Введение к работе
Актуальность темы. Ультразвуковые (УЗ) колебания большой мощности - с уровнем звукового давления более 145 дБ используются для интенсификации технологических процессов в различных по составу технологических средах. При этом обеспечивается ускорение практически всех известных физико-химических процессов, изменяются свойства веществ и создаются новые материалы.
До последнего времени ультразвуковые интенсифицирующие воздействия практически не применялись для ускорения таких процессов, как коагуляция твердых и жидких частиц (при улавливании мелкодисперсных материалов и очистке газов), пеногашение (при производстве и упаковке пенящихся продуктов), супжа легкоокисляемых и взрывчатых веществ через нерезонансные газовые промежутки, распыление (при производстве мелкодисперсных материалов и нанесении ингибирующих покрытий). Обусловлено это отсутствием специализированных рабочих органов ультразвуковых технологических аппаратов - источников ультразвукового воздействия с заданными характеристиками по уровню звукового давления, частоте и направленности излучения. Известно, что для интенсификации процессов в газодисперсных системах необходимо создавать и передавать через нерезонансные промежутки в различных по свойствам системах (химическому составу, температуре и давлении) колебания с частотой более 20 кГц и уровнем ультразвукового давления более 145 дБ. Диапазон используемых частот обусловлен требованиями обеспечения безопасности человека, а уровень звукового давления - необходимостью реализации максимальной эффективности процессов.
Входящие в состав современных УЗ технологических аппаратов рабочие органы в виде ультразвуковых колебательных систем на основе пьезоэлектрических преобразователей с дисковыми излучателями обеспечили высокую эффективность УЗ воздействия на процессы, протекающие в газодисперсных системах. Однако их повсеместное применение до настоящего времени ограничено отсутствием теоретических основ их проектирования и невозможностью обеспечения заданных характеристик (уровень звукового давления более 145 дБ на частотах выше 20 кГц).
Это обуславливает необходимость создания рабочих органов УЗ технологических аппаратов (источников ультразвукового воздействия), представляющих собой колебательные системы на основе пьезопреобразователей с излучателями в виде дисков или пластин, пригодных для интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, были использованы при выполнении НИОКР: Государственный контракт № П2518 от 20.11.2009 г. «Разработка и создание высокоэффективных электроакустических преобразователей для интенсификации процессов в газодисперсных системах», также в ряде договоров БТИ (филиала) АлтГТУ на выполнение НИР.
Целью работы является создание, исследование и применение рабочих органов УЗ технологических аппаратов - источников ультразвукового воздействия для интенсификации процессов химических технологий, реализуемых в газодисперсных системах.
Задачи исследования:
-
Установить причины, ограничивающие эффективность известных источников ультразвукового воздействия при интенсификации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах и предложить пути их совершенствования.
-
Создать модели рабочих органов УЗ технологического аппарата, основанных на применении изгибно-колеблющихся излучателей в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для энергетического воздействия на газодисперсные системы.
-
Предложить и разработать моночастотные и многочастотные источники УЗ воздействия на базе пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися на кратных основной модах колебаний излучателями в виде дисков или пластин ступенчато - переменной толщины.
4. Создать практические конструкции рабочих органов УЗ технологических
аппаратов для УЗ воздействия на газодисперсные системы, определить параметры УЗ
воздействия и исследовать возможности формирования требуемых ультразвуковых
полей на открытых пространствах и в ограниченных технологических объемах.
5. Исследовать функциональные возможности разработанных источников
ультразвукового воздействия (рабочих органов ультразвуковых технологических
аппаратов) в составе УЗ технологических аппаратов и подтвердить их эффективность при
реализации процессов коагуляции, сушки, пеногашения и др.
Научную новизну составляют:
1. Предложенные и разработанные модели рабочих органов УЗ технологического
аппарата, позволившие создавать источники воздействия для формирования в
газодисперсных системах УЗ колебаний с необходимыми характеристиками по
направленности, уровню звукового давления (более 145 дБ) и частоте излучения
(20-30 кГц).
2. Предложенная и разработанная методика проектирования и создания
источников ультразвукового воздействия различных габаритных размеров и
энергетических характеристик для реализации технологических процессов в
газодисперсных системах (коагуляции, распыления, пеногашения, сушки и др.) в
закрытых технологических объемах и на открытых пространствах.
-
Предложенный новый подход к построению многочастотных источников УЗ воздействия на базе многорезонансных пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися на кратных основной моде колебаний дисками переменной толщины, обеспечивший возможность создания рабочих органов УЗ технологических аппаратов для последовательного УЗ воздействия на различных частотах в диапазоне от 20 до 45 кГц.
-
Предложенные и реализованные способы применения созданных рабочих органов при интенсификации различных процессов химических технологий в газо дисперсных системах, позволившие при низкой потребляемой мощности обеспечить оптимальные режимы и условия УЗ воздействия для коагуляции жидких и твердых частиц, сушки различных материалов, гашения пен различного происхождения и распыления жидкостей с изгибно-колеблющихся поверхностей.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются рабочие органы ультразвуковых технологических аппаратов, построенные в виде продольно-колеблющихся УЗ пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися излучателями в виде дисков или пластин сложной формы и предназначенные для
осуществления ультразвукового воздействия при интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.
При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, позволившие создать модели рабочих органов УЗ технологических аппаратов, способных формировать УЗ колебания с большим (более 145 дБ) уровнем звукового давления в газодисперсных системах при помощи изгибно-колеблющихся дисков или пластин переменной толщины, а также разработать практические конструкции органов и создать на их основе специализированные ультразвуковые технологические аппараты.
Практическая значимость:
-
Предложены, разработаны и реализованы в практических конструкциях рабочие органы УЗ технологических аппаратов - источники ультразвукового воздействия в виде колебательных систем на основе одно- и многопакетных пьезоэлектрических преобразователей с излучателями в виде дисков различного диаметра (от 70 до 450 мм) для интенсификации технологических процессов в газодисперсных системах на частотах от 20 до 30 кГц при уровне звукового давления не менее 145 дБ;
-
Впервые предложены и разработаны многочастотные источники УЗ воздействия в виде колебательных систем на основе многорезонансных пьезоэлектрических преобразователей с изгибно-колеблющимися, на кратных основной моде колебаний, излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для обеспечения последовательного ультразвукового воздействия на различных частотах.
Созданное оборудование прошло успешную эксплуатацию на предприятиях страны и зарубежья: Научно-производственное предприятие «Метромед» (Омск); НИИ Природопользования (Нижневартовск); Dooson со., Ltd (Республика Корея); PHARMATECH A. S (Норвегия).
Личный вклад автора: предложена и реализована методология создания моно- и многочастотных источников УЗ воздействия (рабочих органов) с заданными техническими характеристиками по направленности, уровню звукового давления (более 145 дБ) и частоте излучения (20-30 кГц), предложены и реализованы практические конструкции и новые способы применения созданных рабочих органов в газодисперсных системах при интенсификации коагуляции, сушки, гашения пен и распыления, показана эффективность воздействия на реализуемые процессы.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях-семинарах по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM (г. Новосибирск 2009-2013 гг.), Всероссийской научно-практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск 2010, 2012 и 2013 гг.), четвёртой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (г.Москва 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии переработки продовольственного сырья» (г. Владивосток 2011 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Бийск 2011г.).
Положения, выносимые на защиту:
-
Предложенные источники УЗ воздействия - рабочие органы УЗ аппаратов, представляющие собой колебательные системы на основе пьезопреобразователей и излучателей в виде диска или пластины сложной формы, совершающих изгибные колебания, в зонах минимальной амплитуды колебаний которых со стороны крепления к преобразователю выполнены выступающие участки.
-
Разработанная методика инженерного расчёта источников УЗ воздействия, способных обеспечивать интенсификацию процессов химических технологий в газодисперсных системах колебаниями УЗ частоты (более 20 кГц) с уровнем звукового давления не менее 145 дБ.
-
Предложенные и разработанные на базе многорезонансных колебательных систем источники многочастотного ультразвукового воздействия с изгибно-колеблющимися на кратных основной моде колебаний дисками спупенчато-переменной толщины, обеспечившие возможность реализации процессов химических технологий (коагуляция, сушка), требующих последовательного УЗ воздействия в диапазоне частот от 20 до 45 кГц.
-
Предложенные способы применения созданных рабочих органов при реализации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах, позволившие за счет интенсифицирующего воздействия ультразвуковыми (более 20 кГц) колебаниями с уровнем звукового давления не менее 145 дБ обеспечить значительное ускорение процессов при снижении затрат потребляемой энергии.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 16 опубликованных печатных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентах РФ, одном свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 132 наименований и содержит 175 страниц машинописного текста.
