Ultragarsinės vonios veikimo principas – kaip išsirinkti ir naudoti gamyboje ar namuose. Kada reikia pakeisti valymo tirpalą? Efektyvus valymas: paprastas, nebrangus ir efektyvus

Iš visų technologinių procesų, vykstančių skystose terpėse ultragarso poveikiu, daugiausiai pritaikyta kietųjų dalelių paviršių valymui.

Ultragarsinis valymas- valymo metodas, pagrįstas netiesinių efektų, atsirandančių skystyje, veikiant ultragarso virpesiams, naudojimu. Tarp šių efektų kavitacija yra labai svarbi. Kiti efektai: akustinės srovės, garso slėgis, garso kapiliarinis efektas.

Kavitacija vadinamas ertmių ir burbuliukų susidarymo procesu ultragarsiniame lauke tempimo fazės metu, kuris pasiekiamas esant kintamam garso slėgiui. Suspaudimo fazės metu šios ertmės ir burbuliukai suyra.

Kavitacija pagreitina daugybę fizinių ir cheminių procesų. Išskirtinio kavitacijos efektyvumo priežastis yra ta, kad burbuliukų griūtis prasideda nuo valomo paviršiaus. Kavitaciją lydi labai aukšto momentinio hidrostatinio slėgio atsiradimas, kuris nuplėšia ant valomo paviršiaus prilipusias nešvarumų daleles.

Kavitacija girdima kaip šnypštimas, atsirandantis skystyje esant tam tikrai ultragarso lauko intensyvumo vertei.

Ultragarsinių virpesių įvedimas į plovimo tirpalus leidžia ne tik pagreitinti valymo procesą, bet ir gauti daugiau aukštas laipsnis paviršiaus švara. Šiuo atveju daugeliu atvejų galima neįtraukti ugniai pavojingų ir toksiškų organinių tirpiklių ir naudoti tik vandeninius techninių ploviklių tirpalus. Tai neabejotinai pagerina darbuotojų darbo sąlygas, didina gamybos kultūrą, taip pat leidžia iš dalies išspręsti aplinkos saugos klausimus.

Ultragarsas naudojamas valymui nuo teršalų, atsirandančių tiek gaminant gaminius ir dalis, tiek juos eksploatuojant. Ultragarsinis valymas ypač naudingas ruošiant paviršių prieš dengiant dangą ir valant sudėtingas ertmes bei kanalus gaminiuose.

Ultragarsas plačiai naudojamas vielos, metalinės juostos, purkštukų, kabelių ir kt. valymui. Specialiems technologijos pritaikymams ultragarsinis valymas galima priskirti miltelių, radioaktyviai užterštų paviršių valymui, keraminių filtrų regeneracijai.

Ultragarsinio valymo efektyvumas priklauso nuo daugelio parametrų pasirinkimo, įskaitant skalbimo skysčio fizikines ir chemines savybes. Norint teisingai parinkti tirpalus, būtina atsižvelgti į teršalų pobūdį: jų sukibimo su valomu paviršiumi laipsnį, cheminę sąveiką su valymo tirpalu, gebėjimą atlaikyti mikrosmūgines apkrovas (atsparumą kavitacijai). ). Preliminarus teršalų klasifikavimas yra svarbus siekiant nustatyti, pagal kurį iš ženklų lengviau juos pašalinti nuo paviršiaus. Nustačius šią savybę, galima pasirinkti tinkamą ultragarsinio valymo technologiją (valymo terpės ir garso lauko parametrus).

Atsižvelgiant į taršos pobūdį ir jų ryšio su paviršiumi pobūdį, išskiriami šie pagrindiniai taršos tipai:

• Neorganinė tarša:
• mechaniškai silpnai sukibęs su paviršiumi (dulkės, pjuvenos, metalo ir nemetalų drožlės, suodžiai ir kt.);
• mechaniškai karikatūruotas į paviršių (abrazyviniai grūdeliai, mineralinės ar metalo dalelės);
• nusėda ant paviršiaus (druskos pluta po apdorojimo druskos voniose, apnašos ir kt.).
• Teršalai ir dangos, surištos organiškai arba organiškai:
• mechaniškai silpnai sukibęs su paviršiumi (dulkės, plastikinės pjuvenos ir drožlės, suodžiai, anglis, koksas);
• su mažu sukibimo su paviršiumi laipsniu (riebalinės ir aliejinės plėvelės ir tepalai, šlifavimo, poliravimo ir šlifavimo pastos);
• tvirtai prilipęs prie paviršiaus (derva, lakas, klijai, dažai ir kt.).

Ultragarso valymo įranga

Ultragarsiniam valymui reikalingas indas su valymo skysčiu, besiliečiančiu su valomu paviršiumi, ir ultragarsinių virpesių šaltinis, vadinamas ultragarsinis spinduolis... Ultragarsinio keitiklio paviršius dažniausiai veikia kaip toks skleidėjas. Taip pat yra variantų, kai keitiklis tvirtinamas prie bako sienelės arba prie valomo objekto, kurie tampa skleidėjais.

Ultragarsiniam valymui naudojamos įrangos tipai:

Labiausiai paplitę ir įvairūs prietaisai, skirti atskirų dalių ultragarsiniam valymui, yra ultragarsinės vonios. Gaminame įvairaus dydžio (nuo 0,6 iki 19 000 litrų) ir formų vonias. Priklausomai nuo paskirties, voniose gali būti įrengta įvairi papildoma įranga: šildymas, laikmatis, perpildymo kišenė, valymas srove, plovimo tirpalo cirkuliacija ir filtravimas ir kt.

• Mažos vonios su vienu ultragarsiniu emitteriu: UZV-1, UZV-1.1.
• Mažos vonios su keliais emiteriais, automatiniu šildymu ir laikmačiu: UZV-2, UZV-4, UZV-7.
• Vonios su perpildymo kišenėmis: MO-46, MO-55, MO-197, MO-229, MO-207.
• Vonios su papildomu valymu srove: MO-12.
• Vonios dideliems ir labai dideliems daiktams valyti: MO-21, MO-92, MO-93.
• Specialios vonios purškimo purkštukams, stūmoklio įvorėms ir kt.

Ultragarsiniai moduliai naudojami esamai plovimo įrangai tobulinti. Jie gali būti įterpti į konteinerius, panardinti į juos arba plūduriuoti skysčio paviršiuje.

Ilgų gaminių (vielos, juostos, vamzdžių) valymui siūlome specialius įrenginius, kurie gali būti įmontuoti į gamybos linijas (

Kas yra ultragarsas?

Ultragarsas (US) – tamprios vibracijos ir bangos, kurių dažnis didesnis nei 15 ... 20 kHz. Apatinė ultragarso dažnių srities riba, skirianti ją nuo girdimo garso srities, yra nulemta subjektyvių žmogaus klausos savybių ir yra sąlyginė. Viršutinė riba yra dėl fizinės elastinių bangų prigimties, kurios gali sklisti tik materialioje aplinkoje, tai yra, jei bangos ilgis yra daug didesnis už vidutinį laisvą molekulių kelią dujose arba tarpatominius atstumus skysčiuose ir kietosios medžiagos Oi. Todėl dujose viršutinė ultragarso dažnių riba nustatoma iš apytikslės garso bangos ilgio ir laisvo molekulių kelio lygybės sąlygos. Esant normaliam slėgiui, jis yra 10 9 Hz. Skysčiuose ir kietose medžiagose lemiamas veiksnys yra bangos ilgio lygybė tarpatominiams atstumams, o ribinis dažnis siekia 10 12 -10 13 Hz. Priklausomai nuo bangos ilgio ir dažnio, ultragarsas turi specifinių spinduliavimo, priėmimo, sklidimo ir taikymo ypatybių, todėl ultragarso dažnių sritį patogu suskirstyti į tris subregionus:

Žemas - 1,5–10 ... 10 5 Hz;

Vidutinis - 10 5 ... 10 7 Hz;

Aukštas – 10 7 ... 10 9 Hz.

Elastinės bangos, kurių dažnis yra 1 · 10 8 ... 1 · 10 13 Hz, paprastai vadinamos hipergarsu.

Garso bangų teorija

Ultragarsas kaip elastinės bangos

Ultragarso bangos savo prigimtimi nesiskiria nuo elastinių garsinio diapazono bangų, taip pat nuo infragarso bangų.

Ultragarso sklidimas atitinka pagrindinius dėsnius, būdingus bet kokio dažnio diapazono akustinėms bangoms, paprastai vadinamoms garso bangomis. Pagrindiniai jų sklidimo dėsniai apima garso atspindžio ir lūžio prie įvairių terpių ribų dėsnius, garso difrakciją ir sklaidą esant kliūtims ir nehomogeniškumui terpėje bei nelygumams ribose, bangolaidžio sklidimo ribotoje aplinkoje dėsnius. terpės sritis.

Specifinės ultragarso savybės

Nors fizinė ultragarso prigimtis ir pagrindiniai jo sklidimą reglamentuojantys dėsniai yra tokie patys kaip ir bet kokio dažnio diapazono garso bangoms, jis turi nemažai specifinių ypatybių, lemiančių jo svarbą mokslui ir technologijoms. Jie atsiranda dėl gana aukštų dažnių ir atitinkamai mažo bangos ilgio.

Taigi, esant aukštiems ultragarso dažniams, bangos ilgiai yra:

Ore - 3,4⋅10 -3 ... 3,4⋅10 -5 cm;

Vandenyje - 1,5⋅10 -2 ... 1,5⋅10 -4 cm;

Pliene - 1⋅10 -2 ... 1⋅10 -4 cm.

Tokį ultragarso bangų (USW) verčių skirtumą lemia skirtingi jų sklidimo greičiai skirtingose ​​terpėse. Žemo dažnio regione ultragarso bangų ilgiai dažniausiai neviršija kelių centimetrų ir tik šalia apatinės diapazono ribos siekia kelias dešimtis centimetrų kietose medžiagose.

USW nyksta daug greičiau nei žemo dažnio bangos, nes garso sugerties koeficientas (atstumo vienetui) yra proporcingas dažnio kvadratui.

Kitas labai svarbus ultragarso bruožas yra galimybė gauti aukštas intensyvumo vertes esant santykinai mažoms vibracinio poslinkio amplitudėms, nes esant tam tikrai amplitudei intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas dažnio kvadratui. Vibracijos poslinkio amplitudę praktiškai riboja akustinių skleidėjų stiprumas.

Svarbiausias netiesinis efektas ultragarso lauke yra kavitacija – pulsuojančių burbuliukų masės, užpildytos garais, dujomis ar jų mišiniu, atsiradimas skystyje. Sudėtingas burbuliukų judėjimas, jų kolapsas, susiliejimas vienas su kitu ir kt., sukuria suspaudimo impulsus (mikrošoko bangas) ir mikrosroves skystyje, sukelia vietinį terpės įkaitimą, jonizaciją. Šie poveikiai paveikia medžiagą: vyksta skystyje esančių kietųjų dalelių irimas (kavitacinė erozija), pradedami arba pagreitėja įvairūs fizikiniai ir cheminiai procesai (1 pav.).

Ryžiai. vienas

Pakeitus kavitacijos atsiradimo sąlygas, galima sustiprinti arba susilpninti įvairius kavitacijos efektus. Pavyzdžiui, padidėjus ultragarso dažniui, didėja mikrosrautų vaidmuo ir mažėja kavitacijos erozija; padidėjus hidrostatiniam slėgiui skystyje, didėja mikrošoko efektų vaidmuo. Padidėjus dažniui, paprastai padidėja slenkstinė intensyvumo vertė, atitinkanti kavitacijos pradžią, kuri priklauso nuo skysčio tipo, jo dujų kiekio, temperatūros ir kt. Vandeniui žemo dažnio ultragarso diapazone Atmosferos slėgis paprastai yra 0,3-1 W / cm 3.

Ultragarso šaltiniai

Gamtoje ultragarsas aptinkamas daugelyje gamtos garsų (vėjo, krioklio, lietaus triukšme, jūros banglentės ridenamų akmenukų triukšme, žaibo išlydžius lydinčiame garsuose ir kt.), taip pat pasaulyje. gyvūnų, kurie jį naudoja echolokacijai ir bendravimui.

Techniniai ultragarso skleidėjai, naudojami tiriant RAS ir jų techninius pritaikymus, gali būti suskirstyti į dvi grupes. Pirmoji apima emiterius-generatorius (švilpukus). Svyravimai juose sužadinami dėl to, kad nuolatinio srauto kelyje yra kliūčių - dujų ar skysčio srovės. Antroji emiterių grupė – elektroakustiniai keitikliai: jie jau duotus elektrinius virpesius paverčia mechaniniais kieto kūno virpesiais, skleidžiančiais į aplinką akustines bangas.

Ultragarso taikymas

Daugelį ultragarso pritaikymų, kuriuose naudojamos įvairios jo savybės, sąlygiškai galima suskirstyti į tris kryptis. Pirmasis yra susijęs su informacijos gavimu per RAS, antrasis - su aktyviu poveikiu medžiagai, o trečiasis - su signalų apdorojimu ir perdavimu (kryptys išvardytos jų istorinio susidarymo tvarka).

Ultragarsinio valymo principai

Pagrindinį vaidmenį ultragarso įtakoje skysčiuose esančioms medžiagoms ir procesams atlieka kavitacija. Plačiausiai naudojamas ultragarsinis technologinis procesas yra pagrįstas kavitacija – paviršių valymu nuo kietųjų dalelių. Priklausomai nuo užterštumo pobūdžio, įvairios kavitacijos apraiškos, tokios kaip mikrošoko smūgiai, mikrosrautai, kaitinimas, gali turėti didesnę ar mažesnę reikšmę. Pasirinkus garso lauko parametrus, skalbimo skysčio fizikines ir chemines savybes, jo dujų kiekį, išorinius veiksnius (slėgį, temperatūrą), galima valdyti valymo procesą plačiose ribose, optimizuojant jį atsižvelgiant į užterštumo tipą. ir valomų dalių tipas. Valymo būdas yra ėsdinimas ultragarso lauke, kai ultragarso veikimas derinamas su stiprių cheminių reagentų veikimu. Ultragarsinis metalizavimas ir litavimas iš tikrųjų yra pagrįsti jungiamų arba metalizuojamų paviršių ultragarsiniu valymu (įskaitant nuo oksido plėvelės). Kietojo litavimo valymą (2 pav.) sukelia kavitacija išlydytame metale. Tokiu atveju gryninimo laipsnis yra toks didelis, kad susidaro medžiagų, kurių normaliomis sąlygomis negalima lituoti, junginiai, pavyzdžiui, aliuminis su kitais metalais, įvairūs metalai su stiklu, keramika, plastikai.

Ryžiai. 2

Valymo ir metalizavimo procesuose taip pat būtinas garso kapiliarinis efektas, užtikrinantis valymo tirpalo ar lydalo įsiskverbimą į mažiausius įtrūkimus ir poras.

Valymo ir plovimo mechanizmai

Daugeliu atvejų valant reikia ištirpinti priemaišas (jei tirpsta druska), nubraukti (jei netirpios druskos) arba ištirpinti ir nubraukti (kaip netirpių dalelių atveju, pritvirtintų riebalinių plėvelių sluoksnyje). . Mechaninis ultragarso energijos poveikis gali būti naudingas tiek norint pagreitinti tirpimą, tiek atskirti daleles nuo valomo paviršiaus. Ultragarsas taip pat gali būti efektyviai naudojamas skalavimo procese. Likusias ploviklio chemines medžiagas galima greitai pašalinti skalaujant ultragarsu.

Tirpinant šalinant teršalus, tirpiklis turi liestis su užteršiančia plėvele ir ją sunaikinti (3 pav., a). Tirpikliui ištirpinus užterštumą, tirpiklio ir užteršimo sąsajoje atsiranda prisotintas taršos tirpalas tirpiklyje ir tirpimas sustoja, nes šviežias tirpalas nepatenka į užteršimo paviršių (3 pav., b).

Ryžiai. 3

Ultragarso poveikis sunaikina prisotintą tirpiklio sluoksnį ir užtikrina šviežio tirpalo patekimą į užteršimo paviršių (3 pav., c). Tai ypač efektyvu, kai valomi „netaisyklingi“ paviršiai su sinusų labirintu ir paviršiaus reljefu, pavyzdžiui, spausdintinės plokštės ir elektroniniai moduliai.

Kai kurie teršalai yra netirpių dalelių sluoksnis, tvirtai prilipęs prie paviršiaus, veikiant joninio ryšio ir sukibimo jėgoms. Pakanka tik atskirti šias daleles nuo paviršiaus, kad būtų nutrauktos traukos jėgos ir jas būtų galima perkelti į valymo terpės tūrį, kad būtų galima vėliau pašalinti. Kavitacija ir akustinės srovės nuplėšia nuo paviršiaus teršalus, tokius kaip dulkes, nuplauna ir pašalina (4 pav.).

Ryžiai. 4

Tarša, kaip taisyklė, yra daugiakomponentė ir gali turėti tiek tirpių, tiek netirpių komponentų komplekse. Ultragarso poveikis yra tas, kad jis emulsuoja bet kokius komponentus, tai yra, perkelia juos į plovimo terpę ir kartu su ja pašalina nuo gaminių paviršiaus.

Norint įvesti ultragarso energiją į valymo sistemą, reikalingas ultragarsinis generatorius, generatoriaus elektros energijos keitiklis į ultragarso spinduliuotę ir akustinės galios matuoklis.

Elektrinis ultragarsinis generatorius paverčia elektros energiją iš tinklo į elektros energiją ultragarso dažniu. Tai atliekama žinomais metodais ir neturi specifiškumo. Tačiau geriau naudoti skaitmeninę generavimo techniką, kai išvestis yra stačiakampiai kintamo poliškumo impulsai (5 pav.). Tokių generatorių efektyvumas yra beveik 100%, todėl galima išspręsti proceso energijos suvartojimo problemą. Naudojant stačiakampę bangos formą, gaunama akustinė spinduliuotė, turtinga harmonikų. Daugiadažnės valymo sistemos privalumai yra tai, kad valymo terpės tūrio trukdžių mazguose nesusidaro „negyvos“ zonos. Todėl daugiadažnis ultragarsinis švitinimas leidžia praktiškai bet kurioje ultragarsinės vonios zonoje nustatyti valymo objekto vietą.

Ryžiai. 5

Kitas būdas atsikratyti „negyvų“ zonų yra naudoti nuvalytą generatorių (6 pav.). Tokiu atveju trukdžių lauko mazgai ir antimazgai persikelia į skirtingus valymo sistemos taškus, nepaliekant jokių valymui skirtų zonų be apšvitinimo. Tačiau tokių generatorių efektyvumas yra palyginti mažas.

Ryžiai. 6

Yra du pagrindiniai ultragarso keitiklių tipai: magnetostrikciniai ir pjezoelektriniai. Jie abu atlieka tą pačią užduotį – elektros energiją paverčia mechanine energija.

Magnetostrikciniuose keitikliuose (7 pav.) naudojamas magnetostrikcijos efektas, kai kai kurios medžiagos keičia savo linijinius matmenis kintamajame magnetiniame lauke.

Ryžiai. 7

Ultragarsinio generatoriaus elektros energija pirmiausia paverčiama magnetostriktoriaus apvija į kintamąjį magnetinį lauką. Kintamasis magnetinis laukas, savo ruožtu, sukuria mechaninius ultragarso dažnio virpesius dėl magnetinės grandinės deformacijos laiku, atsižvelgiant į magnetinio lauko dažnį. Kadangi magnetostrikcinės medžiagos elgiasi kaip elektromagnetai, jų deformacinių virpesių dažnis yra du kartus didesnis už magnetinio, taigi, ir elektrinio lauko dažnį.

Elektromagnetiniams keitikliams būdingi didėjantys sūkurinių srovių energijos nuostoliai ir įmagnetinimo pasikeitimas didėjant dažniui. Todėl galingi magnetostrikciniai keitikliai retai naudojami, kai dažnis viršija 20 kHz. Kita vertus, pjezo keitikliai gali gerai skleisti megahercų diapazoną. Magnetostrikciniai keitikliai paprastai yra mažiau veiksmingi nei jų pjezoelektriniai analogai. Taip yra visų pirma dėl to, kad magnetostrikciniam keitikliui reikalinga dviguba energijos transformacija: iš elektrinės į magnetinę ir iš magnetinės į mechaninę. Energijos nuostoliai atsiranda kiekvienos transformacijos metu. Tai sumažina magnetostriktorių efektyvumą.

Pjezo keitikliai (8 pav.) panaudojant pjezoelektrinį efektą elektros energiją tiesiogiai paverčia mechanine energija, kai veikiant elektriniam laukui kai kurios medžiagos (pjezoelektrikai) keičia savo linijinius matmenis. Anksčiau pjezoelektriniai emiteriai naudojo tokias pjezoelektrines medžiagas kaip natūralūs kvarco kristalai ir susintetintas bario titanatas, kurios buvo trapios ir nestabilios, todėl nepatikimos. Šiuolaikiniuose keitikliuose naudojamos patvaresnės ir labai stabilios keraminės pjezoelektrinės medžiagos. Didžioji dauguma ultragarsinių valymo sistemų šiandien naudoja pjezoelektrinį efektą.

Ryžiai. aštuoni

Ultragarso valymo įranga

Naudojamos ultragarso valymo įrangos asortimentas yra labai platus: nuo mažų stalinių modulių odontologijoje, juvelyrinių dirbinių parduotuvėse, elektronikos pramonėje iki didžiulių sistemų, kurių tūris siekia kelis tūkstančius litrų įvairiose pramonės srityse.

Teisingas pasirinkimas reikalinga įranga yra itin svarbus ultragarsinio valymo sėkmei. Paprasčiausiam ultragarsiniam valymui gali prireikti tik pašildyto plovimo skysčio. Sudėtingesnėms valymo sistemoms reikia daug vonių, pastarosios turi būti užpildytos distiliuotu arba dejonizuotu vandeniu. Didžiausiose sistemose naudojami povandeniniai ultragarsiniai keitikliai, kurių derinys gali apšvitinti beveik bet kokio dydžio vonias. Jie suteikia maksimalų lankstumą ir lengvą naudojimą bei priežiūrą. Ultragarsinės voniosšildomas ploviklio tirpalas dažniausiai naudojamas laboratorijose, medicinoje, papuošaluose.

Ultragarsinio valymo linijos (9 pav.), naudojamos stambioje gamyboje, viename pastate sujungia elektrinius ultragarsinius generatorius, ultragarsinius keitiklius, transportavimo sistemą, skirtą voniose apdorotiems objektams perkelti ir valdymo sistemą.