Ултразвукова технология

Ултразвуков метод на обработка се отнася до електрофизичния ефект върху материала. Честотата на експозиция съответства на обхвата на звуците, които не се чуват за човешкото ухо (честота 16–105 kHz). Когато се разпространява в материална среда, ултразвуковата вълна пренася определена енергия, която може директно да се използва в технологични процеси или да се преобразува в други видове енергия (топлинна, химическа, механична).

Като източници на ултразвукови вибрации използвайте аеродинамични, механични, хидродинамични, електромагнитни, електродинамични, магнитострикционни и пиезоелектрически излъчватели.

Основният елемент на излъчвателя е електроакустичен преобразувател (магнитострикционен или пиезоелектричен). Той е свързан със съвпадащо устройство, което предава акустична енергия от преобразувателя към обработваната среда, а също така създава размерите на излъчващата повърхност и интензивността на ултразвуковото поле.

Като правило, концентраторите на акустични вълноводи се използват като съвпадащи устройства - разширяващи се (за течности) или сближаващи се (за твърди вещества), резонансни (настроени на определена честота) или нерезонансни плочи.

Освен това устройството за съвпадение може едновременно да изпълнява функциите на режещ или друг инструмент (например при пробиване, заваряване, спояване). Понякога се използват преобразуватели, които работят без съвпадащо устройство (например, пръстенни преобразуватели, вградени в тръбопровода).

Ултразвукова обработка на твърди вещества използва се предимно за заваряване на метали, пластмаси и синтетични тъкани, за рязане на метали, стъкло, керамика, диамант и др. (например при пробиване, струговане, гравиране), както и при обработка на метали чрез натиск (изтегляне, щамповане, пресоване и др.).

Рязането на ултразвукови машини осигурява висока точност, позволява ви да получите не само прави кръгли отвори, но и изрези от сложни секции, извити канали. Ултразвукът, приложен към инструмента на конвенционална металорежеща машина (например бормашина, фреза), засилва обработката и подобрява трошенето на стружки.

Когато обработвате метали под налягане, ултразвуковите вибрации подобряват условията на деформация и намаляват необходимите сили. С ултразвуковото повърхностно втвърдяване се увеличават микротвърдостта и устойчивостта на износване и грапавостта на повърхността намалява. Във всички тези процеси ултразвукът обикновено се доставя с помощта на вълноводен концентратор към работните тела на машините (например към бормашина, ролки на валцована машина, матрица за преса, матрица).

Ултразвуково лечение в течности (течности) се основава главно на появата на кавитация. При определени условия на разпространение на ултразвукови вибрации в течна среда възникват редуващи се компресии и удължения с честотата на преминаващи вибрации. В момента на разтягане в капващата течност се образуват кухини, пълни с газ, пара или тяхна смес (така наречените кавитационни мехурчета). В момента на компресия мехурчетата се срутват, което води до ударни вълни с голяма амплитуда на налягането. Тези механични сили са причина за разрушителното действие на ултразвука. Местните ударни налягания често надвишават 980 МРа.

Някои кавитационни ефекти (воден чук, когато мехурчетата се срутят и микропотоците, възникващи в течността близо до мехурчетата) се използват при запояване и калайдисване, разпръскване, почистване на части и др. Други ефекти (нагряване на парите вътре в балона и тяхното йонизиране) се използват за иницииране и ускоряване на химичните реакции. Понякога за засилване на ултразвуковото лечениеи процесът се извършва при повишено налягане.

При запояване и калайдисване на метали (алуминий, титан, молибден), ултразвукът разрушава оксидните филми на повърхността на частите и улеснява процеса. Използвайки ултразвук, керамика, стъкло и други неметални материали могат да бъдат калайдисани и след това запоени. Ултразвукът се подава от концентратор на вълновод към спойка, поставена във вана или нанесена върху повърхността на част.

Препоръчително е да се използва ултразвук за почистване на части и монтажни единици със сложни форми от замърсяване в машиностроенето. Качеството на звуковото почистване е несравнимо с другите методи. Например, когато почиствате части с органични разтворители, 80% от замърсяването остава на повърхността, с вибрации - 25%, а с ултразвук - 0,5%.

Добри резултати се получават от използването на ултразвук за измиване на плодове, измиване на нишестени частици от картофи преди пържене, сушене.

Разработена е ускорена технология за производство на гроздов сок, според която отстраняването на излишния зъбен камък се извършва с помощта на ултразвукова обработка. След такава обработка сокът се филтрира добре и става кристално чист.

Почистването се извършва във вани с вградени електроакустични радиатори. Към работната течност се добавят повърхностноактивни вещества. За да се отстранят неравностите от частите, абразивните частици се въвеждат в течността, ускорявайки обработката.

Дегазирането (освобождаване от газове) на течности се извършва при ниска (обикновено под прага на кавитация) ултразвукова интензивност. Малки газови мехурчета, окачени в течност, се приближават един към друг, залепват се и изплуват на повърхността. Дегазацията се извършва на оптични стъклени стопилки, течни алуминиеви сплави и други течности. Ултразвуковата обработка се използва за концентриране (флотация) на руди - газовите мехурчета се утаяват върху повърхностите на минералните частици и се носят заедно с тях.

Ултразвуково лечение има благоприятен ефект върху кристализацията на метални стопилки по време на леенето, което значително подобрява структурата на слитъка и неговите механични свойства.За образуването на емулсии обикновено се използват ултразвукови устройства под формата на свирки или сирени.

Промишлено значение на ултразвука може да се използва за приготвяне на водно-мастни емулсии с всякаква концентрация и различна консистенция. Такива емулсии имат по-висока стабилност, когато се добавят към тестото, те значително подобряват качеството на хлебните изделия.

Приготвянето на суспензии се извършва главно в устройства с магнитострикционни преобразуватели, работещи при повишено налягане.

Образуването на аерозол възниква по време на ултразвукова обработка на течност в тънък слой с помощта на концентратор на вълновод, който е дюза за пръскане. Ултразвукът може да се използва за генериране на аерозоли (например при производство на горещ дим за пушене на продукти на течна основа).

При ултразвуково третиране високомолекулните съединения се деполимеризират добре в разтвори. Това свойство се използва, например, при синтеза на различни блокови и присадени съполимери, за да се получат ценни вещества с ниско молекулно тегло от естествени полимери.

Ултразвуковите вибрации се използват за ускоряване на процеса на полимеризация при производството на изкуствен каучук, за ускоряване на разтварянето на твърдите вещества в течност. Така че, продължителността на разтваряне на вискозата в процеса на получаване на химически влакна при използване на ултразвук се намалява от 7 на 3 часа.

Ултразвуковото лечение ускорява много процеси на масообмен (разтваряне, екстракция, импрегниране на порести тела и др.), Чийто ход е ограничен от скоростта на дифузия.

Действието на високите температури в кавитационните мехурчета, намаляването на дебелината на граничния слой и неговата турбулизация също усилват протичащите едновременно процеси на химичен и масообмен. С помощта на ултразвук дифузионните процеси могат да се ускорят. Например, когато осолявате херинга, обработката с ултразвук значително ускорява проникването на сол, увеличава пропускливостта на клетъчните мембрани на плодове и зеленчуци, което улеснява процеса на екстракция на сок.

Ултразвукът се използва за ускоряване на процесите на екстракция. Получаването на рибено масло от рибен черен дроб по време на ултразвук става без значително повишаване на температурата, което ви позволява да запазите всички биологично активни вещества в крайния продукт.

Ултразвукова обработка в газове (газове) причинява коагулация на аерозоли и прах (грубост и утаяване на фини частици, суспендирани в газове) и се използва, например, в акустичен прахоуловител.

Когато ултразвукът се възбужда в нагрят газ (сушител), усилването на порестите тела се засилва - ускорява се изпарението от свободната повърхност на течността, в капилярите се появяват акустични потоци и т.н. Ултразвуковото сушене обикновено се използва заедно с други видове сушене (например инфрачервено, високочестотно), сирените се използват като ултразвукови източници.

Използване на ултразвуки процесът на сушене може да се извърши при по-ниски температури, което помага да се запази хранителната стойност на изсушения продукт. Акустичното изсушаване се постига най-благоприятно по време на механично движение на частици от материала, особено при сушене в кипящ слой или при продължително разбъркване. Сушенето в кипящ слой осигурява висока интензивност на процеса, голям коефициент на запълване на обема, докато скоростта на звука се използва по-пълно.

Разширява се областта на практическо използване на ултразвуково лечение (например в хранителната промишленост за избистряне на вина и ликьори, във фармацевтичната индустрия за стерилизация и приготвяне на различни препарати и др.).

През ултразвукова филтрация възможно е да се отделят течни нехомогенни системи. Суспензията, подавана към ултразвуковия филтър, е изложена на ултразвук. Под действието на звукови вълни твърдите частици на суспензията се коагулират и събират под формата на утайка в долната част на апарата. Течната фаза изтича през връзката в горната част на устройството.

Установено е положителното влияние на ултразвука върху вкуса на шоколада: той се отличава със своята нежност, кадифена текстура и по-деликатен букет. Под въздействието на ултразвук вискозитетът на шоколадовата маса намалява със 7-10%.

Ефективно приложение ултразвукови хомогенизатори. И така, под въздействието на ултразвукови вибрации в обема на емулсията (топки с вода и млечна мазнина) се образуват кавитационни мехурчета. Когато се срутят, се генерират ударни вълни, интензивно смачкващи мастните глобули. Ултразвуковата хомогенизация има редица предимства, а основното е възможността за контрол на процеса чрез регулиране на честотата и амплитудата на трептенията. Освен това млякото се стерилизира с помощта на ултразвук при стайна температура. В същото време полезните вещества на млякото, които се разрушават при нагряване, ще останат в него.

С помощта на ултразвук могат да се получат и фини суспензии. Разрушаването на твърдите частици става на два етапа: първо, по време на сблъсъци, в частиците се появяват микропукнатини, а след това кавитационните ударни вълни се разширяват и задълбочават пукнатините, разделяйки частицата.

Ултразвуковите хомогенизатори са необходими и при производството на плодови сокове и пюрета, за извличане на растителни компоненти без използване на органични разтворители, при производството на антибиотици с повишена антибактериална активност.