Способ кавитационной акустической обработки объекта в жидкой среде

Способ кавитационной акустической обработки объекта в жидкой среде

Реферат

Изобретение относится к технологиям акустической обработки различных объектов в жидкой среде с различными целями - очистки поверхности объекта от загрязнений, заусенцев, пленки окислов; для стерилизации, для нанесения покрытий, для диспергирования, эмульгирования, для очистки капиллярных изделий и т.п. Оно может быть использовано как для промышленного производства, так и для исследований и разработок.

При создании в жидкой среде акустических колебаний, приводящих к возникновению кавитационных явлений, вблизи излучающей поверхности преобразователя образуется область (экранирующее облако), где концентрируются парогазовые включения (пузырьки), препятствующая распространению акустических колебаний и развитию равномерной кавитации по всему объему жидкости. Поведение экранирующего облака зависит от состояния среды, объекта и излучателя и поэтому непредсказуемо изменяется в течение процесса обработки вместе с ними. Вследствие этого достаточно сложной и важной задачей при создании технологий и устройств кавитационной акустической обработки объектов в жидкости является преодоление описанного эффекта.

Известен способ проведения акустических процессов в жидкой среде (жидкости) [1], позволяющий расширить область развитой кавитации в объеме, в котором проводится процесс. Это достигается тем, что в зону обработки импульсами вводят зародыши кавитации, при этом развитая кавитационная область многократно перемещается по объему жидкости.

Недостатком способа является то, что он не исключает образование экранирующего облака и не обеспечивает его контролируемое устранение. Пауза между введением импульсов зародышей в процессе обработки не изменяется и продолжительность этого промежутка времени в разные моменты протекания процесса обработки может оказаться недостаточным для исчезновения (релаксации) экранирующего облака. В результате невозможно получить достаточно высокую эффективность обработки. Кроме того, механическое введение кавитационных зародышей требует дополнительного, достаточно сложного, часто громоздкого оборудования.

Известен способ кавитационной акустической обработки объектов в жидкой среде [2] (прототип), включающий воздействие на объект через жидкую среду совокупностью коротких и длинных импульсов акустических колебаний. Можно одновременно воздействовать на объект через жидкую среду короткими и/или длинными импульсами, можно чередовать их воздействие, то есть для различных процессов обработки порядок следования импульсов разный. Выбирая временные и амплитудные параметры импульсов, частоту заполнения (частоту акустических колебаний), порядок и периодичность следования, можно управлять акустическими эффектами и, как следствие, управлять условиями обработки объекта, что обеспечивает широкие технологические возможности способа. При этом конкретные режимы воздействия при различных видах обработки выбираются экспериментально.

Недостатками способа-прототипа являются нестабильность процесса обработки и необходимость предварительного, достаточно длительного и непростого экспериментального подбора режимов проведения акустических процессов в каждом конкретном случае обработки конкретных изделий. Нестабильность обработки обусловлена тем, что в течение времени обработки акустическое воздействие - временные и амплитудные параметры импульсов - остается постоянным. При этом условия протекания акустических процессов изменяются, так как изменяются параметры среды, объекта и излучателя, которые определяют процессы развития и релаксации экранирующего поверхность излучателя облака. Это приводит к тому, что процесс по всему объему жидкости протекает неуправляемо и эффективность обработки с течением времени ухудшается.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение эффективности кавитационной акустической обработки за счет обеспечения устойчивой кавитации по всему объему жидкой среды при изменении параметров среды, объекта и излучателя.

Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, - устранение эффекта образования вблизи поверхности излучателя устойчивого экранирующего облака кавитационных пузырьков, блокирующего развитие кавитации по всему объему жидкости в течение всего процесса обработки вне зависимости от изменения параметров среды, объекта и излучателя. В результате обеспечивается устойчивость процесса кавитации по всему объему жидкой среды и, как следствие, повышение эффективности обработки.

Технический эффект достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом кавитационной акустической обработки объекта в жидкой среде возбуждают импульсно-модулированные акустические колебания с длительностью модулирующих импульсов, соответствующей времени (соизмеримой со временем) образования в жидкости облака парогазовых пузырьков, экранирующего поверхность излучателя, и длительностью пауз между модулирующими импульсами, соответствующей времени (соизмеримой со временем) релаксации экранирующего облака.

Отличия предлагаемого изобретения заключаются в том, что в жидкой среде возбуждают импульсно-модулированные акустические колебания с длительностью модулирующих импульсов и длительностью пауз между ними, соответствующими времени (соизмеримыми со временем) образования и релаксации облака парогазовых пузырьков, экранирующего поверхность излучателя. Время образования и релаксации экранирующего поверхность излучателя облака парогазовых пузырьков можно определять, например, по изменению концентрации парогазовых пузырьков в экранирующем облаке, либо по изменению уровня акустических колебаний в жидкой среде за экранирующим облаком, либо по изменению электрических параметров электроакустического излучателя.

За счет отличий заявляемого изобретения устраняется влияние устойчивого экранирующего облака кавитационных пузырьков вблизи излучающей поверхности, блокирующего развитие кавитации по всему объему жидкости. Как следствие, обеспечивается непрерывное и равномерное протекание процесса акустической кавитации по всему объему в течение всего процесса обработки вне зависимости от изменения параметров среды, объекта, излучателя. В результате исключается необходимость предварительного подбора режимов обработки в каждом конкретном случае реализации способа, обеспечивается его универсальность по отношению к применяемому оборудованию, упрощается использование.

Кроме того, за счет минимизации длительности пауз между возбуждающими импульсами обеспечивается повышение производительности процесса. Также повышается долговечность используемого оборудования, так как известно, что интенсивность эрозионного износа излучателя резко возрастает при эксплуатации в режимах с устойчивым кавитационным облаком.

Анализ показал, что предлагаемая совокупность существенных признаков не известна из современного уровня техники, так как не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретения состоит в том, что при ограничении длительностей возбуждающих акустические колебания импульсов (модулирующих импульсов) временем образования экранирующего облака создаются условия начала для немедленной релаксации облака естественным путем. Ограничение длительностей пауз между импульсами временем релаксации экранирующего облака создает условия немедленного, беспрепятственного развития колебаний и развития процесса кавитации. Соответствие длительности модулирующего импульса времени образования облака, экранирующего поверхность излучателя, и длительности пауз между модулирующими импульсами времени релаксации экранирующего облака в течение всего времени обработки обеспечивает непрерывность процесса обработки вне зависимости от изменения параметров среды, объекта и излучателя. Длительности импульсов и пауз между ними в процессе обработки не остаются постоянными - в течение всего времени обработки они изменяются в зависимости от изменений факторов, влияющих на развитие процесса кавитации в жидкости (поведение экранирующего облака).

Для определения момента начала и окончания каждого импульса можно использовать любые данные, несущие прямую или опосредованную информацию о состоянии кавитационного облака, например:

- данные о концентрации парогазовых пузырьков в экранирующем облаке, полученные различными фотометрическими, акустическими, электрическими, механическими или др. методами;

- данные об уровне акустических колебаний за экранирующим облаком;

- данные об изменении электрических параметров электроакустического преобразователя, в частности его электрического сопротивления.

На чертеже приведены фотографии тестов - алюминиевой фольги, обработанной: а - по способу-прототипу, б - по изобретению.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Обрабатываемый объект размещают в жидкой среде и возбуждают в ней импульсно-модулированные акустические колебания, обеспечивая соизмеримость длительности модулирующих импульсов и времени образования в жидкости облака парогазовых пузырьков, экранирующего поверхность излучателя, а также соизмеримость длительностей пауз между модулирующими импульсами и времени релаксации экранирующего облака в течение всего процесса обработки. При этом состояние экранирующего облака определяют, например, любым из перечисленных образом.

Примером конкретного выполнения предлагаемого способа и достигаемого эффекта является реализация при работе установки для очистки авиационных фильтров с тонкостью фильтрации 5 мкм. Такие фильтры, как правило, представляют собой пакет составленных в столбик плоских микрокапиллярных структур, высотой порядка 10 мм каждый; высота полного столбика порядка 200 мм.

Установка включает технологическую камеру - ванну, диаметром 130 мм, высотой 250 мм. В дне ванны расположен пьезокерамический преобразователь с излучающей поверхностью диаметром 70 мм, подключенный к выходу ультразвукового генератора (УЗГ), выходное напряжение которого может изменяться в широких пределах. Рабочая частота 22 кГц. Очистка производилась в керосине (моющая жидкость).

При реализации предлагаемого способа в данной установке время образования и релаксации в жидкости экранирующего поверхность излучателя облака парогазовых пузырьков определялось по изменению сопротивления электроакустического преобразователя. Для этого последовательно с ним включался датчик тока.

Если на такой установке производить очистку при непрерывном излучении, то она будет происходить только вблизи поверхности излучателя примерно на расстоянии четверти длины волны акустических колебаний (15-20 мм). Очевидно, что данным способом произвести качественную очистку объекта высотой порядка 200 мм проблематично. Задачу можно решить таким способом, если столбик микрокапиллярных структур разобрать на составляющие и производить очистку каждой составляющей в отдельности; затем необходимо произвести сборку пакета.

Использование импульсной модуляции акустических колебаний по способу-прототипу после экспериментального подбора режима (длительности импульсов и пауз) показало принципиальную возможность очистки на расстоянии трех-четырех длин волн (порядка 200 мм) от поверхности излучателя. Однако после проведения нескольких циклов очистки таким способом качество резко ухудшалось, вплоть до прекращения процесса. Для восстановления процесса был необходим новый подбор временных параметров импульсов и пауз. Такие же действия необходимо производить при изменении температуры и уровня жидкости, при очистке фильтров различной формы (высоты, диаметра, тонкости фильтрации).

При реализации способа по изобретению состояние экранирующего облака отслеживалось по изменению сопротивления (импеданса) электроакустического преобразователя. Как известно, электрическое сопротивление (импеданс) пьезокерамического преобразователя и, соответственно, ток, протекающий через него, изменяются в зависимости от состояния процесса кавитации в объеме жидкости.

В процессе возникновения и развития до устойчивого состояния экранирующего поверхность излучателя облака сопротивление преобразователя во времени постепенно уменьшается в несколько раз, достигая некоторого, практически постоянного значения. Переход к постоянному значению соответствует началу паузы между импульсами. При релаксации экранирующего облака сопротивление преобразователя возрастает и достигает исходного значения. Достижение исходного значения соответствует началу модулирующих импульсов. Таким образом, изменение сопротивления преобразователя соответствует физическому состоянию экранирующего поверхность излучателя облака и выходной сигнал датчика тока через преобразователь может служить для автоматического регулирования длительности импульсов и пауз между ними.

Достижение технического эффекта подтверждается результатами, полученными с помощью широко используемого при исследовании кавитации теста - кавитационной эррозии алюминиевой фольги. На чертеже приведены фотографии алюминиевой фольги после обработки на описанной установке по способу-прототипу - чертеж а, и по предлагаемому способу - чертеж б. Фольга закреплялась на рамке и устанавливалась в ванне вертикально, перпендикулярно плоскости излучающей поверхности. На фотографии светлые пятна по полю соответствуют областям разрушения фольги в процессе обработки, а темные - областям ненарушенной фольги. Тесты проводились после одинакового числа циклов.

Сравнительный анализ показывает, что при обработке по предлагаемому способу - чертеж б, распределение светлых областей (дырок в фольге) по всей высоте равномерно, то есть в этом случае обеспечивается устойчивая равномерная кавитация по всему объему ванны.

В результате получена высокая эффективность очистки микрокапиллярных фильтров с тонкостью фильтрации 5 мкм, не зависящая от размеров и конфигурации обрабатываемых фильтров, изменения температуры в процессе обработки, изменения уровня жидкости в ванне, от количества циклов обработки.

Источники информации

1. Лубяницкий Г.Д. Способ проведения акустических процессов в жидкости. - Авт. свид. СССР №900881, В08В 3/12, з. 04.07.1975, оп. 30.01.1982.

2. Пугачев С.И. и др. Способ акустической обработки объекта. - Пат. РФ №2178729, B01J 19/10, В08В 3/12, з. 20.10.2000, оп. 27.01.20025

1. Способ кавитационной акустической обработки объекта в жидкой среде, включающий возбуждение в жидкой среде импульсно-модулированных акустических колебаний, отличающийся тем, что возбуждают колебания с длительностью модулирующих импульсов, соответствующей времени образования в жидкости экранирующего поверхность излучателя облака парогазовых пузырьков, и длительностью пауз между модулирующими импульсами, соответствующей времени релаксации экранирующего облака.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время образования и релаксации экранирующего поверхность излучателя облака парогазовых пузырьков определяют по изменению концентрации парогазовых пузырьков.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что время образования и релаксации экранирующего поверхность излучателя облака парогазовых пузырьков определяют по изменению уровня акустических колебаний в жидкой среде за экранирующим облаком.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время образования и релаксации экранирующего поверхность излучателя облака парогазовых пузырьков определяют по изменению электрических параметров электроакустического излучателя.