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

Рис. 5. Гидродинамические излучатели:

Применение гидродинамических устройств дает воз­ можность получить эмульсии и суспензии с размером частиц около 1 мкм, снизить расход стабилизирующих добавок, обеспечить хороший контакт между компонен­ тами при гомогенизации и массообмене. В табл. 1 даны технические характеристики гидродинамических излуча­ телей.

Широкое применение ультразвуковые гидродинамиче­ ские излучатели получили для смешения различных жид­ ких компонентов, ускорения химических процессов вслед­ ствие лучшего контакта фаз и получения стойких эмуль­ сий несмешивающихся между собой жидкостей. Так, аппарат УГС интенсифицирует процессы смешения и эмульгирования, улучшает качество продукта, снижает металлоемкость, экономит электроэнергию и резко умень­ шает занимаемую аппаратурой площадь. Он состоит из следующих основных узлов: блока ультразвуковых ги­ дродинамических излучателей, насоса, фильтра, струй-

23

Т а б л и ц а 1

Техническая характеристика гидродинамических излучателей

Тип устройства

Технические данные

УГУ-П УГУ-В УГУ-Р

ника-эжектора, пульта управления и системы трубопро­ вода. Все узлы аппарата смонтированы на перевозной тележке. Основной частью аппарата УГС является ультра­ звуковой гидродинамический излучатель, который имеет сопло с устройством для формирования струи, пластину, изготовленную из материала с малой плотностью и боль­ шим модулем упругости, и акустический стакан.

Гидродинамический аппарат работает следующим обра­ зом. Два или несколько компонентов подаются одновре­ менно в аппарат и предварительно смешиваются в струйнике. Кран струйника имеет шкалу с градуировкой. Выпускаемые аппараты отградуированы по воде. В случае обработки других компонентов градуировка должна быть соответственно изменена. Из струйника компоненты по­ даются в центробежный насос, а затем в фильтр, который предназначен для очистки материалов от механических примесей. После фильтра компоненты подаются в основ­ ной узел аппарата — блок гидродинамических излучате­ лей, где и происходит смешение компонентов под действием ультразвуковых колебаний. Блок излучателей заключен в рубашку, что позволяет проводить процесс при пони­ женной или повышенной температурах. После облучения готовый продукт через трубопровод поступает по техно­ логическому назначению. При необходимости повторной обработки продукт может быть снова возвращен в аппарат.

Гидродинамические излучатели имеют набор сменных сопел и пластин, что обеспечивает работу аппарата УГС

24

Рис. 6. Схема установки для испытаний гидроди­ намических излучателей

с разной производительностью: 1,5; 3; 7; 14 м3/ч. Управле­ ние аппаратом осуществляется с помощью пульта.

Для проверки эффективности гидродинамических излу­ чателей проведены специальные исследования и сравни­ тельные испытания гидродинамических излучателей раз­ личных конструкций [166]. Для этой цели была исполь­ зована установка, схема которой позволяла создавать необходимые гидродинамические условия для работы различных типов излучателей. Установка состоит из емкости 2 (рис. 6), насоса 7, испытуемого излучателя 4, манометра 5 и трубопровода с вентилями /, 3, 6. Для оценки результатов смешения излучателями учитывались число проходов и время, а следовательно, и энергетиче­ ские затраты на смешение компонентов конкретным излу­ чателем. Анализ проб проводился микроскопическим методом — определялся средний размер частиц дисперс­ ной фазы. Чем выше степень дисперсности при одном и том же значении, затраченной на смешение энергии, тем эффективнее работа излучателя.

Затраченную энергию W оценивали мощностью, по­ требляемой излучателем, и временем, необходимым для смешения единицы объема, прокачиваемой через излуча­ тель жидкости:

W = Pt — 981 -IO-4 pVt,

где Р — потребляемая излучателем мощность в Вт; р —• давление в кгс/см2; t — время, необходимое для смешения, в с; У — объем обрабатываемой жидкости в м3.

Сравнительные испытания показали, что при равных числах проходов и равных значениях энергий, затрачен­ ных на смешение единицы объема, лучшие результаты показали пластинчатые гидродинамические излучатели. Для исследования эффективности работы гидродинамиче­ ских пластинчатых излучателей проводились и другие эксперименты.

25

g

=y=

Рис. 7. Схема установки для исследования эффективности гидродинамических пластинчатых излучателей

На рис. 7 изображена схема установки, с помощью которой получены экспериментальные данные по исследо­ ванию стойкости эмульсий при различных режимах работы ультразвукового гидродинамического пластинчатого излу­ чателя. Исходные компоненты эмульсии (трансформатор­ ное масло и вода) нагнетали насосом 1 из баков 2 и 3. Расход компонентов регулировался вентилями 4 и 5 и контролировался ротаметрами 6 и 7. Предварительно смешанная насосом жидкость подавалась под давлением до 14 кгс/см2, замеряемая манометром 8 через ресивер 9, в гидродинамический пластинчатый излучатель 10. Полу­ ченная эмульсия поступала в бак 11 и одновременно отби­ рались пробы для анализа ее свойств.

В гидродинамическом излучателе можно плавно изме­ нять расстояние между соплом и пластиной в пределах О—30 мм, а также заменять пластины и сопла. При экс­ периментах использовано сопло сечением 1,1x8 мм2 и пластины с вылетом 22 и 29 мм толщиной от 0,38 до 3,95 мм. Расстояние между соплом и пластиной излучателя — основной параметр, определяющий частоту следования завихрений, частоту их модуляции, интенсивность коле­ баний пластины и время нахождения частиц масла в зоне озвучивания. Расстояние изменялось в пределах 6—28 мм. В результате экспериментов установлено, что с помощью гидродинамического пластинчатого излучателя можно по­ лучить высококачественные эмульсии.

26

Электромеханические излучатели

В основу работы электромеханических излучателей положен принцип преобразования электрической энергии в механическую. По принципу действия электромеханиче­ ские излучатели делятся на электромагнитные, электро­ динамические \ магнитострикционные и пьезоэлектриче­ ские.

С помощью электромеханических излучателей можно создавать механические колебания как относительно низ­ ких частот в пределах от десятков герц до единиц кило­ герц (электромагнитные, электродинамические), так и колебания высоких частот от десятков килогерц до сотен мегогерц (магнитострикционные, пьезоэлектриче­ ские).

Электромагнитные излучатели. Работа электромагнит­ ных излучателей основана на возбуждении колебаний подвижной механической системы под действием электро­ магнита, возбуждаемого переменным электрическим по­ током. Электромагнитные излучатели делятся на излу­ чатели, работающие без удвоения и с удвоением частоты. В электромагнитных излучателях, работающих без удвое­ ния частоты, постоянное магнитное поле накладывается на переменное. Ток, вызывающий постоянное магнитное поле, называется током подмагничивания іп. В этом случае притягивающая сила электромагнита будет только при положительных полупериодах (рис. 8, а). Такой излуча­ тель называют поляризованным.

В электромагнитных излучателях с удвоением частоты постоянное магнитное поле отсутствует и электромагнит будет притягивать механическую систему во время каж­ дого полупериода (рис. 8, б). Следовательно, частота электромагнитного излучателя /п определяется частотой питающего электрического напряжения fv~ или его удвоенной частотой 2/Ѵ~. Электромагнитные излучатели питаются обычно от электромашинных генераторов, но иногда могут питаться от специальных переключающих устройств. Ввиду того, что выходная мощность электро­ магнитных излучателей падает с повышением частоты, они на частотах более 1—2 кГц применяются редко. Чаще они используются на низких частотах до 400 Гц.

1 Электромагнитные, электродинамические излучатели иногда на­ зывают электромагнитными, электродинамическими вибраторами.

27

Электромагнитный излучатель с упругой мембраной работает следующим образом. При прохождении перемен­ ного тока по обмотке катушки возбуждения в сердечнике электромагнита создается переменное магнитное поле. При максимальных или близких к ним значениях магнит­ ного потока мембрана притягивается к электромагниту, а при нулевых или близких к ним значениях магнитного поля мембрана под действием упругих сил отходит от электромагнита. В результате мембрана колеблется с ча­ стотой питающего тока, передавая упругие колебания жидкой среде. Электромагнитный излучатель со свободно подвешенным якорем работает так же за исключением того, что якорь (вместо мембраны) возвращается в исход­ ное положение под действием пружины, и упругие коле­ бания в среде передаются излучающей пластиной.

Как упругая мембрана, так и якорь излучателя изго­ товляются из ферромагнитных материалов, так как они являются составной частью магнитопровода, по которому замыкается магнитный поток. Расчет одностержневого и многостержневого электромагнитов, подвижных меха­ нических систем, выполненных в виде мембраны, закреп­ ленной по контуру, и в виде свободно подвешенного якоря

свозвратной пружиной, а также описание некоторых электромагнитных излучателей приведены в работе [35].

Электромагнитные излучатели применяются для обра­ ботки различных материалов в жидкости.

Электродинамические излучатели. Принцип действия электродинамического излучателя основан на взаимодей­ ствии проводника (катушки или стержня), несущего переменный ток, с магнитным по­ лем неподвижного электромагни- ^ та. Если к проводнику (катушке Ц или стержню) жестко прикрепить ^ мембрану, то она будет колебаться

счастотой изменения магнитного

29