На правах рукописи

Цыганок Сергей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Хмелев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Овчаренко Александр Григорьевич кандидат технических наук, Антохов Сергей Владимирович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (г. Бийск, Алтайский край)

Защита состоится 28 октября 2005 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета К 212.004.03 в Бийском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан 27 сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Светлов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для интенсификации процессов химических технологий применяют различные физические факторы воздействия, в частности ультразвуковые колебания.

Ультразвуковые колебания высокой интенсивности могут ускорять химические реакции за счет эмульгирования жидких компонентов; диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов; дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции;

интенсивного перемешивания и т.д.

В настоящее время выделяют два типа ультразвуковых технологий. К первому относятся технологии, которые ускоряются ультразвуковыми колебаниями, но могут протекать и в их отсутствии, однако с меньшей скоростью. Ко второму типу относятся технологии, не реализуемые без воздействия ультразвуковых колебаний (окислительно-восстановительные реакции; реакции между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков; цепные реакции в растворе, которые индуцируются веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости; реакции с участием макромолекул; инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых веществах; звукохимические реакции в неводных средах).

Источником ультразвуковых колебаний для реализации технологий являются резонансные ультразвуковые колебательные системы (УЗКС). Выбор типа и конструктивной схемы построения колебательной системы определяется реализуемой технологией, а также параметрами ультразвукового воздействия (частотой, интенсивностью, зоной воздействия и т.д.).

Опубликовано большое количество работ, посвященных вопросам проектирования и разработки колебательных систем, однако все они до настоящего времени выполняются по классической двухполуволновой конструктивной схеме, объединяющей полуволновые преобразователь и концентратор. Несмотря на существующие недостатки, отсутствуют исследования, направленные на создание новых конструктивных схем колебательных систем, нет достаточного систематизированного методологического подхода к проектированию и моделированию новых типов ультразвуковых колебательных систем, способных удовлетворить потребности современных химических технологий.

Цели исследования:

– повышение электроакустического КПД и увеличение ввода ультразвуковой энергии в обрабатываемые среды;

– обеспечение ввода энергии ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации и при интенсивностях до 500 Вт/см2;

– разработка новых конструктивных схем воздействия на технологические среды за счет совершенствования существующих и создания новых источников ультразвуковых колебаний, основанных на применении пьезоэлектрических колебательных систем, выполненных по полуволновой конструктивной схеме.

Задачами, соответствующими поставленным целям, являлись:

– на основании исследования процессов формирования и усиления ультразвуковых колебаний в полуволновых резонансных конструкциях различной формы разработка новых конструктивных схем пьезоэлектрических колебательных систем с увеличенной площадью формирования ультразвуковых колебаний и повышенным коэффициентом электромеханического преобразования;

– на основании теоретических и экспериментальных исследований разработка сменных рабочих инструментов различной формы и назначения: многофункциональные – для реализации различных технологий; оптимальные – для ввода ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации (до 20 Вт/см2) и создающие кавитационные потоки в увеличенной зоне воздействия; фокусирующие – для локализации ультразвукового воздействия повышенной интенсивности (до 500 Вт/см2);

– разработка и создание колебательных систем, выполненных по полуволновой конструктивной схеме, объединяющей пьезоэлектрический преобразователь и ступенчатоэкспоненциальный концентратор, имеющие массогабаритные характеристики, уменьшенных в 2 раза в сравнении с существующими; имеющих увеличенные прочностные характеристики применяемых элементов и электробезопасные системы охлаждения, обеспечивающих оптимальные температурные режимы работы;

– исследование особенностей применения созданных пьезоэлектрических колебательных систем в различных процессах и аппаратах химических технологий и выработка практических рекомендаций по обеспечению условий максимального поглощения энергии ультразвуковых колебаний в рабочих камерах;

– создание практических конструкций полуволновых пьезоэлектрических колебательных систем, сменных рабочих инструментов, рабочих камер для комплектации аппаратов химических технологий; экспериментальное подтверждение повышения эффективности различных процессов при помощи созданных колебательных систем.

Объект и методы исследования Объектом исследования являлись источники ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, предназначенные для интенсификации существующих и реализации новых процессов химических технологий. В качестве методов исследования использовались аналитический и экспериментальный методы. На базе экспериментов установлена адекватность и применимость метода конечных элементов для расчета, моделирования и оптимизации конструкций пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем.

Научная новизна:

– выработаны принципы и показаны пути повышения эффективности процессов химических технологий за счет совершенствования существующих и создания новых полуволновых пьезоэлектрических колебательных систем, улучшения условий ввода ультразвуковых колебаний в обрабатываемые среды и поглощения в них;

– предложена методика инженерного расчета, позволившая впервые создать пьезоэлектрические колебательные системы, выполненные по полуволновой конструктивной схеме, объединяющие пьезоэлектрический преобразователь и ступенчато-радиальный концентратор, заканчивающийся сменным инструментом различной формы и площади, обеспечившей уменьшение массогабаритных характеристик при одновременном повышении электроакустического коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента усиления;

– теоретически и экспериментально исследованы процессы усиления и ввода ультразвуковых колебаний в технологические среды через различные рабочие инструменты (цилиндрические, грибовидные, конусные, многоволновые резонансные, универсальные и др.), что позволило выработать общие критерии построения оптимальных по параметрам, сменных рабочих инструментов;

– впервые исследованы особенности влияния грибовидных рабочих инструментов на коэффициент полезного действия ультразвуковых аппаратов, выявлены зависимости формы грибовидных инструментов (угол обратного конуса) от площади излучающей поверхности, что позволило создать аппараты с КПД электроакустического преобразования более 80%.

Практическая ценность:

– показаны необходимость и возможность повышения эффективности процессов химических технологий, осуществляемых с применением ультразвуковых колебаний, путем повышения эффективности процессов формирования, ввода и поглощения ультразвуковой энергии за счет создания новых пьезоэлектрических колебательных систем, комплектации их многофункциональными инструментами и создания условий для повышения эффективности поглощения колебаний обрабатываемыми средами;

– впервые предложены, разработаны и исследованы малогабаритные колебательные системы, выполненные по полуволновой конструктивной схеме и объединяющие смещенные относительно центра пьезоэлектрические элементы, ступенчато-радиальный концентратор механических колебаний и сменные рабочие инструменты различной длины и формы и обеспечившие коэффициент электроакустического преобразования более 80% и введение в обрабатываемые среды ультразвуковых колебаний с амплитудой до 200 мкм и интенсивностью до 500 Вт/см2;

– для практической реализации различных процессов химических технологий выработаны общие принципы проектирования сменных рабочих инструментов разной длины, массы, формы и созданы: оптимизированные по форме грибовидные инструменты, обеспечившие вывод энергии ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации;

конусообразные, обеспечившие направленное действие и концентрацию энергии ультразвуковых колебаний в заданных зонах обработки; оптимизированные по длине резонансные инструменты, обеспечившие дополнительное усиление и передачу колебаний на значительные расстояния от колебательных систем;

– для повышения эффективности процессов, на основании проведенных исследований особенностей применения колебательных систем в различных условиях, предложены и разработаны специализированные технологические аппараты, предназначенные для повышения эффективности существующих и реализации новых технологий.

Реализация работы. Результаты работы использованы при создании ультразвукового технологического оборудования для интенсификации различных химико-технологических процессов на предприятиях в Российской Федерации, странах СНГ и за рубежом.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на научно-практической конференции «Прикладные аспекты совершенствования технологий и материалов» (г. Барнаул), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (г. Красноярск), на I Всероссийской научнопрактической конференции молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Москва), на юбилейной XI Всероссийской студенческой научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург), на Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2003-2004 (Novosibirsk), на II Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника – 2003» (г. Тула), на научно-практической конференции «Новые технологии и комплексное использование природных ресурсов Алтайского края для производства биологически активных добавок» (г. Бийск).

Положения, выносимые на защиту:

– методика инженерного расчета, позволившая создать новый тип полуволновых колебательных систем, объединяющих пьезоэлектрический преобразователь и концентратор, установить оптимальные размеры резонансной системы, что обеспечило максимальный коэффициент электромеханического преобразования и позволило установить оптимальные поперечные размеры и форму плавного перехода концентратора с максимальным коэффициентом усиления;

– результаты исследований сменных рабочих инструментов различных типов, позволившие разработать инструменты с резонансным размером более половины длины волны ультразвуковых колебаний; установить зависимости между собственной частотой колебательной системы и инструмента, которые позволяют обеспечить максимальную амплитуду колебаний рабочего окончания; инструменты с конусной излучающей поверхностью для усиления интенсивности колебаний в заданной зоне;

– способ установления резонансных рабочих частот колебательных систем с различными по величине излучающей поверхности сменными рабочими инструментами для управления (оптимизации) ультразвуковым воздействием на технологические процессы;

– результаты исследования эффективности ультразвуковых технологических процессов, реализуемых при помощи полуволновых колебательных систем с инструментами грибовидной формы, позволившие установить оптимальную форму рабочих инструментов различной площади и обеспечить повышение КПД электроакустического преобразования более 80%;

– экспериментальные результаты, подтверждающие повышение эффективности ультразвуковых процессов химических технологий, реализуемых созданными колебательными системами, рабочими инструментами и специализированными технологическими аппаратами (экстрактор, эмульгатор, стерилизатор-гомогенизатор, распылитель).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка литературы из 120 наименований и содержит 125 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывалась актуальность исследования, характеризуется степень изученности рассматриваемых проблем, формулируется тема исследования, определялись цели и задачи, теоретические и методологические основы исследования, элементы научной новизны и практической значимости работы.

Первый раздел посвящен анализу современного состояния ультразвуковых технологий и реализующих их аппаратов с целью выявления причин, ограничивающих применения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности для ускорения технологических процессов, и выявлению путей совершенствования и развития ультразвуковых технологических аппаратов.

В первой части рассмотрены различные процессы химических технологий, реализуемые или интенсифицируемые на практике за счет ввода в технологические среды механических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности. На примерах анализа известных процессов (экстрагирование, эмульгирование, диспергирование, гомогенизация, осуществление химических реакций в кавитационных пузырьках) показана высокая эффективность ультразвукового воздействия, обеспечивающего повышение скорости протекания процессов экстрагирования не менее чем в 100-10000 раз, повышение концентрации эмульсий не менее чем в 2 раза, получение сверхтонких суспензий с размерами частиц менее 1 мкм, мелкодисперсное распыление жидких сред различной вязкости.

Проведенный анализ реализуемых технологических процессов показал необходимость дальнейшего развития и совершенствования ультразвуковых технологий и позволил сформулировать направления этого развития:

– ускорение процессов и увеличение объемов обрабатываемых технологических сред с целью увеличения производительности процессов;

– обеспечение максимального эффекта ультразвукового воздействия с целью оптимизации энергетических затрат;

– увеличение доли энергии ультразвуковых колебаний, вводимых в обрабатываемые технологические среды, за счет повышения электроакустического КПД и повышения эффективности введения колебаний в суспензии и эмульсии через различные излучающие поверхности;

– создание оптимальных условий для поглощения энергии ультразвуковых колебаний в рабочих камерах и создание условий для реализации известных и осуществления новых технологических процессов.

Для реализации процессов химических технологий используются ультразвуковые технологические аппараты. Поэтому вторая часть посвящена анализу современного состояния ультразвуковых аппаратов, реализующих на практике различные процессы химических технологий.

В состав универсальных (или многофункциональных) и специализированных ультразвуковых аппаратов входят: электронный генератор, обеспечивающий преобразование энергии промышленной частоты в энергию высокочастотных электрических колебаний ультразвукового диапазона и предназначенный для электрического питания ультразвуковой колебательной системы;

колебательная система обеспечивает преобразование энергии электрических колебаний, поступающих от генератора, в упругие ультразвуковые колебания резонансной колебательной системы и ввод колебаний в технологические среды.

Ультразвуковая колебательная система является основным узлом любого технологического аппарата, поскольку обеспечивает не только формирование ультразвуковых колебаний, но и их усиление до величин, необходимых для реализации различных процессов при помощи резонансных концентраторов, а также ввод ультразвуковых колебаний в среды через различные по площади и форме излучающей поверхности рабочие инструменты.

Таким образом, необходимость повышения эффективности технологических процессов и анализ состояния современной ультразвуковой техники позволяют считать, что дальнейшее развитие ультразвуковых технологий возможно только за счет развития и совершенствования ультразвуковых технологических аппаратов. Это развитие и совершенствование может реализовываться на практике в двух направлениях – путем совершенствования электронных генераторов и путем развития и совершенствования ультразвуковых колебательных систем и оптимизации условий их применения.

Каждый из двух путей развития ультразвуковой техники реализуется независимо. Однако совершенствованию колебательных систем уделяется в настоящее время очень незначительное внимание. При этом существует распространенное мнение, что возможности совершенствования колебательных систем после перехода на пьезоэлектрические материалы и титановые сплавы практически исчерпаны.

Вместе с тем анализ функциональных возможностей современных технологических аппаратов с реализованными на практике ультразвуковыми колебательными системами показал, что дальнейшее совершенствование и развитие ультразвуковой технологий должно осуществляться только следующими путями:

– увеличением объемного ввода энергии ультразвуковой колебаний в обрабатываемые среды для увеличения скорости процессов и повышения выхода конечного продукта;

– обеспечением ввода ультразвуковых колебаний в режиме развитой кавитации для оптимизации процессов и реализации определенных химических реакций;

– повышением КПД процесса формирования ультразвуковых колебаний и ввода их в обрабатываемые технологические среды в системах жидкость – жидкость и жидкость – твердое тело.

Третья часть посвящена исследованию и анализу ультразвуковых колебательных систем с целью выявления причин, ограничивающих возможности повышения эффективности формирования и ввода ультразвуковых колебаний, а также поиску путей устранения выявленных недостатков и выработке предложений по созданию высокоэффективных систем формирования и ввода ультразвуковых колебаний.

Рассмотрение существующих колебательных систем показало, что практически все используемые в настоящее время в составе технологических аппаратов колебательные системы состоят из полуволнового электромеханического преобразователя, полуволнового концентратора ультразвуковых колебаний и рабочего инструмента заданной площади и формы (сменного или несменного), выполненного в виде рабочего окончания концентратора.

Как показал анализ применения различных колебательных систем при осуществлении разнообразных технологий, существует целый ряд общих недостатков, снижающих эффективность ультразвукового воздействия:

– недостаточный ввод энергии в обрабатываемые среды, обусловленный несовершенством ультразвуковых колебательных систем и инструментов;

– большие энергетические потери в ультразвуковых колебательных системах, вызывающие их нагрев и препятствующие осуществлению технологических процессов, особенно критичных к повышению температуры;

– малые объемы рабочих камер обрабатываемых сред, обусловленные невозможностью реализации области кавитации значительного размера;

– нерациональные по форме и размерам рабочие камеры, не обеспечивающие эффективного поглощения ультразвуковых колебаний и тем самым снижающие производительность технологического процесса.

Основная причина низкой эффективности существующих колебательных систем заключается в том, что двухполуволновая конструктивная схема (полуволновой преобразователь, соединенный с полуволновым резонансным концентратором) имеет основной существенный недостаток, заключающийся в том, что преобразователь и концентратор являются резонансными системами, согласованными по частоте. При совпадении их резонансных частот обеспечивается максимальная амплитуда ультразвуковых колебаний рабочего инструмента и, соответственно, максимальный ввод ультразвуковой энергии в обрабатываемые среды. При реализации технологических процессов рабочий инструмент и часть концентратора погружаются в различные технологические среды. Эти среды оказывают различное демпфирующее действие на колебательную систему, изменяя собственную резонансную частоту концентратора и всей колебательной системы в целом. При этом нарушается частотное согласование преобразователя и концентратора с рабочим инструментом.

Рассогласование приводит к уменьшению амплитуды колебаний рабочего инструмента и, следовательно, уменьшению ультразвуковой энергии, вводимой в среды. Зная это, разработчики ультразвуковых аппаратов осуществляли проектирование и изготовление колебательных систем только для реализации определенных технологических процессов (или небольшого диапазона процессов, осуществляемых в одинаковых средах, т.е. с известной акустической нагрузкой) путем предварительного рассогласования преобразователя и концентратора.

Это существенно ограничивало области применения ультразвуковых технологий и во многих случаях является недостаточным, поскольку в ходе технологических процессов происходит изменение величины акустической нагрузки (например, при экстрагировании происходит набухание и изменение дисперсности обрабатываемой среды) и снижается эффективность ввода ультразвуковых колебаний.

Проблема усугубляется необходимостью оптимального согласования волновых сопротивлений жидких сред с твердыми пьезокерамическими материалами преобразователей. Для оптимального согласования коэффициент усиления колебательной системы должен составлять 12-17. Столь высокий коэффициент усиления можно получить только ступенчатыми концентраторами. Но они усугубляют зависимость собственной резонансной частоты от нагрузки, требуют малого по диаметру выходного сечения при значительной длине (соответствующей четверти длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора), что приводит к потере динамической устойчивости и появлению изгибных колебаний. По этой причине используемые на практике колебательные системы выполняются с коэффициентом усиления не более 3-5, что делает их малопригодными для осуществления процессов в кавитационных режимах.

Анализ различных конструктивных схем преобразователей, концентраторов и рабочих инструментов позволил установить, что большая часть принципиальных ограничений, присущих двухполуволновой конструктивной схеме колебательной системы, может быть устранена применением колебательных систем, объединяющих в полуволновой конструктивной схеме пьезоэлектрический преобразователь и концентратор с высоким коэффициентом усиления.

Выполненная по такой конструктивной схеме система является единой резонансной колебательной системой, и все изменения ее параметров приводят только к рассогласованию с электронным генератором.

Такие колебательные системы не получили распространения из-за невозможности их реализации на основе использовавшихся до последнего времени магнитострикционных преобразователей и сложности практической реализации на основе современных пьезокерамических элементов. Это обусловлено необходимостью размещения пьезоэлементов в максимуме механических напряжений, а также отсутствием электронных генераторов, способных обеспечить оптимальные режимы питания такой колебательной системы при всех возможных изменениях ее резонансной частоты (в диапазоне от 3 кГц до 5 кГц). По этим причинам исследование технических характеристик и функциональных возможностей таких систем не проводилось, отсутствуют методики их расчета и проектирования, отсутствует опыт их применения для реализации технологических процессов.

Развитие ультразвуковых колебательных систем, выполненных по полуволновой конструктивной схеме, при наличии современных высокопрочных и высокодобротных пьезокерамических элементов, а также при современном уровне развития электронных генераторов, перестраиваемых в широких пределах с заданной скоростью и по определенным алгоритмам, является одним из наиболее эффективных путей дальнейшего развития процессов химических технологий и реализующих их технологических аппаратов.

Во втором разделе рассмотрены колебательные системы, построенные по полуволновой конструктивной схеме, предложена методика расчета основных параметров и обоснована методика проектирования, разработки и моделирования колебательных систем для реализации заданных процессов.

В первой части рассмотрена предложенная ультразвуковая колебательная система (рисунок 1), предназначенная для интенсификации технологических процессов, протекающих в эмульсиях и суспензиях.

Подобная система совмещает электромеханический преобразователь, трансформатор упругих колебаний – концентратор, оканчивающийся рабочим инструментом с излучающей поверхностью, характеризующейся определенной заданной формой и площадью.

Ультразвуковая колебательная система содержала корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2, выполняющую функцию акустической развязки, в узле смещений закреплена колебательная система, состоящая из отражающей металлической накладки 3, пьезоэлектрических элементов 4, к электродам которых через соединительный кабель подается электрическое возбуждающее напряжение, излучающей металлической накладки 5. Рабочий инструмент 6 выполняется сменным. Ультразвуковая колебательная система представляет собой ступенчато- экспоненциальную конструкцию, состоящую из трех основных участков:

двух цилиндрических (длиной l1 и l2) и одного экспоненциального (длиной lz).

Пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным участком и торцом отражающей накладки. Выбор такой конструктивной схемы обусловлен необходимостью получения большого коэффициента усиления (как у ступенчатого концентратора) и наилучшего согласования с обрабатываемой средой (как у экспоненциального концентратора).

1 – корпус; 2 – акустическая развязка; 3 – отражающая металлическая накладка; 4 – пьезокерамические элементы; 5 – излучающая металлическая накладка;

6 – рабочий инструмент; l1 – длина цилиндрического участка большего диаметра; lz – длина участка с плавным переходом; l2 – длина цилиндрического участка меньшего диаметра Рисунок 1 – Конструктивная схема полуволновой пьезоэлектрической ультразвуковой На основании предложенной полуволновой конструктивной схемы осуществилась разработка различных практических конструкций ультразвуковых колебательных систем, предназначенных для комплектации разнообразных аппаратов и имеющих различные пьезокерамические элементы (внутренний и внешний диаметр, толщина, тип пьезоматериала), отличающихся разными сечениями цилиндрического участка концентратора, разными рабочими инструментами. В обобщенном виде колебательная система с основными геометрическими размерами показана на рисунке 2.

l3 – длина цилиндрического участка диаметром D2 (материал m2); l4 – ширина узла крепления колебательной системы в корпусе; Dу – диаметр пояска крепления; lу – ширина пояска крепления; lpass – длина отражающей пассивной накладки (материал m1) диаметром D1; lp – толщина пакета пьезоэлектрических элементов (материал mp); lz – длина экспоненциального Рисунок 2 – Схема полуволновой ультразвуковой колебательной системы с основными Во второй части рассматривается предложенная и разработанная методика расчета основных размеров полуволновых ультразвуковых колебательных систем. Методика расчета выполнялась в несколько этапов.

Исходя из результатов предварительных экспериментов и литературных данных об аналогичных процессах, на первом этапе определялись необходимые параметры ультразвукового воздействия: резонансная частота f, амплитуда колебаний излучающей поверхности, количество вводимой акустической мощности Рак, необходимой и достаточной для осуществления процесса. По этим параметрам рассчитывалась интенсивность излучения I, причем для эффективного воздействия на различные технологические среды (водные, спиртовые, масляные, органические растворители) в режиме развитой кавитации интенсивность должна лежать в диапазоне от 10 Вт/см2 до 15 Вт/см2. Далее определялся коэффициент усиления МР колебательной системы. На втором этапе, с учетом характеристик обрабатываемой среды, выбирались материалы концентратора и рабочего инструмента. Для слабоагрессивных сред применялись сплавы 40Х13, 30ХГСА и подобные им стали. Для агрессивных сред – сталь 12Х18Н10Т и подобные ей, а также титановые сплавы. Отражающая частотнопонижающая накладка выполнялась из углеродистых сталей обычного качества, например, сталь 45. Для построения колебательной системы применялись пьезокерамические материалы с высокими значениями добротности, высокой температурой Кюри, повышенными значениями пьезомодулей, а также низким значением тангенса диэлектрических потерь при высоких напряжениях. Наиболее пригодными для построения колебательных системы являлись разработанные в последние годы пьезоматериалы, например ПКР-8М, ЦТС-23 и АРС-841 и тому подобные.

На третьем этапе определялись диаметры цилиндрических участков. Значение D принималось равным: 10-12 мм при акустической мощности до 150 Вт; 14-15 мм при акустической мощности до 250 Вт; 18 мм при акустической мощности до 400 Вт; 20 мм при акустической мощности до 600 Вт. Значение D1 определялось с учетом коэффициента усиления. По полученному значению D1 выбирались пьезоэлектрические элементы (толщина lпьезо и тип материала mпьезо).

На четвертом этапе определялись длины цилиндрических и экспоненциального участков УЗКС, а именно:

определялось как где z изменяется в пределах от 0 до lz.

На пятом этапе определялись геометрические размеры узла крепления ультразвуковой колебательной системы в корпусе. Размер lу зависел от величины осевой нагрузки на излучающую поверхность рабочего инструмента. Он принимался равным l4/2. По параметрам пояска крепления определялась эквивалентная длина На этом же этапе определялся размер задней отражающей накладки lpass из материала m На шестом этапе определялось значение выходного цилиндрического участка l концентратора ультразвуковой колебательной системы с учетом геометрических размеров и типа рабочего инструмента В результате последовательного выполнения всех этапов были рассчитаны основные конструктивные размеры колебательной системы.

Предложенная и разработанная методика расчета не учитывала изменений внутренних диаметров пьезокерамических колец, различий в моментах предварительного сжатия пьезоэлементов, необходимости выполнения различных технологических элементов, крепежных узлов на колебательной системе, различий в резьбовых соединениях, а также условий крепления колебательной системе в рабочей камере. Изготовление практических конструкций и измерение их параметров сложно и дорого, поэтому сконструированная и рассчитанная колебательная система исследовалась посредством расчета и моделирования, обеспечивающими проверку полученных результатов.

Третья часть посвящена расчету и моделированию полуволновых пьезоэлектрических колебательных систем. Для этих целей использован метод конечных элементов, реализуемый прикладным программным продуктом ANSYS 8.1. Модель колебательной системы с учетом результатов инженерного расчета создавалась посредством системы автоматизированного проектирования, например КОМПАС 6.1. Далее производился расчет с учетом влияния всех факторов. Определялись основные параметры колебательной системы: собственная резонансная частота, коэффициент усиления, значение и распределение внутренних механических напряжений, распределение колебаний излучающей поверхности рабочего инструмента. С учетом результатов в первоначальную модель при необходимости вносились соответствующие изменения и поправки.

Проведен расчет различных ультразвуковых колебательных систем с разным диаметром выходного участка концентратора при замене экспоненциального перехода радиальным. Радиус варьировался в пределах от R0 до 2,5R0, где R0 4l z ( D1 D2 ). Такая замена обусловлена технологической простотой изготовления плавного радиального перехода и улучшением основных параметров ультразвуковой колебательной системы. Полученные результаты представлены в виде зависимостей на рисунке 3. Расчет проводился для различных значений диаметра торца концентратора – от 10 мм до 18 мм (показаны различными графиками).

Рисунок 3 – Изменение собственной резонансной частоты f (а), коэффициента усиления Mp (б) и Анализ результатов расчета показал целесообразность замены экспоненциального перехода радиальным, позволил установить оптимальный радиус плавного перехода, равный 1,1-1,2R0. Уменьшение частоты обусловливалось погрешностью расчета и моделирования (не более 4%) и компенсировалось путем введения поправочных коэффициентов на четвертом этапе инженерного расчета при вычислении значений l1, l2, lz.

В завершающей части представлены результаты проектирования и моделирования практических конструкций колебательных систем, созданных для реализации различных процессов и комплектации многофункциональных и специализированных технологических аппаратов.

В третьем разделе рассмотрен процесс ввода энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемые среды через различные по площади и форме рабочие инструменты и проектирования рабочих инструментов для созданных полуволновых колебательных систем.

Первая часть посвящена проектированию и разработке излучающего инструмента.

Рабочий инструмент по отношению к концентратору рассматривался как дополнительная масса, присоединенная к выходному торцу и понижающая резонансную частоту концентратора.

Используя равные по массе рабочие инструменты, можно расширить функциональные возможности разрабатываемого ультразвукового оборудования, т.е. интенсифицировать различные процессы (экстракция, диспергирование, эмульгирование) посредством одной ультразвуковой колебательной системы.

Для проектирования разных по массе рабочих инструментов получена аналитическая зависимость между рабочей частотой ультразвуковой колебательной системы и площадью рабочей поверхности используемого инструмента где a LфCф ( AS И 4U1 ) ;

Во второй части показано, что оптимальным инструментом для воздействия на эмульсии и суспензии являлся рабочий инструмент грибовидной формы. Он представлял собой усеченный конус, схематично показанный на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема грибовидного рабочего инструмента для воздействия на эмульсии и Диаметр излучающей поверхности выбирается из соображения обеспечения равномерного поршневого движения на излучающей поверхности. Необходимыми и достаточными условиями для создания поршневых колебаний (соответственно и для создания одинаковой интенсивности излучения) на излучающей поверхности является выполнение условий (am/)0,25 и 1,5(am/D2)1,8. Угол раскрытия конуса 2 выбирается из условия обеспечения максимального вывода энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемую среду при наибольшем КПД электроакустического преобразования.

Применение конусообразных и сферических окончаний рабочих инструментов позволяет фокусировать ультразвуковое воздействие в определенной локальной области обрабатываемого объема. В третьей части главы рассматриваются вопросы разработки рабочих инструментов с фокусирующей поверхностью. Они позволяют реализовать процесс высокоамплитудной очистки продольных каналов малого сечения. На рисунке 5 представлена схема ультразвукового оборудования для очистки автомобильного инжектора.

Рисунок 5 – Схема ультразвукового оборудования с фокусирующим грибовидным инструментом для высокоамплитудной ультразвуковой На излучающей поверхности рабочего инструмента колебательной системы выполняется сферическое углубление в основании радиусом am/2 с углом раскрытия 2ф. Автомобильный инжектор устанавливается от торцевой поверхности инструмента на расстоянии L, определяемом из условия В ряде случаев необходимо транспортировать энергию ультразвуковых колебаний при проведении технологических процессов, имеющих значительные геометрические ограничения (например, при мойке глубоких отверстий, ультразвуковой липосакции – эмульгировании подкожно-жировой ткани, растворении радиоактивных солей). Для решения подобных задач в четвертой части главы предложены рабочие инструменты, имеющие продольный размер, кратный половине длины волны создаваемых колебаний с учетом поправочных коэффициентов. Введение поправочных коэффициентов обусловлено необходимостью оптимального согласования активного рабочего инструмента с ультразвуковой колебательной системой и обеспечило повышение амплитуды колебаний излучающей поверхности рабочего инструмента не менее чем на 20-30%. Практическая реализация предложенного технического решения позволила создать рабочие инструменты длиной 115 мм (0,55), 240 мм (1,1) и мм (1,6). При этом рабочие инструменты выполнялись с внутренними каналами для подачи компонентов технологического процесса или удаления полученного конечного продукта.

Отличительной особенностью инструментов явилось выполнение рабочих инструментов с различными рабочими окончаниями (рисунок 6).

Рисунок 6 – Рабочие окончания активных рабочих инструментов Применение рабочих окончаний различной формы позволило сфокусировать ультразвуковое воздействие на расстоянии до 10 мм от торца излучающей поверхности (за счет внутреннего конуса), увеличить излучающую поверхность и, следовательно, количество вводимой ультразвуковой энергии (за счет сферической внешней поверхности).

В завершающей части рассмотрены вопросы присоединения рабочего инструмента к выходному участку концентратора. Применение резьбовых соединений позволило передавать колебания высокой амплитуды на излучающую поверхность рабочего инструмента и одновременно ускорило замену рабочего инструмента. Для обеспечения достаточного акустического контакта сопрягаемые поверхности выполняли шероховатостью класса 1,25-0,8.

Для исключения ослабевания резьбовых соединений используются метрические резьбы с мелким шагом (от 0,5 до 1). Диаметр метрической резьбы М выбирали из условия M(0,5D2. Это предотвратило механическое разрушение рабочего инструмента, а именно, отрыв резьбового окончания от торцевой присоединительной поверхности.

В четвертом разделе рассмотрены особенности применения разработанных ультразвуковых колебательных систем и инструментов на примере функциональных возможностей серии малогабаритных ультразвуковых аппаратов.

В первой части исследованы энергетические характеристики ультразвуковых технологических аппаратов, построенных на базе разработанных колебательных систем. Энергия ультразвуковых колебаний, вводимых в различные технологические среды, измерялась калориметрическим методом в соответствии с требованиями действующей нормативной документации.

Потребляемая всем технологическим аппаратом и колебательной системой электрическая энергия измерялась на специально разработанном стенде, учитывающем импульсный характер потребления электрической энергии. Частота ультразвукового воздействия измерялась на стенде со специально разработанными пьезоэлектрическими приемными преобразователями с точечным контактом. Амплитуда колебаний измерялась на специально разработанном стенде, реализующем вариант стробоскопического метода.

В результате исследований и измерений было подтверждено значительное повышение эффективности ультразвуковых технологических аппаратов за счет применения созданных колебательных систем и инструментов. Так, максимальный КПД электроакустического преобразования при воздействии на водную среду был увеличен с 40-45% до 82-85%, при воздействии на масляные среды был увеличен с 20-35% до 70-74%. При этом интенсивность ультразвуковых колебаний составляла не менее 10 Вт/см2 для масляных сред и не менее 20 Вт/см2 для водных, обеспечивая тем самым оптимальное воздействие в режиме развитой кавитации. Амплитуда колебаний (в зависимости от подводимой мощности, коэффициента усиления и типа рабочего инструмента) достигала 150-200 мкм.

Во второй части рассмотрены вопросы увеличения эффективности ультразвуковых технологических аппаратов за счет оптимизации размещения колебательных системы по отношению к обрабатываемым средам и создания условий максимального поглощения энергии ультразвуковых колебаний средами рабочей камеры.

Эффективность разработанного оборудования в сравнении со стандартным ультразвуковым оборудованием УЗГ-0,4 подтверждена результатами экстрагирования, представленными в таблицах 1 и 2. В качестве исходных веществ выступали хмель, корень валерианы. В качестве экстрагента – водно-спиртовые растворы. Сравнение осуществлялось по процентному содержанию сухого остатка и содержанию альфа-кислоты в экстракте хмеля, содержанию валериановой кислоты в экстракте корня валерианы. В качестве образцов принимались результаты контрольных опытов (мацерация и кипячение) и требования Госфармакопеи (рисунки 7, 8).

Рисунок 7 – Кинетика процесса экстракции альфа-кислоты из хмеля Рисунок 8 – Кинетика процесса экстракции валериановой кислоты из корня валерианы Таблица 1 – Результаты экстракции сухого хмеля методом мацерации, кипячением и посредством ультразвукового воздействия Таблица 2 – Результаты экстракции корня валерианы методом мацерации и посредством ультразвукового воздействия В случае экстракции валериановой кислоты из валерианового корня скорость процесса возросла на 2 порядка, а в случае экстракции альфа-кислоты из хмеля возросла в на 3 порядка.

При этом выход полезных веществ (по сухому остатку и по количеству извлекаемых компонентов) увеличился на 7-10%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполнения исследовательской работы были получены следующие результаты:

– предложена и разработана новая полуволновая колебательная система, совмещающая пьезоэлектрический преобразователь, ступенчато-радиальный концентратор с рабочим инструментом, обеспечившая повышение электроакустического КПД до 80%, увеличение площади формирования и излучения ультразвуковых колебаний при коэффициенте усиления ультразвуковых колебаний не менее 12-15 и оптимальном согласовании с волновыми характеристиками обрабатываемых сред;

– разработаны и исследованы сменные рабочие инструменты для ультразвуковых колебательных систем. Определены их оптимальные конструктивные размеры грибовидных, фокусирующих и резонансных рабочих инструментов;

– предложен и практически реализован способ установления резонансных рабочих частот колебательных систем с различными по величине излучающей поверхности и массе сменными рабочими инструментами;

– предложена и разработана методика инженерного расчета, обеспечившая определение необходимых геометрических размеров для проектирования колебательных систем различного технологического назначения. Использован метод конечных элементов для расчета основных параметров проектируемых систем (рабочей частоты, амплитуды колебаний, распределения колебаний и механических напряжений) Расчетные и экспериментальные результаты совпадают с точностью до 4%;

– созданы практические конструкции полуволновых пьезоэлектрических колебательных систем, сменных рабочих инструментов, рабочих камер для комплектации аппаратов химических технологий, экспериментально подтверждено повышение эффективности различных процессов (экстракции, эмульгирования, дегазации), при помощи разработанных колебательных систем.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Cф – емкость пьезоэлементов, Ф; с1, с2 – скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок, м·с-1; спьезо – скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале пьезоэлектрического элемента, м·с-1; I – интенсивность ультразвуковых колебаний, Вт·см-2; KИЗГ – коэффициент изгибных колебаний, определяемый геометрическими размерами и формой рабочего инструмента; k1 – постоянная величина, определяемая параметрами пьезоэлементов колебательной системы; Lф – индуктивность дросселя, Гн; lпьезо – толщина пьезоэлектрического элемента, м; n1, n2 – безразмерные коэффициенты; Rф – активное сопротивление корректирующего фильтра, включающего ультразвуковую колебательную систему, Ом; rинж – диаметр распылительного отверстия очищаемого инжектора, м; SИ – площадь излучающей поверхности инструмента, м2; V – объем рабочего инструмента, м3; U1 – напряжение на обкладках пьезоэлектрических элементов, В; 2 – угол раскрытия конуса грибовидного рабочего инструмента; 2ф – угол раскрытия сферического углубления фокусирующего рабочего инструмента, град.; – резонансная длина в материале ультразвуковой колебательной системе, м; =2f – рабочая частота ультразвуковой колебательной системы, рад./с.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Пути совершенствования ультразвуковых технологий и создание аппаратуры для их реализации // Прикладные аспекты совершенствования технологий и материалов: сборник материалов научно-практической конференции. – Барнаул: АлтГТУ, 1997. – С. 66-71.

2. Пат. 2141386 РФ, МПК6 B 06 B 3/00. Ультразвуковая колебательная система / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – №97120873; Заявл. 15.12.97; Опубл. 20.11.99, Бюл. №32. – 7 с.: ил.

3. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Применение ультразвуковых колебаний для интенсификации технологических процессов // Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов: сб. тез. докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: В 3-х частях. – Красноярск: КГТУ, 1999. ч.2. – С.192-193.

4. Пат. 2131794 РФ, МПК6 В 23 B 37/00. Способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – №98105730; Заявл. 26.03.98;

Опубл. 20.06.99, Бюл. №13. – 4 с.: ил.

5. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Развитие ультразвуковых технологий, разработка, исследование многофункциональных и специализированных ультразвуковых аппаратов: Ползуновский альманах. – 2000. – №3. – С.193-200.

6. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковая колебательная система // Материалы и технологии XX I века: тезисы докладов I Всероссийской научнопрактической конференции молодых ученых. – М.: ЦЭИ «Химмаш», 2000. – С.230-232.

7. Хмелев В.Н., Верещагин А.Л., Егорова Е.Ю., Степанова Н.В., Цыганок С.Н.

Оптимизация процесса экстракции гуминовых кислот и минеральных солей из низинного торфа // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: материалы Юбилейной XI Всероссийской студенческой научной конференции. – Екатеринбург: УрГУ, 2001. – С.47.

8. Khmelev V.N., Khmelev M.V., Lebedev A.N, Savin I.I., Steer V.N., Tsyganok S.N. Designing of Ultrasonic Oscillation Systems for Technological Devices // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials: Workshop Proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2003. – P. 205-208.

9. Хмелев В.Н., Лебедев А.Н., Цыганок С.Н. Автоматизированное проектирование ультразвуковых колебательных систем // Известия Тульского государственного университета:

избранные труды участников Второй международной электронной научно-технической конференции. – Тула: ТулГУ, 2003. – С. 14-18.

10. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Левин С.В., Сливин А.Н., Хмелев М.В., Цыганок С.Н Малогабаритный ультразвуковой экстрактор // Новые технологии и комплексное использование природных ресурсов Алтайского края для производства биологически активных добавок:

материалы научно-практической конференции. – Бийск: АлтГТУ, 2003. – С. 143-150.

11. Khmelev V.N., Barsukov R.V., Khmelev M.V., Tsyganok S.N. Ultrasonic installation for regeneration of cutting emulsion // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials: Workshop Proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2004. – P. 194-196.

12. Пат. 2239383 РФ, МПК7 А 61 B 18/00 17/32. Ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – №2002135760;

Заявл. 30.12.02; Опубл. 10.11.04, Бюл. №31. – 1 с.

13. Пат. 2243039 РФ, МПК7 В 08 B 3/12. Устройство ультразвуковой очистки автомобильных инжекторов / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Хмелев М.В., Цыганок С.Н.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – №2003104703; Заявл. 27.02.03; Опубл. 27.12.04, Бюл. №36. – 3 с.

14. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Лебедев А.Н., Цыганок С.Н. Полуволновые пьезоэлектрические ультразвуковые колебательные системы // Электронный журнал http://www.webcenter.ru/~eeaa/ejta/rus/content2005rus.shtml.