Principiul de funcționare a unei băi cu ultrasunete - cum să alegeți și să utilizați în producție sau acasă. Când trebuie înlocuită soluția de curățare? Curățare eficientă: simplă, ieftină și eficientă

Dintre toate procesele tehnologice care au loc în medii lichide cu efect de ultrasunete, curățarea suprafețelor de solide a primit cea mai mare aplicare.

Curățare cu ultrasunete- o metodă de curățare bazată pe utilizarea efectelor neliniare care apar într-un lichid sub acțiunea vibrațiilor ultrasonice. Printre aceste efecte, cavitația este de primă importanță. Alte efecte: curenți acustici, presiune sonoră, efect capilar sonor.

Cavitație se numește procesul de formare a cavităților și bulelor într-un câmp ultrasonic în timpul fazei de întindere, care este disponibil într-o presiune sonoră alternativă. În timpul fazei de compresie, aceste cavități și bule se prăbușesc.

Cavitația accelerează o serie de procese fizice și chimice. Motivul eficienței excepționale a cavitației este că prăbușirea bulelor începe la suprafața de curățat. Cavitația este însoțită de apariția unor presiuni hidrostatice instantanee foarte mari, care rupe particulele de murdărie care aderă la suprafața curățată.

Cavitația este auzită ca un șuierat generat într-un lichid la o anumită valoare a intensității câmpului ultrasonic.

Introducerea vibrațiilor ultrasonice în soluțiile de spălare permite nu numai accelerarea procesului de curățare, ci și obținerea mai multor grad înalt curățenia suprafeței. În acest caz, în majoritatea cazurilor, este posibil să se excludă solvenții organici periculoși și toxici de incendiu și să se utilizeze exclusiv soluții apoase de detergenți tehnici. Acest lucru duce, fără îndoială, la o îmbunătățire a condițiilor de muncă ale lucrătorilor, la o creștere a culturii de producție și, de asemenea, permite rezolvarea parțială a problemelor de siguranță a mediului.

Ultrasunetele sunt utilizate pentru curățarea de contaminanți care apar atât în ​​timpul fabricării produselor și pieselor, cât și în timpul funcționării acestora. Curățarea cu ultrasunete este utilă în special în pregătirea suprafeței înainte de aplicarea stratului de acoperire și la curățarea cavităților și canalelor complexe din produse.

Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă pentru curățarea sârmei, benzii metalice, duzelor, cablurilor etc. Pentru aplicații speciale ale tehnologiei curatare cu ultrasunete poate fi atribuită curățării pulberilor, suprafețelor contaminate radioactiv, regenerării filtrelor ceramice.

Eficacitatea curățării cu ultrasunete depinde de alegerea multor parametri, inclusiv de proprietățile fizico-chimice ale lichidului de spălare. Pentru alegerea corectă a soluțiilor, este necesar să se țină cont de natura contaminanților: gradul de aderență a acestora la suprafața de curățat, interacțiunea chimică cu soluția de curățare, capacitatea de a rezista la sarcinile de microșoc (rezistența la cavitație). Clasificarea preliminară a contaminanților este importantă pentru a determina după care dintre semne este mai ușor să le îndepărtați de pe suprafață. După ce ați determinat această caracteristică, puteți alege tehnologia potrivită de curățare cu ultrasunete (medii de curățare și parametrii câmpului sonor).

Având în vedere natura poluării și natura legăturii lor cu suprafața, se disting următoarele tipuri principale de poluare:

• Poluarea anorganică:
• lipit mecanic slab de suprafață (praf, rumeguș, așchii metalici și nemetalici, funingine etc.);
• caricaturat mecanic în suprafață (granule abrazive, particule minerale sau metalice);
• depuse la suprafață (cruste de sare după tratare în băi de sare, calcar etc.).
• Contaminanți și acoperiri organice sau organice legate:
• lipit mecanic slab de suprafață (praf, rumeguș și așchii de plastic, funingine, cărbune, cocs);
• cu un grad scăzut de aderență la suprafață (filme de grăsime și ulei și lubrifianți, paste de șlefuit, lustruit și lepuit);
• ferm lipit de suprafață (rășină, lac, lipici, vopsea etc.).

Echipament de curatare cu ultrasunete

Pentru curățarea cu ultrasunete, aveți nevoie de un recipient cu un lichid de curățare în contact cu suprafața de curățat și de o sursă de vibrații ultrasonice, numită emițător de ultrasunete... Suprafața traductorului ultrasonic acționează cel mai adesea ca un astfel de emițător. Există și opțiuni atunci când traductorul este atașat de peretele rezervorului sau de obiectul de curățat, care devin emițători.

Tipuri de echipamente utilizate pentru curățarea cu ultrasunete:

Cele mai comune și mai variate dispozitive pentru curățarea cu ultrasunete a pieselor individuale sunt băile cu ultrasunete. Producem cazi de diverse dimensiuni (de la 0,6 la 19.000 litri) si forme. În funcție de scop, băile pot fi echipate cu o varietate de echipamente suplimentare: încălzire, cronometru, buzunar de preaplin, curățare cu jet, circulație și filtrare a soluției de spălare etc.

• Băi mici cu un emițător de ultrasunete: UZV-1, UZV-1.1.
• Băi mici cu mai multe emițătoare, încălzire automată și temporizator: UZV-2, UZV-4, UZV-7.
• Băi cu buzunar de preaplin: MO-46, MO-55, MO-197, MO-229, MO-207.
• Băi cu curățare suplimentară cu jet: MO-12.
• Băi pentru curățarea articolelor mari și foarte mari: MO-21, MO-92, MO-93.
• Băi speciale pentru curățarea duzelor de pulverizare, bucșelor pistonului etc.

Modulele cu ultrasunete sunt folosite pentru a îmbunătăți echipamentele de spălat existente. Ele pot fi încorporate în recipiente, scufundate în ele sau plutesc pe suprafața unui lichid.

Pentru curățarea produselor lungi (sârmă, bandă, țevi), oferim instalații speciale care pot fi încorporate în liniile de producție (

Ce este ultrasunetele?

Ultrasunete (SUA) - vibrații și unde elastice, a căror frecvență este mai mare de 15 ... 20 kHz. Limita inferioară a regiunii frecvențelor ultrasonice, care o separă de regiunea sunetului audibil, este determinată de proprietățile subiective ale auzului uman și este condiționată. Limita superioară se datorează naturii fizice a undelor elastice, care se pot propaga numai într-un mediu material, adică cu condiția ca lungimea de undă să fie mult mai mare decât calea liberă medie a moleculelor în gaze sau distanțe interatomice în lichide și solide Oh. Prin urmare, în gaze, limita superioară a frecvențelor ultrasonice este determinată din condiția egalității aproximative a lungimii de undă a sunetului și a drumului liber al moleculelor. La presiunea normală, este de 10 9 Hz. În lichide și solide, factorul decisiv este egalitatea lungimii de undă cu distanțele interatomice, iar frecvența de tăiere atinge 10 12 -10 13 Hz. În funcție de lungimea de undă și frecvență, ultrasunetele au caracteristici specifice de radiație, recepție, propagare și aplicare, prin urmare, este convenabil să subdivizați regiunea frecvențelor ultrasonice în trei subregiuni:

Scăzut - 1,5–10 ... 10 5 Hz;

Medie - 10 5 ... 10 7 Hz;

Înalt - 10 7 ... 10 9 Hz.

Undele elastice cu frecvențe de 1 · 10 8 ... 1 · 10 13 Hz sunt denumite în mod obișnuit hipersunete.

Teoria undelor sonore

Ultrasunetele ca unde elastice

Undele ultrasonice prin natura lor nu diferă de undele elastice din domeniul audibil, precum și de undele infrasunete.

Propagarea ultrasunetelor respectă legile de bază comune undelor acustice din orice domeniu de frecvență, numite de obicei unde sonore. Legile de bază ale propagării lor includ legile reflectării și refracției sunetului la granițele diferitelor medii, difracția și împrăștierea sunetului în prezența obstacolelor și neomogenităților în mediu și neregularități la granițe, legile propagării ghidului de undă în limite limitate. zone ale mediului.

Caracteristici specifice ale ultrasunetelor

Deși natura fizică a ultrasunetelor și legile de bază care guvernează propagarea acestuia sunt aceleași ca și pentru undele sonore din orice domeniu de frecvență, acesta are o serie de caracteristici specifice care îi determină importanța în știință și tehnologie. Acestea se datorează frecvențelor sale relativ înalte și, în consecință, unei lungimi de undă mici.

Deci, pentru frecvențe ultrasunete înalte, lungimile de undă sunt:

În aer - 3,4⋅10 -3 ... 3,4⋅10 -5 cm;

În apă - 1,5⋅10 -2 ... 1,5⋅10 -4 cm;

În oțel - 1⋅10 -2 ... 1⋅10 -4 cm.

O astfel de diferență în valorile undelor ultrasonice (USW) se datorează vitezelor diferite de propagare a acestora în medii diferite. Pentru regiunea de joasă frecvență, lungimile de undă ultrasonice nu depășesc, în majoritatea cazurilor, câțiva centimetri și numai în apropierea limitei inferioare a intervalului ajung la câteva zeci de centimetri în solide.

USW scade mult mai repede decât undele de joasă frecvență, deoarece coeficientul de absorbție a sunetului (pe unitate de distanță) este proporțional cu pătratul frecvenței.

O altă caracteristică foarte importantă a ultrasunetelor este capacitatea de a obține valori de intensitate ridicată la amplitudini relativ mici ale deplasării vibraționale, deoarece la o amplitudine dată intensitatea este direct proporțională cu pătratul frecvenței. Amplitudinea deplasării vibraționale este în practică limitată de puterea emițătorilor acustici.

Cel mai important efect neliniar într-un câmp ultrasonic este cavitația - apariția într-un lichid a unei mase de bule pulsatoare umplute cu vapori, gaz sau amestecul acestora. Mișcarea complexă a bulelor, prăbușirea lor, fuzionarea între ele etc., generează impulsuri de compresie (unde de microșoc) și microfluxuri în lichid, provoacă încălzirea locală a mediului, ionizare. Aceste efecte afectează substanța: are loc distrugerea solidelor din lichid (eroziunea prin cavitație), sunt inițiate sau accelerate diferite procese fizice și chimice (Fig. 1).

Orez. unu

Prin modificarea condițiilor de apariție a cavitației, este posibilă îmbunătățirea sau slăbirea diferitelor efecte de cavitație. De exemplu, cu o creștere a frecvenței ultrasunetelor, rolul microfluxurilor crește și eroziunea cavitației scade; cu creșterea presiunii hidrostatice într-un lichid, rolul efectelor de microșoc crește. O creștere a frecvenței duce, de obicei, la o creștere a valorii intensității pragului corespunzătoare apariției cavitației, care depinde de tipul de lichid, conținutul său de gaz, temperatură etc. Pentru apa din domeniul ultrasonic de joasă frecvență la presiune atmosferică este de obicei 0,3-1 W / cm 3.

Surse de ultrasunete

În natură, ultrasunetele se găsesc în multe zgomote naturale (în zgomotul vântului, al cascadei, al ploii, în zgomotul pietricelelor rostogolite de fluviul mării, în sunetele care însoțesc descărcările fulgerelor etc.), precum și în lume. de animale care îl folosesc pentru ecolocare și comunicare.

Emițătorii tehnici de ultrasunete utilizați în studiul RAS și aplicațiile lor tehnice pot fi împărțiți în două grupe. Primul include emițători-generatori (fluiere). Oscilațiile din ele sunt excitate din cauza prezenței obstacolelor pe calea unui flux constant - un jet de gaz sau lichid. Al doilea grup de emițători este traductoarele electro-acustice: aceștia convertesc vibrațiile electrice deja date în vibrații mecanice ale unui corp solid, care emite unde acustice în mediu.

Aplicarea ultrasunetelor

Aplicațiile multiple ale ultrasunetelor, în care sunt utilizate diverse dintre caracteristicile sale, pot fi împărțite condiționat în trei direcții. Primul este asociat cu obținerea de informații prin RAS, al doilea - cu efect activ asupra substanței, iar al treilea - cu procesarea și transmiterea semnalelor (direcțiile sunt enumerate în ordinea formării lor istorice).

Principii de curățare cu ultrasunete

Rolul principal în efectul ultrasunetelor asupra substanțelor și proceselor din lichide îl joacă cavitația. Cel mai utilizat proces tehnologic cu ultrasunete se bazează pe cavitație - curățarea suprafețelor de solide. În funcție de natura contaminării, diferitele manifestări ale cavitației, cum ar fi impactul microșocurilor, microfluxurile și încălzirea, pot avea o importanță mai mare sau mai mică. Prin selectarea parametrilor câmpului sonor, a proprietăților fizico-chimice ale lichidului de spălare, a conținutului de gaz al acestuia, a factorilor externi (presiune, temperatură), se poate controla procesul de curățare în limite largi, optimizându-l în raport cu tipul de contaminare. și tipul de piese care trebuie curățate. Un tip de curățare este gravarea într-un câmp ultrasonic, unde acțiunea ultrasunetelor este combinată cu acțiunea unor reactivi chimici puternici. Metalizarea și lipirea cu ultrasunete se bazează de fapt pe curățarea cu ultrasunete (inclusiv din filmul de oxid) a suprafețelor care urmează a fi îmbinate sau metalizate. Curățarea prin lipire (Fig. 2) este cauzată de cavitația metalului topit. În acest caz, gradul de purificare este atât de mare încât se formează compuși din materiale care nu pot fi lipiți în condiții normale, de exemplu, aluminiu cu alte metale, diferite metale cu sticlă, ceramică și materiale plastice.

Orez. 2

In procesele de curatare si metalizare este esential si efectul sonoro-capilar, asigurand patrunderea solutiei de curatare sau topire in cele mai mici fisuri si pori.

Mecanisme de curățare și spălare

Curățarea necesită în majoritatea cazurilor ca impuritățile să fie dizolvate (în cazul sărurilor care se dizolvă), îndepărtate prin răzuire (în cazul sărurilor insolubile) sau ambele dizolvate și îndepărtate (ca în cazul particulelor insolubile fixate într-un strat de pelicule grase) . Efectele mecanice ale energiei ultrasonice pot fi utile atât pentru a accelera dizolvarea, cât și pentru a separa particulele de pe suprafața de curățat. De asemenea, ultrasunetele pot fi utilizate eficient în procesul de clătire. Substanțele chimice reziduale de detergent pot fi îndepărtate rapid prin clătire cu ultrasunete.

La îndepărtarea contaminanților prin dizolvare, solventul trebuie să intre în contact cu pelicula contaminantă și să o distrugă (Fig. 3, a). Pe măsură ce solventul dizolvă contaminarea, la interfața solvent-contaminare apare o soluție saturată de contaminare în solvent și dizolvarea se oprește, deoarece nu există nicio livrare de soluție proaspătă pe suprafața de contaminare (Fig. 3, b).

Orez. 3

Expunerea la ultrasunete distruge stratul de solvent saturat și asigură livrarea soluției proaspete la suprafața de contaminare (Fig. 3, c). Acest lucru este eficient în special atunci când curățarea este efectuată pe suprafețe „neregulate” cu un labirint de sinusuri și relief de suprafață, cum ar fi plăcile de circuite imprimate și modulele electronice.

Unii contaminanți sunt un strat de particule insolubile lipite ferm de suprafață de forțele de legătură și aderență ionică. Este suficient doar să separați aceste particule de suprafață pentru a rupe forțele de atracție și a le transfera în volumul mediului de curățare pentru îndepărtarea ulterioară. Cavitația și curenții acustici smulg contaminanții precum praful de pe suprafață, îi spală și îi îndepărtează (Fig. 4).

Orez. 4

Poluarea, de regulă, este multicomponentă și poate conține atât componente solubile, cât și insolubile într-un complex. Efectul ultrasunetelor este că emulsionează orice componente, adică le transferă într-un mediu de spălare și, împreună cu acesta, le îndepărtează de pe suprafața produselor.

Pentru a introduce energie ultrasonică în sistemul de curățare, sunt necesare un generator de ultrasunete, un convertor al energiei electrice a generatorului în radiații ultrasonice și un contor de putere acustică.

Un generator electric de ultrasunete convertește energia electrică din rețea în energie electrică la o frecvență ultrasonică. Acest lucru se face prin metode cunoscute și nu are nicio specificitate. Cu toate acestea, este de preferat să se folosească o tehnică de generare digitală, atunci când ieșirea sunt impulsuri dreptunghiulare de polaritate alternativă (Fig. 5). Eficiența unor astfel de generatoare este aproape de 100%, ceea ce face posibilă rezolvarea problemei consumului de energie al procesului. Utilizarea unei forme de undă dreptunghiulare are ca rezultat o radiație acustică bogată în armonici. Avantajele unui sistem de curățare multifrecvență sunt că nu se formează zone „moarte” în nodurile de interferență în volumul mediului de curățare. Prin urmare, iradierea cu ultrasunete cu mai multe frecvențe face posibilă localizarea obiectului de curățat practic în orice zonă a băii cu ultrasunete.

Orez. 5

O altă tehnică pentru a scăpa de zonele „moarte” este folosirea unui generator măturat (Fig. 6). În acest caz, nodurile și antinodurile câmpului de interferență se deplasează în diferite puncte ale sistemului de curățare, fără a lăsa zone pentru curățare fără iradiere. Dar eficiența unor astfel de generatoare este relativ scăzută.

Orez. 6

Există două tipuri generale de traductoare cu ultrasunete: magnetostrictive și piezoelectrice. Ambii îndeplinesc aceeași sarcină de conversie a energiei electrice în energie mecanică.

Convertizoarele magnetostrictive (Fig. 7) folosesc efectul magnetostricției, în care unele materiale își schimbă dimensiunile liniare într-un câmp magnetic alternant.

Orez. 7

Energia electrică de la generatorul cu ultrasunete este mai întâi convertită prin înfășurarea magnetostrictorului într-un câmp magnetic alternativ. Câmpul magnetic alternant, la rândul său, generează vibrații mecanice ale frecvenței ultrasonice datorită deformării circuitului magnetic în timp cu frecvența câmpului magnetic. Deoarece materialele magnetostrictive se comportă ca electromagneții, frecvența vibrațiilor lor de deformare este de două ori mai mare decât frecvența magnetică și, prin urmare, a câmpului electric.

Convertizoarele electromagnetice se caracterizează printr-o creștere a pierderilor de energie pentru curenții turbionari și inversarea magnetizării cu creșterea frecvenței. Prin urmare, traductoarele magnetostrictive puternice sunt rareori utilizate la frecvențe de peste 20 kHz. Traductoarele piezo, pe de altă parte, pot emite bine în intervalul de megaherți. Traductorii magnetostrictivi sunt în general mai puțin eficienți decât omologii lor piezoelectrici. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că un convertor magnetostrictiv necesită o dublă transformare a energiei: de la electric la magnetic și apoi de la magnetic la mecanic. Pierderile de energie apar la fiecare transformare. Acest lucru reduce eficiența magnetostrictorilor.

Traductoarele piezoelectrice (Fig. 8) convertesc energia electrică direct în energie mecanică prin utilizarea efectului piezoelectric, în care unele materiale (piezoelectrice) își schimbă dimensiunile liniare atunci când se aplică un câmp electric. Anterior, emițătorii piezoelectrici foloseau materiale piezoelectrice precum cristalele naturale de cuarț și titanatul de bariu sintetizat, care erau fragile și instabile și, prin urmare, nefiabile. Materialele piezoelectrice ceramice mai durabile și foarte stabile sunt utilizate în convertoarele moderne. Marea majoritate a sistemelor de curățare cu ultrasunete folosesc astăzi efectul piezoelectric.

Orez. opt

Echipament de curatare cu ultrasunete

Gama de echipamente de curățare cu ultrasunete utilizate este foarte largă: de la module mici de masă în stomatologie, magazine de bijuterii, industria electronică, până la sisteme uriașe cu volume de câteva mii de litri într-o serie de aplicații industriale.

Alegerea potrivita echipamentul necesar este de o importanță capitală pentru succesul curățării cu ultrasunete. Cea mai simplă aplicație de curățare cu ultrasunete poate necesita doar lichid de spălat încălzit. Sistemele de purificare mai complexe necesită un număr mare de băi, acestea din urmă trebuie umplute cu apă distilată sau deionizată. Cele mai mari sisteme folosesc traductoare cu ultrasunete submersibile, a căror combinație poate iradia băi de aproape orice dimensiune. Acestea oferă flexibilitate maximă și ușurință în utilizare și întreținere. Băi cu ultrasunete soluția de detergent încălzită este cel mai adesea folosită în laboratoare, medicină, bijuterii.

Liniile de curățare cu ultrasunete (Fig. 9), utilizate în producția pe scară largă, combină într-o singură clădire generatoare electrice de ultrasunete, traductoare cu ultrasunete, un sistem de transport pentru obiectele în mișcare pentru a fi tratate în băi și un sistem de control.