Princip rada ultrazvučne kupke - kako odabrati i koristiti u proizvodnji ili kod kuće. Kada treba zameniti rastvor za čišćenje? Efikasno čišćenje: jednostavno, jeftino i efikasno

14.10.2021Naslov: Plaćanje

Među svim tehnološkim procesima koji se odvijaju u tekućim medijima pod utjecajem ultrazvuka, najveću primjenu dobilo je čišćenje površina čvrstih tvari.

Ultrazvučno čišćenje- metoda čišćenja zasnovana na upotrebi nelinearnih efekata koji se javljaju u tečnosti pod dejstvom ultrazvučnih vibracija. Među ovim efektima, kavitacija je od najveće važnosti. Ostali efekti: akustične struje, zvučni pritisak, zvučni kapilarni efekat.

Kavitacija se naziva proces formiranja šupljina i mehurića u ultrazvučnom polju tokom faze ekstenzije, koji je dostupan u promenljivom zvučnom pritisku. Tokom faze kompresije, ove šupljine i mjehurići kolabiraju.

Kavitacija ubrzava niz fizičkih i hemijskih procesa. Razlog izuzetne efikasnosti kavitacije je to što kolaps mjehurića počinje na površini koja se čisti. Kavitacija je praćena pojavom vrlo visokih trenutnih hidrostatskih pritisaka, koji otkidaju čestice prljavštine koje su prianjale na očišćenu površinu.

Kavitacija se čuje kao šištanje koje se stvara u tečnosti pri određenoj vrednosti intenziteta ultrazvučnog polja.

Uvođenje ultrazvučnih vibracija u rastvore za čišćenje omogućava ne samo ubrzavanje procesa čišćenja, već i postizanje većeg stepena čistoće površine. U ovom slučaju, u većini slučajeva, moguće je isključiti požarno opasna i toksična organska otapala i koristiti isključivo vodene otopine tehničkih deterdženata. To nesumnjivo dovodi do poboljšanja uslova rada radnika, povećanja kulture proizvodnje, a također omogućava djelimično rješavanje pitanja sigurnosti okoliša.

Ultrazvuk se koristi za čišćenje od zagađivača koji nastaju kako tijekom proizvodnje proizvoda i dijelova, tako i tokom njihovog rada. Ultrazvučno čišćenje je posebno korisno u pripremi površine prije nanošenja premaza i pri čišćenju složenih šupljina i kanala u proizvodima.

Ultrazvuk se široko koristi za čišćenje žice, metalne trake, mlaznica, kablova, itd. Posebne primjene tehnologije ultrazvučnog čišćenja uključuju praškove za čišćenje, radioaktivno kontaminirane površine i regenerirajuće keramičke filtere.

Efikasnost ultrazvučnog čišćenja zavisi od izbora mnogih parametara, uključujući fizičko-hemijska svojstva tečnosti za pranje. Za ispravan izbor rješenja potrebno je uzeti u obzir prirodu zagađivača: stupanj njihovog prianjanja na površinu koja se čisti, kemijsku interakciju s otopinom za čišćenje, sposobnost izdržavanja opterećenja od mikrošokova (otpornost na kavitaciju). Preliminarna klasifikacija zagađivača je važna kako bi se utvrdilo koji od znakova ih je lakše ukloniti s površine. Nakon što ste odredili ovu značajku, možete odabrati pravu tehnologiju ultrazvučnog čišćenja (medij za čišćenje i parametri zvučnog polja).

S obzirom na prirodu onečišćenja i prirodu njihove veze s površinom, razlikuju se sljedeće glavne vrste kontaminacije:

Neorgansko zagađenje:

mehanički slabo vezani za površinu (prašina, piljevina, metalne i nemetalne strugotine, čađ itd.);
mehanički karikirani na površini (abrazivna zrna, mineralne ili metalne čestice);
taložene na površini (slane kore nakon obrade u slanim kupkama, kamenac i sl.).

Zagađivači i premazi organski ili organski vezani:

mehanički slabo vezani za površinu (prašina, plastična piljevina i strugotine, čađ, ugalj, koks);
s niskim stupnjem prianjanja na površinu (masni i uljni filmovi i maziva, paste za brušenje, poliranje i lapiranje);
čvrsto prianja na površinu (smola, lak, ljepilo, boja, itd.).

Oprema za ultrazvučno čišćenje

Za ultrazvučno čišćenje potrebna vam je posuda s tekućinom za čišćenje u kontaktu s površinom koju čistite i izvor ultrazvučnih vibracija tzv. ultrazvučni emiter... Kao takav emiter najčešće djeluje površina ultrazvučnog pretvarača. Postoje i opcije kada se pretvarač pričvrsti na zid rezervoara ili na objekt koji se čisti, a koji postaju emiteri.

Vrste opreme koje se koriste za ultrazvučno čišćenje:

Najčešći i najraznovrsniji uređaji za ultrazvučno čišćenje pojedinih delova su ultrazvučne kupke. Proizvodimo kade različitih veličina (od 0,6 do 19.000 litara) i oblika. U zavisnosti od namjene, kade se mogu opremiti raznim dodatnim uređajima: grijanje, tajmer, preljevni džep, mlazno čišćenje, cirkulacija i filtriranje otopine za pranje itd.

Male kade sa jednim ultrazvučnim emiterom: UZV-1, UZV-1.1.
Male kade sa nekoliko emitera, automatskim grijanjem i tajmerom: UZV-2, UZV-4, UZV-7.
Kade sa prelivnim džepovima: MO-46, MO-55, MO-197, MO-229, MO-207.
Kade sa dodatnim mlaznim čišćenjem: MO-12.
Kade za čišćenje velikih i veoma velikih predmeta: MO-21, MO-92, MO-93.
Specijalne kupke za čišćenje mlaznica za prskanje, čahure klipa itd.

Ultrazvučni moduli se koriste za poboljšanje postojeće opreme za pranje. Mogu se ugraditi u posude, uroniti u njih ili plutati na površini tekućine.

Za čišćenje dugih proizvoda (žice, trake, cijevi) nudimo specijalne instalacije koje se mogu ugraditi u proizvodne linije (

Šta je ultrazvuk?

Ultrazvuk (US) - elastične vibracije i valovi, čija je frekvencija veća od 15 ... 20 kHz. Donja granica područja ultrazvučnih frekvencija, koja ga odvaja od područja čujnog zvuka, određena je subjektivnim svojstvima ljudskog sluha i uslovna je. Gornja granica je zbog fizičke prirode elastičnih valova, koji se mogu širiti samo u materijalnom mediju, odnosno pod uvjetom da je valna dužina mnogo veća od srednjeg slobodnog puta molekula u plinovima ili međuatomskih udaljenosti u tekućinama i čvrstim tvarima. Stoga se u plinovima gornja granica ultrazvučnih frekvencija određuje iz uvjeta približne jednakosti zvučne valne dužine i slobodnog puta molekula. Pri normalnom pritisku je 10 9 Hz. U tečnostima i čvrstim materijama odlučujući faktor je jednakost talasne dužine sa međuatomskim rastojanjima, a granična frekvencija dostiže 10 12 -10 13 Hz. U zavisnosti od talasne dužine i frekvencije, ultrazvuk ima specifične karakteristike zračenja, prijema, širenja i primene, stoga se oblast ultrazvučnih frekvencija može pogodno podeliti u tri podregije:

Niska - 1,5–10 ... 10 5 Hz;

Prosjek - 10 5 ... 10 7 Hz;

Visoko - 10 7 ... 10 9 Hz.

Elastični talasi sa frekvencijama od 1 · 10 8 ... 1 · 10 13 Hz se obično nazivaju hiperzvukom.

Teorija zvučnih talasa

Ultrazvuk kao elastični talasi

Ultrazvučni talasi se po svojoj prirodi ne razlikuju od elastičnih talasa čujnog opsega, kao ni od infrazvučnih talasa.

Širenje ultrazvuka poštuje osnovne zakone uobičajene za akustične valove bilo kojeg frekvencijskog opsega, koji se obično nazivaju zvučni valovi. Osnovni zakoni njihovog širenja uključuju zakone refleksije i prelamanja zvuka na granicama različitih medija, difrakciju i raspršivanje zvuka u prisustvu prepreka i nehomogenosti u mediju i nepravilnosti na granicama, zakone širenja talasovoda u ograničenim oblasti medija.

Specifičnosti ultrazvuka

Iako su fizička priroda ultrazvuka i osnovni zakoni koji reguliraju njegovo širenje isti kao i za zvučne valove bilo kojeg frekvencijskog opsega, on ima niz specifičnosti koje određuju njegovu važnost u nauci i tehnologiji. Oni su zbog njegovih relativno visokih frekvencija i, shodno tome, male talasne dužine.

Dakle, za visoke ultrazvučne frekvencije, talasne dužine su:

U vazduhu - 3,4⋅10 -3 ... 3,4⋅10 -5 cm;

U vodi - 1,5⋅10 -2 ... 1,5⋅10 -4 cm;

U čeliku - 1⋅10 -2 ... 1⋅10 -4 cm.

Takva razlika u vrijednostima ultrazvučnih valova (USW) posljedica je različitih brzina njihovog širenja u različitim medijima. Za područje niske frekvencije, ultrazvučne talasne dužine u većini slučajeva ne prelaze nekoliko centimetara i samo blizu donje granice opsega dostižu nekoliko desetina centimetara u čvrstim materijama.

USW opada mnogo brže od niskofrekventnih valova, budući da je koeficijent apsorpcije zvuka (po jedinici udaljenosti) proporcionalan kvadratu frekvencije.

Još jedna vrlo važna karakteristika ultrazvuka je mogućnost dobivanja visokih vrijednosti intenziteta pri relativno malim amplitudama vibracijskog pomaka, budući da je pri datoj amplitudi intenzitet direktno proporcionalan kvadratu frekvencije. Amplituda vibracijskog pomaka je u praksi ograničena jačinom akustičnih emitera.

Najvažniji nelinearni efekat u ultrazvučnom polju je kavitacija - pojava u tečnosti mase pulsirajućih mehurića ispunjenih parom, gasom ili njihovom mešavinom. Složeno kretanje mjehurića, njihovo urušavanje, međusobno spajanje, itd., generiraju kompresijske impulse (mikrošok valove) i mikroprotoke u tekućini, uzrokuju lokalno zagrijavanje medija, ionizaciju. Ovi efekti utiču na supstancu: dolazi do razaranja čvrstih materija u tečnosti (kavitaciona erozija), pokreću se ili ubrzavaju različiti fizički i hemijski procesi (slika 1).

Rice. 1

Promjenom uslova za nastanak kavitacije moguće je pojačati ili oslabiti različite efekte kavitacije. Na primjer, s povećanjem frekvencije ultrazvuka povećava se uloga mikroprotoka i smanjuje erozija kavitacije; s povećanjem hidrostatskog tlaka u tekućini povećava se uloga mikrošokova. Povećanje frekvencije obično dovodi do povećanja granične vrijednosti intenziteta koja odgovara nastanku kavitacije, što zavisi od vrste tečnosti, njenog sadržaja gasa, temperature itd. Za vodu u niskofrekventnom ultrazvučnom opsegu pri atmosferskom pritisku, obično je 0,3-1 W / cm 3.

Izvori ultrazvuka

U prirodi se ultrazvuk nalazi u mnogim prirodnim šumovima (u buci vjetra, vodopada, kiše, u buci kamenčića koje je valjao morski valovit, u zvukovima koji prate pražnjenje groma, itd.), kao i u svijetu životinja koje ga koriste za eholokaciju i komunikaciju.

Tehnički ultrazvučni emiteri koji se koriste u proučavanju RAS i njihove tehničke primjene mogu se podijeliti u dvije grupe. Prvi uključuje emitere-generatore (zviždaljke). Oscilacije u njima se pobuđuju zbog prisutnosti prepreka na putu stalnog toka - mlaza plina ili tekućine. Druga grupa emitera su elektroakustični pretvarači: oni pretvaraju već date električne vibracije u mehaničke vibracije čvrstog tijela koje emituje akustične valove u okolinu.

Primjena ultrazvuka

Višestruke primjene ultrazvuka, u kojima se koriste različite njegove karakteristike, mogu se uvjetno podijeliti u tri smjera. Prvi je povezan s dobivanjem informacija putem RAS-a, drugi - s aktivnim djelovanjem na tvar, a treći - s obradom i prijenosom signala (pravci su navedeni po redoslijedu njihovog povijesnog formiranja).

Principi ultrazvučnog čišćenja

Glavnu ulogu u djelovanju ultrazvuka na tvari i procese u tekućinama ima kavitacija. Najrasprostranjeniji ultrazvučni tehnološki proces baziran je na kavitaciji – čišćenju površina od čvrstih materija. U zavisnosti od prirode kontaminacije, različite manifestacije kavitacije, kao što su mikrošokovi, mikroprotoci i zagrijavanje, mogu biti od većeg ili manjeg značaja. Odabirom parametara zvučnog polja, fizičko-hemijskih svojstava tečnosti za čišćenje, njenog sadržaja gasa, spoljnih faktora (pritisak, temperatura), moguće je kontrolisati proces čišćenja u širokim granicama, optimizujući ga u odnosu na vrstu kontaminacije. i vrstu delova koji se čiste. Vrsta čišćenja je jetkanje u ultrazvučnom polju, gdje se djelovanje ultrazvuka kombinira s djelovanjem jakih kemijskih reagensa. Ultrazvučna metalizacija i lemljenje zapravo se zasnivaju na ultrazvučnom čišćenju (uključujući i oksidni film) površina koje se spajaju ili metaliziraju. Čišćenje lemljenja (slika 2) uzrokovano je kavitacijom u rastopljenom metalu. Istovremeno, stepen pročišćavanja je toliko visok da se formiraju spojevi materijala koji se ne mogu lemiti u normalnim uslovima, na primer aluminijum sa drugim metalima, razni metali sa staklom, keramika i plastika.

Rice. 2

U procesima čišćenja i metalizacije bitan je i zvučno-kapilarni efekat koji osigurava prodiranje rastvora za čišćenje ili taline u najsitnije pukotine i pore.

Mehanizmi za čišćenje i pranje

Čišćenje u većini slučajeva zahtijeva da se nečistoće otopi (u slučaju soli za otapanje), ostruže (u slučaju nerastvorljivih soli) ili da se otapaju i ostruže (kao u slučaju nerastvorljivih čestica fiksiranih u sloju masnih filmova) . Mehanički efekti ultrazvučne energije mogu biti korisni i za ubrzavanje rastvaranja i za odvajanje čestica sa površine koja se čisti. Ultrazvuk se takođe može efikasno koristiti u procesu ispiranja. Preostale hemikalije deterdženta mogu se brzo ukloniti ultrazvučnim ispiranjem.

Prilikom uklanjanja zagađivača rastvaranjem, rastvarač mora doći u kontakt sa kontaminirajućim filmom i uništiti ga (slika 3, a). Kako otapalo otapa kontaminaciju, na granici otapalo – kontaminacija nastaje zasićena otopina kontaminacije u otapalu i otapanje prestaje, jer nema isporuke svježeg rastvora na površinu kontaminacije (slika 3, b).

Rice. 3

Izlaganje ultrazvuku uništava zasićeni sloj rastvarača i osigurava isporuku svježeg rastvora na površinu kontaminacije (slika 3, c). Ovo je posebno efikasno kada se čišćenje vrši na „nepravilnim“ površinama sa lavirintom sinusa i površinskim reljefom, kao što su štampane ploče i elektronski moduli.

Neki zagađivači su sloj nerastvorljivih čestica čvrsto pričvršćenih za površinu silama jonskog vezivanja i adhezije. Dovoljno je samo odvojiti ove čestice sa površine kako bi se razbili sile privlačenja i prenijele u volumen sredstva za čišćenje za naknadno uklanjanje. Kavitacija i akustične struje skidaju zagađivače kao što je prašina sa površine, ispiru ih i uklanjaju (slika 4).

Rice. 4

Zagađenje je, po pravilu, višekomponentno i može sadržavati i rastvorljive i nerastvorljive komponente u kompleksu. Učinak ultrazvuka je da emulgira sve komponente, odnosno prenosi ih u medij za pranje i zajedno s njim uklanja ih s površine proizvoda.

Za uvođenje ultrazvučne energije u sistem za čišćenje potrebni su ultrazvučni generator, pretvarač električne energije generatora u ultrazvučno zračenje i akustički mjerač snage.

Električni ultrazvučni generator pretvara električnu energiju iz mreže u električnu energiju na ultrazvučnoj frekvenciji. To se radi poznatim metodama i nema nikakvu specifičnost. Međutim, poželjno je koristiti tehniku digitalnog generiranja, kada su na izlazu pravokutni impulsi naizmjeničnog polariteta (slika 5). Efikasnost takvih generatora je blizu 100%, što omogućava rješavanje problema potrošnje energije procesa. Upotreba pravokutnog valnog oblika rezultira akustičnim zračenjem bogatim harmonicima. Prednosti multifrekventnog sistema za čišćenje su u tome što se ne formiraju „mrtve“ zone u interferentnim čvorovima u zapremini medija za čišćenje. Zbog toga višefrekventno ultrazvučno zračenje omogućava lociranje objekta za čišćenje praktično u bilo kojoj zoni ultrazvučne kupke.

Rice. 5

Druga tehnika za otklanjanje "mrtvih" zona je korištenje generatora frekvencije (slika 6). U ovom slučaju, čvorovi i antičvorovi interferentnog polja se pomiču na različite tačke sistema za čišćenje, ne ostavljajući nijedno područje za čišćenje bez zračenja. Ali efikasnost takvih generatora je relativno niska.

Rice. 6

Postoje dvije opće vrste ultrazvučnih pretvarača: magnetostriktivni i piezoelektrični. Oboje obavljaju isti zadatak pretvaranja električne energije u mehaničku energiju.

Magnetostriktivni pretvarači (slika 7) koriste efekat magnetostrikcije, pri čemu neki materijali mijenjaju svoje linearne dimenzije u naizmjeničnom magnetskom polju.

Rice. 7

Električna energija iz ultrazvučnog generatora se prvo pretvara pomoću namotaja magnetostriktora u naizmjenično magnetno polje. Promjenjivo magnetsko polje, zauzvrat, stvara mehaničke vibracije ultrazvučne frekvencije zbog deformacije magnetnog kruga u vremenu s frekvencijom magnetskog polja. Budući da se magnetostriktivni materijali ponašaju kao elektromagneti, frekvencija njihovih deformacijskih vibracija je dvostruko veća od frekvencije magnetskog, a samim tim i električnog polja.

Elektromagnetne pretvarače karakteriše povećanje gubitaka energije za vrtložne struje i preokret magnetizacije sa povećanjem frekvencije. Stoga se moćni magnetostriktivni pretvarači rijetko koriste na frekvencijama iznad 20 kHz. Piezo pretvarači, s druge strane, mogu dobro emitovati u opsegu megaherca. Magnetostriktivni pretvarači su općenito manje efikasni od svojih piezoelektričnih kolega. To je prvenstveno zbog činjenice da magnetostriktivni pretvarač zahtijeva dvostruku transformaciju energije: iz električne u magnetnu, a zatim iz magnetne u mehaničku. Gubici energije nastaju pri svakoj transformaciji. Ovo smanjuje efikasnost magnetostriktora.

Piezo pretvarači (slika 8) pretvaraju električnu energiju direktno u mehaničku pomoću piezoelektričnog efekta, u kojem neki materijali (piezoelektrici) mijenjaju svoje linearne dimenzije kada se primjenjuje električno polje. Ranije su se piezoelektrični materijali koristili za piezoelektrične materijale kao što su prirodni kristali kvarca i sintetizirani barij titanat, koji su bili krhki i nestabilni, a samim tim i nepouzdani. U modernim pretvaračima koriste se izdržljiviji i visoko stabilniji keramički piezoelektrični materijali. Velika većina ultrazvučnih sistema za čišćenje danas koristi piezoelektrični efekat.

Rice. osam

Oprema za ultrazvučno čišćenje

Opseg ultrazvučne opreme za čišćenje koja se koristi je vrlo širok: od malih stolnih modula u stomatologiji, draguljarnicama, elektronskoj industriji, do ogromnih sistema zapremine od nekoliko hiljada litara u nizu industrijskih aplikacija.

Odabir prave opreme je najvažniji za uspjeh ultrazvučnog čišćenja. Najjednostavnija aplikacija za ultrazvučno čišćenje može zahtijevati samo zagrijanu tekućinu za pranje. Složeniji sistemi za prečišćavanje zahtijevaju veliki broj kupki, od kojih se potonje moraju napuniti destilovanom ili dejoniziranom vodom. Najveći sistemi koriste potopljene ultrazvučne pretvarače, čija kombinacija može ozračiti kupke gotovo bilo koje veličine. Pružaju maksimalnu fleksibilnost i jednostavnost korištenja i održavanja. Ultrazvučne kupke zagrijani rastvor za čišćenje najčešće se koristi u laboratorijama, medicini, nakitu.

Linije ultrazvučnog čišćenja (slika 9), koje se koriste u velikoj proizvodnji, kombinuju u jednoj zgradi električne ultrazvučne generatore, ultrazvučne pretvarače, transportni sistem za pokretne objekte koji se tretiraju u kupatilima i sistem upravljanja.