Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

идля низкотемпературной сушки термочувствительных

илегкоокисляющихся мате­ риалов. Газоструйный излу­ чатель ГСИ-4 состоит из дер­ жателя со стержнем, сопла и резонатора, которые образу­ ют систему, генерирующую акустические колебания в га­ зовой среде. Держатель имеет ряд сквозных отверстий для прохода рабочего (сжатого) воздуха, который подается

Возникающее при этом периодическое изменение дав­ ления в струе вытекающего газа и служит источником акустических колебаний. Для создания направленного пучка акустических волн применяется параболический рефлектор, крепящийся на держателе винтами. В ре­ зультате простоты и надежности конструкции излучатель удобен в работе.

Техническая характеристика ГСИ-4: мощность акусти­ ческая 1500 Вт; расход воздуха 160 нм3/ч; частота 6,5 кГц; избыточное давление 3—3,5 кгс/см2; к. п. д. 30%; диаметр фланца 250 мм; длина излучателя 200 мм; масса

2 кг.

Газоструйный излучатель ГСИ-5 представляет собой модифицированный вариант излучателя ГСИ-4, в котором сохранены все безразмерные параметры, но в 3 раза умень­ шен диаметр сопла. Расход воздуха при этом уменьшился в 9 раз и примерно во столько же раз снизилась акустиче­ ская мощность. На частоте 18,2 кГц при расходе воздуха 0,26 м3/мин можно получить акустическую мощность около ПО Вт. К. п. д. излучателя составляет 26% [20]. Использование рефлектора для создания однонаправлен­ ного излучения приводит к заметному повышению интен­ сивности звука по оси и к. одновременному уменьшению акустической мощности в 2—2,5 раза. Поэтому для полу­ чения более высокого к. п. д. ГСИ-5 рекомендуется при­ менять неглубокие рефлекторы.

Статические сирены, как и динамические, делятся на сирены, работающие с разбавлением озвучаемой средьі^

. '' г ■ ■’ - с;17 І

рабочим воздухом (газом), и сирены, работающие без разбавления озвучаемой среды. В некоторых технологи­ ческих процессах разбавление озвучаемой среды воздухом (газом) нежелательно, например, может заметно снизиться скорость коагуляции из-за уменьшения частичной кон­ центрации аэрозоля, измениться температурный режим процесса. При работе с гигроскопическими продуктами разбавление аэрозоля влажным воздухом, питающим излучатель, может привести к ухудшению его качества.

Для того чтобы исключить возможность разбавления воздухом озвучаемой среды, отработанный воздух после излучателя отсасывают из озвучиваемой зоны эксгаусте­ ром, что приводит к излишнему расходу энергии. Поэтому используют другой способ — излучатель и озвучаемую среду разделяют мембраной, которая передает звуковые колебания и задерживает воздушный (газовый) поток. Однако даже очень тонкие мембраны (30—50 мк) пропу­ скают всего 30—50% акустической энергии, в результате чего к. п. д. излучателя снижается в 2—3 раза [66].

В современных конструкциях газоструйных излучате­ лей предусмотрен отвод рабочего воздуха (газа), вытекаю­ щего из сопла излучателя без дополнительных устройств. Так, например, в газоструйном излучателе ГСИ-4 близкое расположение резонансной камеры к соплу приводит к сильному повороту вытекающей струи воздуха, в резуль­ тате чего она начинает двигаться вдоль сопла назад. Таким образом, воздух отводится из рефлектора через отверстия в корпусе излучателя [19].

В некоторых технологическиях процессах (например, коагуляция аэрозолей) можно применить импульсный метод работы газоструйного излучателя. При этом коагу­ ляция происходит более эффективно, чем при непрерыв­ ной работе излучателя. Основные параметры, определя­ ющие работу импульсных излучателей,— длительность импульса, форма импульса, период повторения и скваж­ ность. С энергетической точки зрения важной характери­ стикой является не только мгновенное значение мощности в импульсе Ри, но и средняя составляющая Рср за период

повторения, так как от этой величины зависит к. п. д. излучателя.

Для импульса прямоугольной формы средняя мощность определяется уравнением

18

где Ртах — максимальная мощность; ти — длительность

импульса; Г — период повторения импульсов; Q = —

скважность.

Отсюда следует, что при озвучивании импульсами затрачиваемая энергия в Q раз меньше, чем при непрерыв­ ном озвучивании. Следовательно, можно предположить, что импульсный метод позволяет повысить к. п. д. газо­ струйных излучателей при коагуляции аэрозолей. Озвучи­ вание целесообразно производить с наиболее высокой частотой повторяемости импульсов. Поскольку мощность колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, озву­ чивание целесообразно производить короткими импуль­ сами, амплитуда которых должна быть значительно больше, чем при непрерывном режиме.

Задаваясь определенными параметрами импульса и допустимым перепадом давления, можно рассчитать необ­ ходимый объем ресивера и производительность компрес­ сора для газоструйного излучателя, работающего в им­ пульсном режиме [176]. Общий энергетический к. п. д. установки при работе излучателя в импульсном режиме значительно больше, чем при непрерывном излучении, так как в первом случае расходуется в Q раз меньше воз­ духа (газа) и достигается примерно такой же эффект зву­ кового воздействия на технологический процесс.

Гидродинамические излучатели* В последние годы для интенсификации процессов гомогенизации (смешивания), эмульгирования и других в промышленности начали использовать акустические гидродинамические излучатели различных конструкций. Они просты по устройству, дешевы и позволяют обрабатывать большие объемы жид­ кости. В гидродинамических излучателях акустические колебания возникают в результате механической энергии струи жидкости.

На практике наибольшее распространение получили гидродинамические излучатели с пластинчатыми или стержневыми резонансными колебательными устройствами, а также вихревые и роторные излучатели [35]. Пластин­ чатые и стержневые излучатели работают по принципу резонансных колебаний пластин или стержней от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла. Струя, попадая на пластину или стерлзень, срывается, в результате чего возникают вихри. Изменяющееся давление в зоне вихрей порождает звуковые волны определенной частоты. Если

19

подобрать размеры пластины или стержня такими, чтобы их резонансные частоты совпадали с частотой следования вихрей, то интенсивность генерируемых звуковых коле­ баний намного увеличится. При совпадении собственных частот струи и пластины в излучателе возникнет резонанс колебаний.

Частоту генерирования пластинчатого излучателя можно определить по формуле

где V — скорость струи в зоне пластины в см/с; h — рас­ стояние от щели до края пластины в см; ф — универсаль­ ный коэффициент; b — ширина сопла в см.

Основные элементы пластинчатого излучателя — сопло и резонансная пластина. Сопло служит для плавного перехода жидкости из круглого сечения в плоское (щель). Сопла изготовляются из эрозионно- и коррозионностой­ ких материалов. Наиболее изнашивающиеся части состав­ ных сопел могут быть сделаны из пластмассы. Резонанс­ ные пластины изготовляют из материалов с максимальным модулем упругости (титан, сталь У7 и т. п.). Пластины могут крепиться консольно, в двух узловых точках и в центре. Собственная частота колебаний пластин зависит от их формы, размеров, способа крепления, свойств мате­ риала и т. п. При креплении пластины консольно или в центре ее. собственную частоту можно вычислить по формуле

/ = 0,162 А j / f ,

где I — длина пластины в см; d — длина заточки пластины в см; Е — модуль Юнга в дин/см2; р — плотность мате­ риала пластины в г/см3.

В стержневых излучателях сопло изготовляется в виде конической насадки с круглым выходным отверстием, против которого расположен отражатель. Резонансную частоту колебаний стержня с консольным закреплением можно определить из выражения

Гидродинамические излучатели могут быть много­ стержневыми. Принцип их действия основан на возбу­ ждении веерообразной струей расположенных вокруг

20

щую среду.

Многостержневой гидродинамический излучатель АГА, разработанный Всесоюзным научно-исследовательским и экспериментально-конструкторским институтом продо­ вольственного машиностроения (ВНИИЭКИПРОДМАШем), предназначен для создания акустических коле­ баний в водной среде с целью получения высокодисперс­ ных эмульсий и гомогенизации смесей (рис. 4). Излуча­ тель позволяет получить звуковые колебания высокой интенсивности, отличается устойчивостью в работе и отсутствием застойных зон. Излучатель АГА нашел ши­ рокое применение для получения масловодных и жировых эмульсий.

Вихревые излучатели работают на принципе срыва вихрей и образования звуковых волн за счет импульсов давления, возникающих при захлопывании кавитацион­ ных пузырьков. Срывающиеся вихри являются источ­ никами кавитации. Кавитационные пузырьки в области вихря пульсируют с частотой, которую можно определить по формуле Смита:

зырек, в дин/см2; р — плотность среды в г/см3. Роторные излучатели тоже основаны на принципе

возникновения пульсации давлений при вращении ро­ тора и быстром чередовании совмещений и несовмещений

21

щелей (прорезей) или отверстий ротора и статора. Наи­ большее распространение получили роторные преобразо­ ватели, имеющие в роторе и статоре щели прямоугольной формы. Частота пульсаций роторного излучателя зависит

от количества щелей (прорезей) и скорости вращения ро­ тора

f = tiN,

где п — скорость вращения ротора в об/с; N — число щелей (прорезей).

Роторные излучатели могут быть с изменяющейся скоростью вращения ротора, что позволяет подбирать наиболее выгодный режим работы для определенного технологического процесса.

Практическое применение на промышленных пред­ приятиях получили гидродинамические пластинчатые уст­ ройства типа УГУ-П со вторичным акустическим резона­

(рис. 5, а) элемент, излучающий ультразвук, представляет собой акустический резонатор, внутрь которого вмонти­ рован гидродинамический излучатель с пластинчатым колебательным элементом. Излучатель имеет сопло, обес­ печивающее плавный переход круглого сечения вводной трубы в щелевидное отверстие. Против сопла жестко закрепляется изготовленная из титана пластина, служа­ щая необтекаемым препятствием для упругой, плоской струи жидкости, вытекающей из сопла.

В гидродинамическом устройстве типа УГУ-В (рис. 5, б) элемент, излучающий ультразвук, представляет собой цилиндрическую камеру с несколькими тангенциально расположенными вводами на боковой ее поверхности, переходящую в камеру с меньшим (в 4—8 раз) диаметром. Устройство имеет корпус цилиндрической формы, в торце которого введен патрубок для подачи жидкости.

В гидродинамическом устройстве типа УГУ-Р (рис. 5, в) элемент, излучающий ультразвук, представляет собой неподвижную часть — статор, имеющий форму усечен­ ного конуса, по всей поверхности которого равномерно расположены щелевидные отверстия. В нижней части статора расположен патрубок для подачи жидкости. На конусную часть статора с небольшим зазором надет

ротор по форме, числу щелей и их размерам аналогичный статору.

22