням високоякісних ліків та високочистих хімічних сумішей, обеззаражуванням рідин, фільтруванням, створенням високоякісних стійких емульсій, освітленням стічних вод, холодною стерилізацією молока, активацією рідин та палива і т. п. Для інтенсифікації технологічних процесів, пов'язаних з рідиною, використовують різні фізичні фактори впливу, наприклад ультразвукові коливання, які діють на згадані процеси через, так звані, ефекти першого порядку (частоту, інтенсивність і т. п.) і ефекти другого порядку, до яких належить, перш за все, кавітація. Ефективність зазначеного використання ультразвукових коливань значною мірою залежить від режимів випромінювання ультразвукової енергії та особливостей побудови технологічного обладнання, яке реалізує вказані технології. Відомий пристрій для ультразвукової обробки рідини (патент України № 55279А, МПК С02 1/36, С02 F 1/48, A61L 2/02, 2003), що містить трубу для рідини, яка затиснута із боків через прокладки із дугоподібними впадинами ультразвуковими випромінювачами, електрично зв'язаними із виходом генератора, які, в свою чергу, контактують через сухарі із болтами, що впираються в систему притиску, ультразвукові випромінювачі виконані у вигляді складених п'єзоелектричних, випромінююча накладка яких служить як дугоподібна, а кожен сухар виконаний у вигляді стакана, що охоплює ультразвуковий випромінювач і своїм дном контактує через кульку із болтом, а кромками через віброізоляційну шайбу контактує із буртиком, останній виконаний у випромінюючій накладці в місці мінімальних амплітуд коливань складеного ультразвукового випромінювача, при цьому система притиску виконана у вигляді замкнутого хомута, що охоплює трубу, а ультразвукові випромінювачі зв'язані з генератором наступним чином: при їх непарному числі або двох - синфазно, при їх парному числі - сусідні підключаються протифазно. У цьому пристрої із-за механічного навантаження (притиску) ультразвукових перетворювачів падає їх добротність, зростають втрати на нагрів. Виконання випромінювачів з достатньо великими дугоподібними контактними із трубою поверхнями демпфує резонансні згинні коливання, що знижує ступінь обробки рідини. Під час тривалої експлуатації із-за спрацьовування контактних пар та втоми конструктивних елементів системи притиску зменшується сила притиску, неконтрольовано падає ультразвукова енергія, що передається в рідину. Застосована система введення ультразвукової енергії в рідину через стінку труби призводить до збудження в трубі радіально-згинних та поздовжньо-згинних резонансних коливань, які впливають на резонанси випромінювачів і при невдалому розміщенні останніх на трубі можуть повністю нейтралізувати їх коливання. Відсутність норми на відстань між окремими секціями випромінювачів по довжині труби може демпфувати поздовжньо-згинні коливання, що виникають при збудженні радіально-згинних коливань випромінювачами окремих секцій. Крім того, відсутність фокусування ультразвукової енергії при збудженні радіально-згинних коливань не дозволяє досягти в пристрої значного рівня інтенсивності коливань, що знижує ефективність застосування пристрою в технологічних процесах знезараження рідин. Складна система притиску, необхідність розбирання усіх деталей хомута при заміні одного випромінювача ускладнює ремонт. Приєднання фланців до кінців труби для її монтування в трубопровід також демпфує згинні коливання в трубі. В конструкції, що розглядається рідина, яка піддається кавітаційній обробці, контактує з випромінюючою поверхнею. На випромінюючій поверхні завжди утворюється кавітаційний прошарок, утворений парогазовими бульбашками, які поглинають та розсіюють ультразвукову енергію, що знижує ККД ультразвукового технологічного обладнання. Крім того, за рахунок кавітаційної ерозії випромінююча поверхня активно руйнується. Це відбувається навіть в разі виконання випромінюючої поверхні із кавітаційно стійкої сталі або титанового сплаву. Внаслідок цього частинки металу потрапляють в рідину. Якщо обробляється розчин, який застосовується при виготовленні ліків в фармацевтичній промисловості, то подібне забруднення є неприпустимим. Тому цей пристрій не може бути використаний в фармацевтичній або хімічній промисловості. Відомий пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини (патент України № 81605, MПК C02F 1/36 (2006.01), A61L2/02, C02F 1/48, 25.01.2008). В даному випадку ультразвукові вібраційні приводи-випромінювачі мають ножеподібну конструкцію вихідної частини, яка приєднується до зовнішньої твірної поверхні труби жорстко, наприклад зварюванням. Це дозволяє відмовитися від складної та ненадійної системи притиску вібраційних приводів та досягти максимально ефективного збудження радіально-згинних коливань труби. Труба акустично розв'язана з вхідним та вихідним фланцями. Крім того, в 1 UA 112827 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 даному пристрої обумовлена відстань між окремими секціями приводів та між окремими приводами в секціях, яка дорівнює половині довжини хвилі, відповідно, поздовжньо-згинних та радіально-згинних коливань в трубі та забезпечує мінімальний взаємний вплив приводів і дозволяє досягти максимальної ефективності коливань труби. Але, як і в попередньому випадку, відсутність фокусування ультразвукової енергії при збудженні радіально-згинних коливань не дозволяє досягти в пристрої значного рівня інтенсивності коливань, що знижує ефективність застосування пристрою в технологічних процесах знезараження рідин. Регламентована відстань між секціями вібраційних приводів призводить до суттєвого збільшення поздовжніх розмірів пристрою при намаганні збільшити його потужність за рахунок збільшення кількості секцій. Крім того, наявність вузлових точок в стоячій поздовжньо-згинній хвилі свідчить про те, що в зоні цих точок труба не коливається. Тобто, в цих зонах рівень кавітації буде дорівнювати нулю. В цій конструкції збережено недолік, пов'язаний з руйнуванням випромінюючої поверхні і потраплянням продуктів руйнації в оброблювану рідину, що не дозволяє використовувати його в фармацевтичній промисловості. Найбільш близький до запропонованого є пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини (патент України № 92987, Опубл. 27.12.2010, Бюл. № 24, МПК - 2011.01 C02F 1/36 (2006.01), A61L 2/02, C02F 1/48, B01D 19/00). В даній конструкції вдалося значно підвищити ККД та зменшити поздовжні розміри за рахунок виготовлення випромінюючої труби у вигляді окремих акустично розв'язаних кілець, товщина яких здовж осі менша за половину довжини поздовжньо-згинної хвилі в них та які збуджуються ультразвуковими резонансними приводами, жорстко, наприклад, зварюванням приєднаними до їх зовнішньої поверхні, на нульовій моді радіальних коливань. Застосування ножеподібних трансформаторів коливальної швидкості в ультразвукових резонансних приводах поздовжніх коливань дозволило максимально зменшити негативний вплив місця приєднання приводів до кілець на радіальну форму їх коливань. Збудження кілець на нульовій моді радіальних коливань дозволяє використати фокусуючи властивості внутрішньої поверхні кілець. Це забезпечило зменшення інтенсивності ультразвукової енергії на випромінюючій внутрішній поверхні кілець, зменшення кавітаційного прошарку на внутрішній поверхні кілець і, відповідно, зменшення швидкості руйнування випромінюючої поверхні. Найвищій рівень інтенсивності тепер досягається в області поздовжньої осі вібруючого кільця. Але, як показали досліди, в рідині, що обробляється все рівно, хоч і суттєво меншою мірою, виявляються продукти руйнування випромінюючої металевої поверхні, що не дозволяє використовувати пристрій в фармацевтичній промисловості для створення якісних ліків. Крім того, фокусування ультразвукової енергії в центральній частині кільця призводить до нерівномірної кавітаційної обробки рідини в об'ємі кільця. В центральній частині кавітаційна обробка високоінтенсивна, а в частині поблизу випромінюючої поверхні - малоінтенсивна. Тому потік рідини, що прокачується через вказаний пристрій, обробляється не рівномірно. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності обробки рідини та усунення з рідини продуктів руйнування випромінюючої поверхні шляхом вдосконалення пристрою для ультразвукової кавітаційної обробки рідини, що містить трубчату конструкцію з акустично розв'язаними фланцями, виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених одного або декількох кілець, на кожному з яких на зовнішній твірній поверхні розміщені окремі секції резонансних ультразвукових вібраційних приводів поздовжніх коливань з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, причому товщина кілець здовж осі вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в кільцях, частота резонансу ультразвукових вібраційних приводів дорівнює власній частоті радіальної моди коливань кілець. Для вирішення поставленої задачі в пристрої для ультразвукової кавітаційної обробки рідини, що містить трубчату конструкцію з акустично розв'язаними фланцями, виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених одного або декількох кілець, на кожному з яких на зовнішній твірній поверхні розміщені окремі секції резонансних ультразвукових вібраційних приводів поздовжніх коливань з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, причому товщина кілець здовж осі вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в кільцях, частота резонансу ультразвукових вібраційних приводів дорівнює власній частоті радіальної моди коливань кілець, співвісно всередині кілець з вібраційними приводами встановлена додаткова труба з кавітаційно стійкого та хімічно інертного акустично прозорого матеріалу для протоку рідини, яка ущільнена у фланцях з утворенням герметичного замкненого міжтрубного простору, заповненого попередньо дегазованою рідиною, довжина додаткової труби кратна половині довжини хвилі поздовжньозгинних коливань в ній, закріплена вона з ущільненням у фланцях вузловими точками, причому 2 UA 112827 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частота її поздовжньо-згинних коливань дорівнює власній частоті рідини, що протікає всередині труби, та резонансній частоті радіальних коливань зовнішніх кілець, які при цьому розміщені в зонах пучностей поздовжньо-згинних коливань додаткової труби. Застосування додаткової труби дозволяє відокремити зону максимально інтенсивної кавітаційної обробки рідини і тільки через цю зону прокачувати рідину. Ультразвукова енергія буде передаватися всередину додаткової труби через дегазовану рідину в міжтрубному просторі та через стінку додаткової труби. Застосування дегазованої рідини дозволить проходити ультразвуковим коливанням крізь міжтрубний простір максимально ефективно без втрат на кавітаційні явища. Ультразвукові коливання будуть збуджувати і додаткову трубу. Обумовлена її акустична довжина і спосіб кріплення в вузлових точках поздовжньо-згинних коливань дозволять ввести цю трубу в ультразвукові резонансні коливання і забезпечити максимально ефективний вплив на рідину, що проходить крізь трубу. Якщо забезпечена відповідність частоти таких коливань власній частоті коливань рідини в об'ємі додаткової труби, то це дозволить досягти максимальної ефективності кавітаційної обробки рідини. Застосування додаткової труби, до якої механічно не приєднані ультразвукові приводи поздовжніх коливань, дозволить використати для цієї труби кавітаційно стійкі та хімічно інертні акустично прозорі матеріали незалежно від можливості їх зварювання з трансформаторами коливальної швидкості ультразвукових приводів. Як варіант, додаткова труба може бути виконана з кварцового скла, що дозволить майже повністю виключити можливість появи в рідині продуктів кавітаційної ерозії випромінюючої поверхні. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показаний варіант схеми пристрою для ультразвукової кавітаційної обробки рідини з одним акустично розв'язаним кільцем, на якому розміщені ультразвукові вібраційні приводи, а на фіг. 2 - переріз цього пристрою по лінії А-А. Пристрій (фіг. 1) складається із кільця 1 з фланцями 2. Кільце 1 здовж осі має товщину меншу за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в цьому кільці. За допомогою ущільнень 3 кільце 1 акустично розв'язане із фланцями 2. На зовнішній твірній поверхні кільця 1 встановлені резонансні ультразвукові вібраційні приводи 4 поздовжніх коливань з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості 5 (фіг 2). Ножеподібна форма трансформатора коливальної швидкості 5 за умови приварювання його здовж твірної лінії зовнішньої поверхні кільця 1 забезпечує передачу ультразвукових коливань, які генеруються вібраційними приводами 4, до кільця 1. При цьому забезпечується мінімальність негативного впливу місця приєднання приводів 4 до кільця 1 на радіальну форму коливань кільця 1. Встановлення резонансних поздовжніх коливань в вібраційному приводі 4 демонструє крива деформації 6. На фіг. 1 показано випадок застосування як вібраційного привода півхвильового складеного п'єзоелектричного резонансного привода поздовжніх коливань. Резонансна частота коливань вібраційних приводів 4 вибрана такою, що дорівнює власній частоті нульової моди радіальних коливань кільця 1. Подібних акустично розв'язаних кілець із привареними вібраційними приводами в конструкції може бути встановлено декілька. Всередині кільця 1 за допомогою ущільнень 7 на фланцях 2 коаксіально встановлено додаткову трубу 8. Додаткова труба 8 виконана з кавітаційно стійкого та хімічно інертного матеріалу. Довжина додаткової труби 8 кратна половині довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в ній. Встановлення резонансних поздовжньо-згинних коливань в додатковій трубі 8 демонструє крива деформації 9. Закріплена додаткова труба 8 з ущільненням у фланцях вузловими точками. Частота її поздовжньо-згинних коливань дорівнює резонансній частоті кільця 1 та власній частоті рідини, що протікає всередині труби. При цьому кільце 1 або кільця 1, якщо їх декілька, розміщені в зонах пучностей поздовжньо-згинних коливань додаткової труби 8. Кільце 1 з фланцями 2 та додаткова труба 8 утворюють замкнений міжтрубний простір 10, який повністю заповнено попередньо дегазованою рідиною. Додаткова труба 8 за допомогою еластичних муфт може приєднуватися до технологічного трубопроводу. Це приєднання на схемі фіг. 1 та фіг. 2 умовно не показано. Ультразвукові вібраційні приводи 4 підключені до електричного генератора ультразвукових коливань, який на схемі умовно не показаний. Як варіант, додаткова труба 8 може бути виконана з кварцового скла. Пристрій працює наступним чином. Через додаткову трубу 8 відбувається проток рідини, що кавітаційно обробляється. Кавітаційній обробці може піддаватися і рідина, яка заповнила трубу 8 і статично знаходиться в ній. Цей випадок має місце при необхідності обробки невеликого об'єму рідини. При подачі високочастотної напруги від генератора на ультразвукові вібраційні приводи 4 в останніх збуджуються поздовжні резонансні пружні механічні коливання. Через ножеподібні ультразвукові трансформатори коливальної швидкості 5 ці коливання підводяться 3 UA 112827 C2 5 10 15 20 25 30 35 до поверхні кільця 1. Оскільки діаметр кільця 1 підібраний таким чином, що частота цих коливань дорівнює власній частоті нульової моди радіальних коливань кільця 1, кільце змушене здійснювати резонансні коливання в радіальному напрямку. При цьому ультразвукова енергія, що випромінюється з внутрішньої поверхні кільця 1, фокусується по осі додаткової труби 8. Внаслідок цього, здовж центральної частини труби 8 спостерігається інтенсивна кавітація, яка інтенсивно обробляє рідину. На внутрішній поверхні вібруючого кільця 1 інтенсивність ультразвукових коливань буде меншою і, відповідно, рівень кавітації буде меншим. Завдяки заповненню міжтрубного простору 10 дегазованою рідиною виникнення кавітації в цьому об'ємі зовсім маловірогідно, оскільки в дегазованій рідині майже відсутні зародки кавітації, наявність яких в рідині є одною з умов виникнення кавітації. Відсутність кавітації в міжтрубному просторі 10 або її малий рівень дозволять передати ультразвукову енергію до додаткової труби 8 з мінімальними втратами. Ультразвукові коливання, що впливають на трубу 8, примусово збудять в ній поздовжньо-згинні коливання. Оскільки частота цих коливань співпаде з власною частотою поздовжньо-згинних коливань труби, труба 8 буде здійснювати максимально ефективні резонансні коливання, що забезпечить підвищення інтенсивності кавітаційних явищ всередині труби. Резонансні коливання труби 8 будуть відбуватися з мінімальними втратами, оскільки труба затиснута у фланцях 2 гумовими ущільненнями в вузлових точках стоячої поздовжньозгинної хвилі деформації в трубі, в яких коливання відсутні. В конструкції, що розглядається, частота резонансних коливань труби 8 співпадає з власною частотою рідини, що обробляється в трубі. Це забезпечує максимально ефективний вплив ультразвукових коливань на рідину. Оскільки в конструкції, що пропонується, не має механічного, наприклад, зварного кріплення вібраційних приводів до труби, то можливо застосування труби 8 з кавітаційно стійкого та хімічно інертного акустично прозорого матеріалу. Як варіант, труба 8 може бути виконана з кварцового скла. Запропоноване технічне рішення пристрою для ультразвукової кавітаційної обробки рідини забезпечує максимально ефективну кавітаційну обробку рідини як в статиці, так і в потоці. При цьому в оброблювану рідину не потрапляють продукти кавітаційної ерозії випромінюючої поверхні, що забезпечує високий рівень чистоти рідини, якій дуже необхідний в фармацевтичній промисловості при створенні якісних ліків. Підвищена ефективність пристрою дозволить надійно і швидко знезаражувати рідини. Знезараження рідини відбувається за рахунок схлопування кавітаційних бульбашок поблизу шкідливих мікроорганізмів. При схлопуванні кавітаційних 3 бульбашок утворюються руйнівні ударні хвилі, кумулятивні струмені, високий тиск (до 10 МПа) та температура (до 1000 °C) в мікрооб'ємах рідини, що забезпечує загибель мікроорганізмів. Змішування рідин та утворення стійких емульсій відбувається за рахунок інтенсивних мікротечій, що виникають при коливаннях кавітаційних бульбашок. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 1. Пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини, що містить трубчату конструкцію з акустично розв'язаними фланцями, виконану у вигляді окремих, акустично розв'язаних та ущільнених одного або декількох кілець, на кожному з яких на зовнішній твірній поверхні розміщені окремі секції резонансних ультразвукових вібраційних приводів поздовжніх коливань з ножеподібними трансформаторами коливальної швидкості, причому товщина кілець здовж осі вибрана меншою за половину довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в кільцях, частота резонансу ультразвукових вібраційних приводів дорівнює власній частоті радіальної моди коливань кілець, який відрізняється тим, що співвісно всередині кілець з вібраційними приводами встановлена додаткова труба з кавітаційно стійкого та хімічно інертного акустично прозорого матеріалу для протоку рідини, яка ущільнена у фланцях з утворенням герметичного замкненого міжтрубного простору, заповненого попередньо дегазованою рідиною, довжина додаткової труби кратна половині довжини хвилі поздовжньо-згинних коливань в ній, закріплена вона з ущільненням у фланцях вузловими точками, причому частота її поздовжньо-згинних коливань дорівнює власній частоті рідини, що протікає всередині труби, та резонансній частоті радіальних коливань зовнішніх кілець, які при цьому розміщені в зонах пучностей поздовжньозгинних коливань додаткової труби. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що додаткова труба виконана з кварцового скла. 4 UA 112827 C2 5 UA 112827 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: C02F 1/36, C02F 1/48, A61L 2/02

Мітки: рідини, ультразвукової, обробки, пристрій, кавітаційної

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/8-112827-pristrijj-dlya-ultrazvukovo-kavitacijjno-obrobki-ridini.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій для ультразвукової кавітаційної обробки рідини</a>

Подібні патенти