Принцип роботи ультразвукової ванни - як вибрати та використовувати на виробництві або в домашніх умовах. Коли розчин для очищення слід замінити? Ефективне очищення: просто, недорого та ефективно

Серед усіх технологічних процесів, що протікають у рідких середовищах з впливом ультразвуку, очищення поверхонь твердих тіл набуло найбільшого застосування.

Ультразвукове очищення- спосіб очищення, що ґрунтується на використанні нелінійних ефектів, що виникають у рідині під дією ультразвукових коливань. Серед цих ефектів чільне значення має кавітація. Інші ефекти: акустичні течії, звуковий тиск, звукокапілярний ефект.

Кавітацієюназивається процес утворення порожнин і бульбашок в ультразвуковому полі під час фази розтягування, що є в змінному звуковому тиску. Під час фази стиснення ці порожнини та бульбашки закриваються.

Кавітація прискорює перебіг низки фізико-хімічних процесів. Причиною виняткової ефективності кавітації є те, що захлопування бульбашок починається біля поверхні, що очищається. Кавітація супроводжується виникненням дуже високих миттєвих гідростатичних тисків, які відривають прилиплі до поверхні, що очищається, частинки забруднень.

Кавітація чутна як шум, що шипить, що виникає в рідині при певному значенні інтенсивності ультразвукового поля.

Введення ультразвукових коливань у миючі розчини дозволяє не тільки прискорити процес очищення, але й отримати більше високий рівеньчистоти поверхні. При цьому здебільшого вдається виключити пожежонебезпечні та токсичні органічні розчинники та використовувати виключно водні розчини технічних миючих засобів. Це, безсумнівно, веде до поліпшення умов праці робітників, підвищення культури виробництва, а також дозволяє частково вирішити питання екологічної безпеки.

Ультразвук застосовують для очищення від забруднень, що виникають як при виготовленні виробів і деталей, так і їх експлуатації. Особливо корисне ультразвукове очищення при підготовці поверхонь перед нанесенням покриттів та при очищенні складних порожнин та каналів у виробах.

Ультразвук широко використовують для очищення дроту, металевої стрічки, форсунок, кабелю та ін. До спеціальних застосувань технології ультразвукового очищенняможна віднести очищення порошків, радіоактивно забруднених поверхонь, регенерацію керамічних фільтрів.

Ефективність ультразвукового очищення залежить від вибору багатьох параметрів, у т. ч. та фізико-хімічних властивостей миючої рідини. Для правильного вибору розчинів необхідно враховувати характер забруднень: ступінь їх адгезії до поверхні, що очищається, хімічна взаємодія з миючим розчином, здатність протистояти мікроударним навантаженням (кавітаційну стійкість). Попередня класифікація забруднень важлива для того, щоб визначити, за якою ознакою легше видалити їх з поверхні. Визначивши цю ознаку, можна правильно вибрати технологію ультразвукового очищення (миючі середовища та параметри звукового поля).

Враховуючи природу забруднень і характер їхнього зв'язку з поверхнею розрізняють такі основні види забруднень:

• Неорганічні забруднення:
• механічно слабо пов'язані з поверхнею (пил, тирса, металева та неметалічна стружка, сажа тощо);
• механічно шаржовані у поверхню (зерна абразивів, мінеральні або металеві частинки);
• обложені на поверхню (сольові кірки після обробки в сольових ваннах, накип тощо).
• Забруднення та покриття органічного характеру або на органічних зв'язках:
• механічно слабко пов'язані з поверхнею (пил, пластмасова тирса і стружка, сажа, вугілля, кокс);
• володіють невеликим ступенем адгезії до поверхні (жирові та масляні плівки та мастильні матеріали, шліфувальні, полірувальні та притиральні пасти);
• міцно зчеплені з поверхнею (смола, лак, клей, фарба тощо).

Устаткування для ультразвукового очищення

Для ультразвукового очищення потрібна ємність з миючою рідиною, що стикається з поверхнею, що очищається, і джерело ультразвукових коливань, званий ультразвуковим випромінювачем. Таким випромінювачем найчастіше виступає поверхня ультразвукового перетворювача. Можливі також варіанти, коли перетворювач кріпиться до стінки ємності або до самого об'єкта, що очищається, які і стають випромінювачами.

Типи обладнання, що використовується для ультразвукового очищення:

Найбільш поширені та різноманітні пристрої для ультразвукового очищення окремих деталей – це ультразвукові ванни. Ми випускаємо ванни різного об'єму (від 0,6 до 19 000 літрів) та форми. Залежно від призначення ванни можуть оснащуватися різноманітним додатковим обладнанням: нагріванням, таймером, переливною кишенею, струминним очищенням, циркуляцією та фільтрацією миючого розчину тощо.

• Малі ванни з одним ультразвуковим випромінювачем: УЗВ-1, УЗВ-1.1.
• Малі ванни з декількома випромінювачами, автоматичним підігрівом та таймером: УЗВ-2, УЗВ-4, УЗВ-7.
• Ванни з переливними кишенями: МО-46, МО-55, МО-197, МО-229, МО-207.
• Ванни з додатковим струменевим очищенням: МО-12.
• Ванни для очищення великих та особливо великих виробів: МО-21, МО-92, МО-93.
• Спеціальні ванни для очищення розпилювачів, втулок плунжерів тощо.

Ультразвукові модулі використовуються для покращення наявного мийного обладнання. Вони можуть вбудовуватися в ємності, занурюватися в них або плавати на поверхні рідини.

Для очищення довгомірних виробів (дроту, стрічки, труб) ми пропонуємо спеціальні установки, які можуть вбудовуватися у виробничі лінії.

Що таке ультразвук?

Ультразвук (УЗ) - пружні коливання та хвилі, частота яких вище 15...20 кГц. Нижня межа області ультразвукових частот, що відокремлює її від області чутного звуку, визначається суб'єктивними властивостями людського слуху та є умовною. Верхня межа обумовлена ​​фізичною природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише в матеріальному середовищі, тобто за умови, що довжина хвилі значно більша за довжину вільного пробігу молекул у газах або міжатомних відстаней у рідинах і твердих тілах. Тому в газах верхню межу частот УЗ визначають з умови приблизної рівності довжини звукової хвилі та довжини вільного пробігу молекул. При нормальному тиску вона становить 109 Гц. У рідинах і твердих тілах визначальним є рівність довжини хвилі міжатомних відстаней, і гранична частота досягає 1012-1013 Гц. Залежно від довжини хвилі та частоти УЗ має специфічні особливості випромінювання, прийому, поширення та застосування, тому область ультразвукових частот зручно поділити на три підобласті:

Низькі – 1,5–10…10 5 Гц;

Середні - 105...107 Гц;

Високі – 10 7 …10 9 Гц.

Пружні хвилі з частотами 1 · 10 8 … 1 · 10 13 Гц прийнято називати гіперзвуком.

Теорія звукових хвиль

Ультразвук як пружні хвилі

Ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль чутного діапазону, а також від інфразвукових хвиль.

Поширення ультразвуку підпорядковується основним законам, загальним для акустичних хвиль будь-якого діапазону частот, зазвичай називаних звуковими хвилями. До основних законів їх поширення відносяться закони відображення та заломлення звуку на межах різних середовищ, дифракція та розсіювання звуку за наявності перешкод та неоднорідностей у середовищі та нерівностей на кордонах, закони хвилеводного поширення в обмежених ділянках середовища.

Специфічні особливості ультразвуку

Хоча фізична природа УЗ і керівники його поширенням основні закони самі, що й у звукових хвиль будь-якого діапазону частот, він має низку специфічних особливостей, визначальних його значимість у науці й техніці. Вони обумовлені його щодо високими частотами і, відповідно, малою довжиною хвилі.

Так, для високих ультразвукових частот довжини хвиль становлять:

У повітрі - 3,4⋅10 -3 …3,4⋅10 -5 см;

У воді - 1,5⋅10 -2 …1,5⋅10 -4 см;

У сталі - 1⋅10 -2 … 1⋅10 -4 см.

Така різниця значень ультразвукових хвиль (УЗВ) обумовлена ​​різними швидкостями їх поширення у різних середовищах. Для низькочастотної області УЗ довжини хвиль не перевищують здебільшого кількох сантиметрів і лише поблизу нижньої межі діапазону досягають у твердих тілах кількох десятків сантиметрів.

УЗВ загасають значно швидше, ніж хвилі низькочастотного діапазону, оскільки коефіцієнт поглинання звуку (на одиницю відстані) пропорційний квадрату частоти.

Ще одна дуже важлива особливість УЗ - можливість отримання високих значень інтенсивності при відносно невеликих амплітудах коливального усунення, так як при даній амплітуді інтенсивність прямо пропорційна квадрату частоти. Амплітуда коливального зміщення практично обмежена міцністю акустичних випромінювачів.

Найважливішим нелінійним ефектом в ультразвуковому полі є кавітація - виникнення в рідині маси пухирців, що пульсують, заповнених парою, газом або їх сумішшю. Складний рух бульбашок, їх захлопування, злиття один з одним і т. д. породжують у рідині імпульси стиснення (мікроударні хвилі) та мікропотоки, що викликають локальне нагрівання середовища, іонізацію. Ці ефекти впливають на речовину: відбувається руйнування твердих тіл (кавітаційна ерозія), що перебувають у рідині, ініціюються або прискорюються різні фізичні та хімічні процеси (рис. 1).

Рис. 1

Змінюючи умови протікання кавітації, можна посилювати чи послаблювати різні кавітаційні ефекти. Наприклад, зі зростанням частоти УЗ збільшується роль мікропотоків і зменшується кавітаційна ерозія, зі збільшенням гідростатичного тиску рідини зростає роль мікроударних впливів. Збільшення частоти зазвичай призводить до підвищення порогового значення інтенсивності, що відповідає початку кавітації, яке залежить від роду рідини, її газоутримання, температури та ін. Для води в низькочастотному ультразвуковому діапазоні при атмосферному тискувоно зазвичай становить 0,3-1 Вт/см3.

Джерела ультразвуку

У природі УЗ зустрічається у складі багатьох природних шумів (у шумі вітру, водоспаду, дощу, у шумі гальки, що перекочується морським прибоєм, у звуках, що супроводжують грозові розряди, і т. д.), а також у світі тварин, що використовують його для ехолокації та спілкування.

Технічні випромінювачі ультразвуку, використовувані щодо УЗВ та його технічних застосуваннях, можна поділити на дві групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори (свистки). Коливання у них збуджуються через наявність перешкод шляху постійного потоку - струменя газу чи рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі: вони перетворюють вже задані електричні коливання на механічні коливання будь-якого твердого тіла, яке випромінює в довкілля акустичні хвилі.

Застосування ультразвуку

Різноманітні застосування УЗ, у яких використовуються різні його особливості, можна умовно розбити втричі напрями. Перше пов'язане з отриманням інформації за допомогою УЗВ, друге - з активним впливом на речовину та третє - з обробкою та передачею сигналів (напрямки перераховані в порядку їхнього історичного становлення).

Принципи ультразвукового очищення

Основну роль при впливі УЗ на речовини та процеси у рідинах грає кавітація. На кавітації заснований ультразвуковий технологічний процес, що отримав найбільше поширення - очищення поверхонь твердих тіл. Залежно від характеру забруднень більше або менше значення можуть мати різні прояви кавітації, такі як мікроударні дії, мікропотоки, нагрівання. Підбираючи параметри звукового поля, фізико-хімічні властивості миючої рідини, її вміст, зовнішні фактори (тиск, температуру), можна в широких межах керувати процесом очищення, оптимізуючи його стосовно типу забруднень і виду деталей, що очищаються. Різновидом очищення є травлення в ультразвуковому полі, де дія УЗ поєднується з дією сильних хімічних реагентів. Ультразвукова металізація і паяння грунтуються фактично на ультразвуковому очищенні (в т. ч. від окисної плівки) поверхонь, що з'єднуються або металізуються. Очищення при пайці (рис. 2) обумовлена ​​кавітацією у розплавленому металі. Ступінь очищення при цьому такий високий, що утворюються з'єднання неспівуваних у звичайних умовах матеріалів, наприклад, алюмінію з іншими металами, різних металів зі склом, керамікою, пластмасами.

Рис. 2

У процесах очищення та металізації істотне значення має також звукокапілярний ефект, що забезпечує проникнення миючого розчину або розплаву у найдрібніші тріщини та пори.

Механізми очищення та відмивання

Очищення в більшості випадків вимагає, щоб забруднення були розчинені (у разі розчинення солей), зчищені (у разі нерозчинних солей) або розчинені, і зчищені (як у разі нерозчинних частинок, закріплених у шарі жирових плівок). Механічні ефекти ультразвукової енергії можуть бути корисні як для прискорення розчинення, так і для відокремлення частинок від поверхні, що очищається. Ультразвук також можна ефективно використовувати в процесі ополіскування. Залишкові хімікалії миючих середовищ можуть бути швидко видалені ультразвуковим промиванням.

При видаленні забруднень розчиненням, розчиннику необхідно увійти в контакт із забруднювальною плівкою та зруйнувати її (рис. 3, а). У міру того, як розчинник розчиняє забруднення, на межі розчинник-забруднення виникає насичений розчин забруднення в розчиннику, і розчинення зупиняється, оскільки немає доставки свіжого розчину до поверхні забруднення (рис. 3, б).

Рис. 3

Вплив ультразвуку руйнує шар насиченого розчинника та забезпечує доставку свіжого розчину до поверхні забруднення (рис. 3, в). Це особливо ефективно, в тих випадках, коли очищенню піддаються "неправильні" поверхні з лабіринтом пазух та рельєфу поверхонь, до яких належать друковані плати та електронні модулі.

Деякі забруднення є шаром нерозчинних частинок, міцно зчепленим з поверхнею силами іонного зв'язку і адгезії. Ці частинки достатньо лише відокремити від поверхні, щоб розірвати сили тяжіння та перевести їх в об'єм миючого середовища для подальшого видалення. Кавітація та акустичні течії зривають із поверхні забруднення типу пилу, змивають та видаляють їх (рис. 4).

Рис. 4

Забруднення, як правило, багатокомпонентні і можуть у комплексі містити розчинні та нерозчинні компоненти. Ефект УЗ у цьому полягає, що він емульгує будь-які компоненти, тобто переводить в миючу середу і разом із нею видаляє їх із поверхні виробів.

Щоб ввести ультразвукову енергію в систему очищення необхідний УЗ-генератор, перетворювач електричної енергії генератора на УЗ-випромінювання та вимірювач акустичної потужності.

Електричний ультразвуковий генератор конвертує електричну енергію мережі в електричну енергію на ультразвуковій частоті. Це виконується відомими способами і не має жодної специфіки. Однак, краще використовувати цифрову техніку генерації, коли на виході виходять прямокутні імпульси полярності, що чергується (рис. 5). ККД таких генераторів близький до 100%, що дозволяє вирішити проблему енергоємності процесу. Використання сигналу прямокутної форми призводить до акустичного випромінювання, багатого гармоніками. Переваги багаточастотної системи очищення полягають у тому, що обсяг моючого середовища не утворюється “мертвих” зон у вузлах інтерференції. Тому багаточастотне УЗ-опромінення дозволяє мати об'єкт очищення практично в будь-якій зоні УЗ-ванни.

Рис. 5

Іншим прийомом позбавлення від “мертвих” зон є використання генератора з частотою, що коливається (рис. 6). У цьому випадку вузли та пучності інтерференційного поля переміщуються на різні точки очищувальної системи, не залишаючи без опромінення будь-які ділянки для очищення. Але ККД таких генераторів відносно низький.

Рис. 6

Є два загальні типи ультразвукових перетворювачів: магнітострикційний і п'єзоелектричний. Вони обидва виконують однакове завдання перетворення електричної енергії на механічну.

У магнітострикційних перетворювачах (рис. 7) використовують ефект магнітострикції, при якому деякі матеріали змінюють лінійні розміри в змінному магнітному полі.

Рис. 7

Електрична енергія від ультразвукового генератора спочатку перетворюється на обмотку магнітостриктора в змінне магнітне поле. Змінне магнітне поле, своєю чергою, породжує механічні коливання ультразвукової частоти з допомогою деформації магнитопровода в такт із частотою магнітного поля. Оскільки магнітострикційні матеріали поводяться подібно до електромагнітів, частота їх деформаційних коливань вдвічі вища за частоту магнітного, а, отже, і електричного поля.

Електромагнітним перетворювачам властиве зростання втрат енергії на вихрові струми та перемагнічування зі зростанням частоти. Тому потужні магнітострикційні перетворювачі рідко використовують на частотах вище 20 кГц. П'єзоперетворювачі, навпаки, можуть добре випромінювати в мегагерцовому діапазоні. Магнітострикційні перетворювачі взагалі менш ефективні, ніж їхні п'єзоелектричні аналоги. Це зумовлено, перш за все, тим, що магнітострикційний перетворювач вимагає подвійного енергетичного перетворення: з електричного в магнітне і потім магнітного в механічне. Втрати енергії відбуваються кожному перетворенні. Це зменшує ККД магнітострикторів.

П'єзоперетворювачі (рис. 8) конвертують електричну енергію прямо в механічну рахунок використання п'єзоелектричного ефекту, при якому деякі матеріали (п'єзоелектрики) змінюють лінійні розміри при додатку електричного поля. Раніше для п'єзовипромінювачів використовували такі п'єзоелектричні матеріали як природні кристали кварцу і титанат барію, що синтезувався, які були крихкими і нестабільними, а тому і ненадійними. У сучасних перетворювачах використовують більш міцні та високостабільні керамічні п'єзоелектричні матеріали. Переважна більшість систем УЗ-очищення сьогодні використовують п'єзоелектричний ефект.

Рис. 8

Устаткування ультразвукового очищення

Діапазон використовуваного обладнання ультразвукового очищення дуже широкий: від малих настільних модулів у стоматології, ювелірних магазинах, електронній індустрії до величезних систем з обсягами кілька тисяч літрів у ряді промислових застосувань.

Правильний вибір необхідного обладнаннямає першорядне значення в успіху застосування ультразвукового очищення. Найпростіше застосування УЗ-очищення може вимагати лише нагрітої миючої рідини. Складніші системи очищення вимагають великої кількості ванн, останні з яких повинні бути наповнені дистильованою або деіонізованою водою. Найбільші системи використовують ультразвукові перетворювачі, що занурюються, комбінація яких може опромінити ванни майже будь-якого розміру. Вони забезпечують максимальну гнучкість та легкість у використанні та обслуговування. Ультразвукові ванниз підігрівом миючого розчину найчастіше застосовуються у лабораторіях, медицині, ювелірній справі.

Лінії УЗ-очищення (рис. 9), що використовуються у великому виробництві, об'єднують в одному корпусі електричні УЗ-генератори, УЗ-перетворювачі, транспортну систему переміщення об'єктів очищення за ваннами та систему управління.