КОЛЬЦЕВОЙ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК B01F11/02 B01B1/08 

Изобретение относится к устройствам для обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции.

Известен кольцевой магнитострикционный преобразователь ЦМУ, описанный в литературе: Д.А.Гершгал, В.М.Фридман. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - М.: Энергия, 1976, с.194, рис.8-2. Известный кольцевой магнитострикционный преобразователь ЦМУ содержит кольцевой магнитострикционный излучатель с обмоткой возбуждения, у которого вовнутрь магнитопровода запрессован звукопрозрачный металлический стакан.

Наиболее близким к предлагаемому является кольцевой магнитострикционный преобразователь ЦМС-8, описанный в литературе: А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.41, 42, 172. Магнитострикционный преобразователь ЦМС-8 содержит кольцевой магнитострикционный излучатель и цилиндрическую трубу, на которую методом горячей посадки насажены кольца магнитопровода излучателя, штампованные из листового магнитострикционного материала. Под действием переменного магнитного потока, создаваемого обмоткой магнитопровода, в магнитопроводе возникают радиальные механические колебания, обусловленные магнитострикционным эффектом, которые через стенку трубы передаются в обрабатываемую жидкую среду.

Недостаток известных кольцевых магнитострикционных преобразователей состоит в следующем. Наиболее часто кольцевые магнитострикционные преобразователи применяют как составную часть трубопровода технологической линии для ультразвуковой обработки жидкости в потоке (растворения, эмульгирования, диспергирования), например в аппаратах проходного типа. Их монтируют в разрыв трубопровода. В этом случае подбирают кольцевые излучатели с внутренним диаметром магнитопровода, равным внутреннему диаметру трубопровода. При этом рабочие частоты преобразователя определяются заданным диаметром трубопровода и резонансными размерами размещенного на трубе магнитопровода, что зачастую не может полностью удовлетворить требованиям технологического процесса обработки жидкой среды, в частности, из-за недостаточной интенсивности, так как большинство технологических процессов требуют наличие режима кавитации обрабатываемой суспензии. Из литературы известно, что интенсивность преобразователя по прототипу не превышает 0,8 Вт/см² (Д.А.Гершгал, В.М.Фридман. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - М.: Энергия, 1976, с.317, таблица П-1), а для получения акустической кавитации в жидкости нужна такая интенсивность колебаний, которая создает звуковые поля с амплитудой давления, превышающей прочность жидкости на разрыв, т.е. более 1 Вт/см² (Применение ультразвука в промышленности. Под редакцией д-ра техн. наук проф. А.И.Маркова, М.: Машиностроение, 1975, с.24).

Таким образом, выявленные в процессе патентного поиска кольцевые магнитострикционные преобразователи, аналог и прототип заявленного изобретения, при осуществлении не обеспечивают достижения технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества обработки среды.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания кольцевого магнитострикционного преобразователя, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества обработки жидкой среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в кольцевой магнитострикционный преобразователь, содержащий первый кольцевой магнитострикционный излучатель и первую цилиндрическую трубу, выполненную из звукопрозрачного материала, на которую акустически жестко напрессован магнитопровод первого кольцевого магнитострикционного излучателя, дополнительно введены второй кольцевой магнитострикционный излучатель и выполненная из звукопрозрачного материала вторая цилиндрическая труба с герметично закрытыми входом и выходом, которая концентрично и с зазором закреплена внутри первой цилиндрической трубы, а магнитопровод второго кольцевого магнитострикционного излучателя акустически жестко запрессован во внутреннюю полость второй цилиндрической трубы. Кроме того, магнитопровод первого кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен из материала с отрицательной стрикцией, а магнитопровод второго кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен из материала с положительной стрикцией.

Технический результат достигается следующим образом. Выполнение магнитопровода излучателя из магнитострикционного материала позволяет реализовать большие мощности преобразователей и значительные площади излучающих систем (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.34), а следовательно, позволяет обеспечить интенсификацию технологического процесса и качество обработки жидкой среды.

Поскольку первая и вторая трубы выполнены цилиндрическими, а магнитопроводы первого и второго кольцевых магнитострикционных излучателей выполнены в виде пакета магнитострикционных пластин, имеющих форму колец (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.с.41, 42, 172), то обеспечивается возможность напрессовки на наружную поверхность первой трубы и впрессовки во внутреннюю полость второй трубы соответствующих магнитопроводов излучателей. Это обеспечивает работоспособность устройства, а следовательно, осуществление заявленного технического результата. При этом благодаря тому что первая и вторая трубы выполнены цилиндрическими и из звукопрозрачного материала, а магнитопровод первого и второго кольцевых излучателей акустически жестко соответственно напрессован на первую трубу и запрессован во внутреннюю полость второй трубы, радиальная деформация кольцевых пластин магнитопроводов, возникающая за счет магнитострикционного эффекта, трансформируется в радиальные колебания стенок соответствующих труб. В результате первый и второй кольцевые магнитострикционные излучатели преобразуют электрические колебания соответствующих возбуждающих генераторов в радиальные механические колебания, а благодаря акустически жесткому соединению их плоскостей излучения с поверхностью соответствующей трубы механические колебания передаются через стенки труб в обрабатываемую жидкую среду, формируя в ней ультразвуковые колебания - акустическое поле.

Благодаря тому что вторая цилиндрическая труба закреплена внутри первой цилиндрической трубы концентрично и с зазором, формируется рабочая камера заявленного преобразователя с равномерным распределением звукового давления. При этом, поскольку вторая цилиндрическая труба выполнена с герметично закрытыми входом и выходом и закреплена внутри первой цилиндрической трубы концентрично и с зазором, рабочая камера заявленного преобразователя представляет собой полый цилиндр, у которого первая образующая принадлежит поверхности первой цилиндрической трубы и формирует внешнюю стенку полого цилиндра, а вторая образующая принадлежит поверхности второй цилиндрической трубы и формирует внутреннюю стенку, ограничивающую полость цилиндра. При этом благодаря акустически жесткому соединению излучающих поверхностей соответствующих магнитопроводов с поверхностью соответствующей трубы образующие обеих поверхностей полого цилиндра являются источниками акустических колебаний. В результате, по сравнению с прототипом, в заявленном преобразователе площадь излучающей поверхности значительно увеличена даже при условии той же интенсивности излучения акустической мощности. Следовательно, удельная акустическая мощность в рабочей камере предложенного преобразователя выше, чем в рабочей камере преобразователя по прототипу. Увеличение удельной мощности обеспечивает возможность интенсификации технологического процесса без снижения качества обработки жидкой среды.

Поскольку в заявленной конструкции кольцевого магнитострикционного преобразователя длина окружности первой трубы больше длины окружности второй трубы, то и длина средней линии магнитопровода первого кольцевого магнитострикционного излучателя больше длины средней линии магнитопровода второго кольцевого магнитострикционного излучателя, что обуславливает отличие их резонансных частот. При этом резонансная частота первого излучателя ниже резонансной частоты второго, так как резонансная частота в этом случае определяется из выражения: lcp=λ= /fрез, где lcp - длина средней линии магнитопровода излучателя, λ - длина волны в материале магнитопровода, с - скорость упругих колебаний в материале магнитопровода, f рез - резонансная частота излучателя (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.25). Иначе говоря, благодаря тому что дополнительно введены вторая цилиндрическая труба, выполненная из звукопрозрачного материала, и второй кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко запрессован во внутреннюю полость второй цилиндрической трубы, в заявленном преобразователе в обрабатываемой жидкой среде формируются ультразвуковые колебания с двумя резонансными частотами: низкочастотные и высокочастотные. В прототипе, у которого рабочая камера имеет форму цилиндрической трубы с фиксированными геометрическими размерами, фиксирован и диаметр магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, напрессованного на трубу, т.е. в прототипе в обрабатываемой жидкой среде формируются ультразвуковые колебания только с одной фиксированной частотой. Наличие двух резонансных частот в заявленном преобразователе позволяет интенсифицировать технологический процесс и повысить качество обработки жидкой среды. Это объясняется следующим.

При воздействии акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникают акустические течения - стационарные вихревые потоки жидкости, возникающие в свободном неоднородном звуковом поле.

Кроме того, под воздействием акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникает кавитация - образование разрывов жидкой среды там, где происходит местное понижение давления. В результате кавитации образуются парогазовые кавитационные пузырьки, которые резонируют с акустическим полем. Чем ниже частота, тем крупнее пузырек, так как период у низкой частоты большой и пузыри успевают вырасти. Жизнь пузырька при кавитации - один период частоты. Захлопываясь, пузырек создает мощное давление. Чем больше пузырек, тем больше его кинетическая энергия, тем более высокое давлении создается при его захлопывании. В заявленном преобразователе благодаря двухчастотному озвучиванию обрабатываемой жидкости кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты. При обработке суспензии мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердой составляющей смеси и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, разбивают ослабленную изнутри частицу на мелкие фракции.

При эмульгировании и смешивании большие пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей.

В результате повышается интенсификация технологического процесса и качество обработки жидкой среды.

Благодаря наличию в заявленном преобразователе двух рабочих частот в обрабатываемой жидкой среде в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами возникают биения, обусловленные наложением двух частот (принцип суперпозиций), которые вызывают резкое мгновенное возрастание амплитуды акустического давления. В такие моменты мощность удара акустической волны может в несколько раз превысить удельную мощность преобразователя, что интенсифицирует технологический процесс и улучшает качество обработки жидкой среды.

Кроме того, резкое возрастание амплитуды акустического давления облегчает подвод кавитационных зародышей в зону кавитации; интенсивность кавитации возрастает. Кавитационные пузырьки, формируясь в порах, неровностях, трещинах поверхности твердого тела, находящегося в суспензии, образуют локальные акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость во всех микрообъемах, что также позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества обработки жидкой среды.

Кроме того, в заявленном преобразователе сочетание двух частот усиливает воздействие на обрабатываемую жидкую среду акустических течений и кавитации, так как в их образовании участвует каждая из частот: низкая и высокая, что приводит к возрастанию турбулентности акустических течений. Последнее интенсифицирует процессы диспергации твердых составляющих в жидкости, процессы эмульгации, перемешивание или растворение составляющих жидкой среды, что также позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества обработки жидкой среды.

Известно, что магнитострикционные материалы в магнитном поле ведут себя по-разному. Одни под действием магнитного поля увеличивают геометрические размеры, а другие - уменьшают. Первые материалы относят к материалам с положительной стрикцией, а вторые относят к материалам с отрицательной стрикцией. Благодаря тому что в заявленном преобразователе магнитопровод первого кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен из материала с отрицательной стрикцией, а магнитопровод второго кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен из материала с положительной стрикцией, обеспечивается плотное, акустически жесткое прилегание соответствующих поверхностей пластин магнитопроводов излучателей к поверхностям труб. В таком преобразователе для формирования акустического поля в обрабатываемой жидкой среде используется не сила упругой деформации трубы, а сила деформации магнитопровода излучателя, что делает параметры системы стабильными. В результате по всей площади излучающей поверхности создается звуковое давление постоянной амплитуды, повышается интенсивность излучения и КПД преобразователя. Все это позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества обработки жидкой среды.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный кольцевой магнитострикционный преобразователь при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества обработки среды.

На чертеже изображен кольцевой магнитострикционный преобразователь с рубашкой охлаждения с примером выполнения варианта крепления второй трубы (в разрезе).

Кольцевой магнитострикционный преобразователь содержит первый кольцевой магнитострикционный излучатель 1 и первую цилиндрическую трубу 2, выполненную из звукопрозрачного материала, например или стальную, или керамическую, или кварцевую, в зависимости от назначения преобразователя. Магнитопровод 3 первого 1 кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен в виде пакета магнитострикционных пластин, имеющих форму колец, и напрессован на первую цилиндрическую трубу 2. На магнитопровод 3 намотаны обмотки возбуждения и поляризации (на чертеже не показаны).

Кроме того, кольцевой магнитострикционный преобразователь содержит вторую выполненную из того же звукопрозрачного материала цилиндрическую трубу 4 с герметично закрытыми входом 5 и выходом 6 и второй кольцевой магнитострикционный излучатель 7 со вторыми обмотками возбуждения и поляризации (на чертеже не показаны). Магнитопровод 8 второго 7 кольцевого магнитострикционного излучателя также выполнен в виде пакета магнитострикционных пластин, имеющих форму колец. Вторая цилиндрическая труба 4 концентрично и с зазором закреплена внутри первой цилиндрической трубы 2, а магнитопровод 8 второго 7 кольцевого магнитострикционного излучателя запрессован во внутреннюю полость второй 4 цилиндрической трубы. При этом магнитопровод 8 должен быть размещен напротив магнитопровода 3. Оптимальный вариант - длина пакетов магнитопроводов должна быть одинаковой, что обеспечит равномерность распределения звукового поля в рабочей камере.

Магнитопровод 3 первого кольцевого магнитострикционного излучателя 1 выполнен из материала с отрицательной стрикцией, например из никеля. Магнитопровод 8 второго кольцевого магнитострикционного излучателя 7 выполнен из материала с положительной стрикцией, например, из железокобальтового сплава 49К2Ф. В магнитопроводах 3 и 8 предусмотрены отверстия 9, 10 для выполнения возбуждающей и поляризационной обмоток.

В примере выполнения кольцевого магнитострикционного преобразователя первый магнитопровод 3 помещен в рубашку охлаждения 11 со штуцером 12 для подачи охлаждающей жидкости 13.

Рубашка охлаждения 14 второго магнитопровода 8 может быть выполнена, например, в виде продолжения концов второй трубы 4, которые свободны от магнитопровода, с образованием полостей правой 15 и левой 16. При этом, например, правая 15 полость через отверстие в первой трубе и трубку 17 жестко соединяется с рубашкой охлаждения 11 первого магнитопровода 3, а левая жестко закрепляется во втором отверстии в первой трубе 2 посредством второй трубки 18, которая сообщается со стоком охлаждающей жидкости. В результате вторая труба 4 оказывается закрепленной внутри первой трубы 2 концентрично и с зазором. Охлаждающая жидкость 13 циркулирует в рубашках охлаждения 11, 14 под действием насоса (на чертеже не показан), или водопроводной сети. Форму концов второй трубы 4 логично выполнить обтекаемой. Питающие провода для обмоток возбуждения и поляризации могут быть пропущены, например, через трубки для ввода 12 и вывода 18 охлаждающей жидкости 13. Свободные от магнитопровода концы первой трубы снабжены фланцами 19, 20 для присоединения к трубопроводу.

Кольцевой магнитострикционный преобразователь работает следующим образом. На обмотки возбуждения и поляризации, намотанные на магнитопроводы 3 и 8, подают напряжение питания. В рабочий объем преобразователя насосом (на чертеже не показан) подают обрабатываемую жидкую среду 21, например, для выполнения растворения, эмульгирования, диспергирования. После подачи напряжения на обмотки магнитопроводов 3 и 8 первый 2 и второй 7 кольцевые магнитострикционные излучатели за счет магнитострикционного эффекта преобразуют электрические колебания возбуждающих генераторов в механические колебания, каждый на своей резонансной частоте. Благодаря акустически жесткому соединению их плоскостей излучения с поверхностью соответствующей трубы 2 и 4 механические колебания магнитопроводов 3 и 8 передаются через стенки труб 2 и 4 в обрабатываемую жидкую среду.

Под воздействием формируемого двухчастотного акустического поля в обрабатываемой среде возникают акустические течения и кавитация. При этом, как было показано выше, кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты.

При обработке суспензии мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердой составляющей смеси и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, разбивают ослабленную изнутри частицу на мелкие фракции. Кроме того, в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами возникают биения, приводящие к резкому мгновенному возрастанию амплитуды акустического давления, что приводит к еще большему измельчению твердых фракций в обрабатываемой жидкой среде. Одновременно наличие двух резонансных частот усиливает турбулентность акустических течений, что способствует более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды.

При эмульгировании и растворении большие пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. Ударная акустическая волна и повышенная турбулентность акустических течений, являющиеся результатами двухчастотного озвучивания обрабатываемой жидкой среды, также разрушают межмолекулярные связи и интенсифицируют процесс перемешивания среды.

В результате совместного воздействия этих факторов на обрабатываемую жидкую среду технологический процесс интенсифицируется без снижения качества обработки.

Как показали испытания, по сравнению с прототипом удельная мощность заявленного преобразователя в два раза выше.

Изобретение относится к устройствам для обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции. Преобразователь содержит первый и второй кольцевые магнитострикционные излучатели. Магнитопровод первого излучателя акустически жестко напрессован на первую цилиндрическую трубу. Вторая цилиндрическая труба концентрично и с зазором жестко закреплена внутри первой цилиндрической трубы. Магнитопровод второго излучателя запрессован во внутреннюю полость второй трубы. Трубы выполнены из звукопрозрачного материала. Один магнитопровод выполнен из материала с отрицательной стрикцией, а другой - из материала с положительной стрикцией. Преобразователь формирует в обрабатываемой жидкой среде двухчастотное акустическое поле. Достигаемый технический результат: повышение интенсификации технологического процесса без снижения качества обработки жидкой среды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кольцевой магнитострикционный преобразователь, содержащий первый кольцевой магнитострикционный излучатель и первую цилиндрическую трубу, выполненную из звукопрозрачного материала, на которую акустически жестко напрессован магнитопровод первого кольцевого магнитострикционного излучателя, отличающийся тем, что дополнительно введены второй кольцевой магнитострикционный излучатель и выполненная из звукопрозрачного материала вторая цилиндрическая труба с герметично закрытыми входом и выходом, которая концентрично и с зазором жестко закреплена внутри первой цилиндрической трубы, а магнитопровод второго кольцевого магнитострикционного излучателя акустически жестко запрессован во внутреннюю полость второй цилиндрической трубы.2. Кольцевой магнитострикционный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод первого кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен из материала с отрицательной стрикцией, а магнитопровод второго кольцевого магнитострикционного излучателя выполнен из материала с положительной стрикцией.