Устройство потокового ультразвукового диспергирования вязких лакокрасочных суспензий

 

Изобретение относится к устройствам сверхтонкого измельчения в жидких средах мелкодисперсных материалов и преимущественно может использоваться в лакокрасочной промышленности.

Устройство содержит камеру с входным и выходным патрубками, с высокоамплитудным наконечником ультразвукового вибратора, который установлен с проточным зазором относительно корпуса камеры, величина которого в совокупности с площадью зазора обеспечивает диспергацию твердой фазы лакокрасочных суспензий в процессе ее протекания через зазор. Уточняются также конструктивные особенности ультразвукового вибратора, обеспечивающие стабильный уровень амплитуд колебаний наконечника и, следовательно, высокое качество продукта обработки. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам сверхтонкого измельчения в жидких средах мелкодисперсных материалов и может найти применение в различных технологических процессах в медицинской, пищевой, химической промышленности. Высокая эффективность использования может быть при изготовлении лакокрасочных материалов. Измельченными материалами могут быть различные пигменты, красители и др.

Известно устройство ультразвуковой обработки суспензий, (а.с. 1799622 Струйная мельница по кл. B 02 C 19/06, опубликованное 07.03.93 г.).

Известное устройство содержит струйный насос, камеру измельчения рециркуляции суспензии. При этом сопло встроено внутрь полости гидроцилиндров струйного насоса не величину 1.5 мм, отражательная плита расположена от сопла на расстоянии 10-30 мм, излучатель ультразвука расположен на выходе камеры измельчения, в гидроцилиндре струйного насоса смонтированы два последовательно соединенных клапана, а сопло со стороны входа содержит калиброванную сверхпрочную втулку с отверстием 0,8.1 мм, причем камера измельчения и отражательная плита покрыты износостойким сверхпрочным материалом.

Измельчение материала происходит в основном в системе рециркуляции суспензии через струйный насос и камеру измельчения в момент удара о плиту высокоскоростной струи, вытекающей из сопла.

Недостатком данного устройства является то, что увеличены габариты устройства за счет вынесения ультразвукового преобразователя из зоны основной обработки, усложнено обслуживание всего устройства в целом. Кроме того, устройство обладает низкой эксплуатационной надежностью, т.к. отсутствует виброразвязка ультразвуковых колебаний корпуса и преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте США N 503536 "Способ ультразвукового измельчения взрывчатых веществ", МКИ B 02 C 19/00, опубл 30.07.91 г.

Данное устройство содержит камеру измельчения с входным и выходным патрубками, ультразвуковой вибратор, выполненный в виде концентратора колебаний, расположенный в полости камеры измельчения на некотором расстоянии от выходного патрубка.

Недостатком данного устройства является низкая эксплуатационная надежность из-за отсутствия виброразвязки вибратора с корпусом и отсутствия автоматического согласования вибратора с обрабатываемой средой. Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства и качества обработки материала.

Повышение эксплуатационной надежности достигается: за счет упрощения обслуживания при смене пьезоактивного элемента ультразвукового преобразователя, т. к. он вынесен из камеры измельчения; за счет возможности легкого изменения расстояния между концентратором и выходным патрубком; за счет виброразвязки концентратора с корпусом при соединении его с корпусом в узловой плоскости посредством мембраны; за счет уменьшения степени демпфирования колебаний концентратора обрабатываемой суспензией. Повышение качества обработки суспензии достигается за счет мотивированного выбора зазора, его площади и амплитуд колебаний концентратора в зазоре.

На фиг. 1 представлен общий вид одного из возможных вариантов реализации устройства, на фиг. 2 и 3, схемы конструктивных исполнений устройства и формы их колебаний.

Устройство ультразвуковой обработки суспензий содержит две камеры 1, 2 измельчения, каждая из которых соответственно имеет входные 3, 4 патрубки и выходные 5, 6 патрубки. Излучатель ультразвука состоит из вибратора 7, содержащего концентраторы 8, 9, выходной торец 10, 11 каждого из которых расположен соответственно вблизи торца выходного патрубка 5, 6. Конденсаторы 8, 9 выполнены из высокодобротного металла с малым волновым сопротивлением и симметрично расположены по обе стороны от вибратора 7. Кроме того, каждый из концентраторов соединен с корпусом камеры посредством мембраны 16 в узловой плоскости колебаний, т.е. в месте, где перемещения концентратора в продольном направлении равные нулю, что обеспечивает отсутствие передачи энергии на корпус. Для регулирования рабочего зазора между торцами концентраторов 8, 9 и торцами выходных патрубков 5, 6 устройство содержит ряд заменяемых прокладок 14, 15, которые после установки затягивают при завинчивании патрубков. Камеры 1, 2 измельчения могут быть соединены между собой гибкими шлангами 12, 13. Вся конструкция устройства скреплена шпильками 17, расположенными по его периметру. Для подачи обрабатываемой суспензии в камеры 1, 2 измельчения используют шестеренчатый насос 18 (МШ-20), запитываемый от последовательно соединенных трехфазного асинхронного двигателя 19 (серии 4А) и преобразователя частоты 20. Для подготовки суспензии перед обработкой в заявляемом устройстве используют дисольвер 21 и механический смеситель 22. На выходе каждой из камер установлен регулируемый дроссель, служащий для задания величины расхода и давления в соответствующей камере дроссель 23 для камеры 1.

Устройство ультразвуковой обработки суспензий работает следующим образом. В исходном состоянии шестеренчатый насос 18, подающий суспензию в камеры 1, 2 измельчения, отключен. Напряжение питания на пьезоактивном элементе ультразвукового преобразователя отсутствует. Лакокрасочную суспензию, например цинковые белила, перед ультразвуковой обработкой предварительной готовят, а именно: перемешивают в дисольвере твердую фазу (60% пигмента) и жидкую фазу (40% лака). Размер исходной фракции твердого более 100 мкм, вязкость суспензии более 300 мм²/сек. После чего полученную суспензию во избежание отстаивания постоянно перемешивают в предварительном смесителе и одновременно доводят до вязкости 180-200 мм²/сек.

Для работы заявляемого устройства включают шестеренчатый насос, подают напряжение питания на пьезоактивный элемент ультразвукового преобразователя. Ультразвуковой преобразователь, преобразует электрическую энергию в ультразвуковую вибрацию концентратора. Обрабатываемую суспензию из предварительного смесителя под давлением подаваемая суспензия попадает в зону обработки проточный зазор между торцем высокоамплитудного концентратора 8 и торцем выходного патрубка 5. Ультразвуковая обработка диспергируемого материала происходит за счет кавитационного воздействия и механического взаимодействия частиц.

Дисперсность обрабатываемого материала и производительность устройства зависит от параметров: а) диаметра выходного отверстия входного патрубка; б) рабочего зазора между торцем высокоамплитудного конца концентратора и торцем выходного патрубка; в) диаметра торца конца концентратора; г) давления подачи суспензии Давление подачи суспензии регулируют производительность шестеренчатого насоса, который запитывают от трехфазного асинхронного двигателя, подключенного к трехфазному преобразователю частоты, и величиной гидродинамического сопротивления дросселей 23, установленных на выходе каждой из камер. Увеличение давления в камере до 2.4 кг/см² увеличивает кавитационную активность в рабочем зазоре (это общеизвестно).

Проведенные эксперименты показывают, что обработка вязких суспензий в большом рабочем объеме, например в макрообъеме внутренней полости цилиндрического вибратора, является неэффективной по следующим причинам: быстрое погашение ультразвуковой энергии при распространении ультразвука от излучающей поверхности и интерференционные эффекты, приводящие к отсутствию кавитационного диспергирования в определенных зонах рабочего объема. Кроме того, при больших амплитудах колебаний развивается так называемый экранный эффект, локализующий кавитацию жидкой фазы суспензии в окрестности зоны небольшой протяженности от поверхности излучения, причем с ростом амплитуды колебаний эта зона еще более локализуется и препятствует распространению ультразвука в глубь рабочего объема. Поэтому в предлагаемой конструкции вся обработка происходит в тонком слое между торцем высокоамплитудного наконечника и торцем выходного патрубка, что позволяет произвести интенсивную обработку всего объема жидкости в протоке и однородно.

Кроме того, наличие тонкого слоя толщиной несколько десятков амплитуд колебаний позволяет развиться процессам чисто механического воздействия на частицы твердой фазы торец наконечника контактирует с ними, вызывая соударение и дробление частиц. Экспериментами показано, что для появления четко выраженного однородного эффекта диспергирования необходимо, чтобы величина зазора была меньшей одной пятой длины волны ультразвука 1 и обрабатываемой суспензии. В этом случае влияние волнового характера распространения ультразвука практически не проявляется.

Однако реализация очень малого зазора также недопустима: при уменьшении и увеличении зазора в процессе колебаний торца концентратора в этом случае происходит синхронное втекание и вытекание суспензии в зазор и из него с частотами ультразвукового диапазона, и возникающие при этом силы гидродинамического вязкого трения становятся практически бесконечно большими, полностью прекращая колебания торца концентратора, т.к. для преодоления этих сил необходима бесконечно большая мощность источника питания и вибратора. Поперечный размер торца наконечника концентратора в данном случае мал и следовательно мал поперечный размер зазора, и получим, что для обеспечения значений параметра сжимаемости [1] меньше единицы необходимо, чтобы зазор h был больше h>(3. 4)A, где A амплитуда колебаний торца наконечника концентратора. Учитывая, что, в процессе увеличения амплитуд колебаний путем увеличения напряжения питания на электрическом входе вибратора, первоначально достигается порог кавитации, характеризуемый обычно [2] пороговой колебательной скоростью V₀, а затем происходит достаточно резкое снижение акустического сопротивления излучению, увеличивающее амплитуды колебаний в 1,5.3 раза (в зависимости от степени согласования вибратора со средой), предлагается следующее ограничение на минимальную величину зазора (8...10)V_o/ω < h, где ω частота колебаний. Например, при величине порогового значения колебательной скорости для краски V₀ 0,2 м/сек, находим, что для частоты 20000 Гц минимальная величина зазора равна 100 мкм.

Другое ограничение на минимальную величину зазора является естественным и следует из возможности свободного протекания суспензии через зазор, т.е. h>(3.4)d₀, где d₀ максимальный диаметр частиц твердой фазы.

Существует еще одно существенное дополнение в пользу данного конструктивного решения. Наряду с диспергированием частиц твердой фазы происходят процессы как дезагрегатирования, так и агрегатирования этих же частиц, причем с ростом температуры среды, что характерно для кавитационных процессов, значительно преобладают процессы агрегатирования частиц. Это неприемлемо для некоторых технологических процессов, например при диспергировании лакокрасочных материалов, где наличие нескольких крупных частиц в пробе снижает марку всего обработанного объема. В данной конструкции наличие высоких амплитуд колебаний в зазоре, который сравним с этими амплитудами, вызывает мощное механическое воздействие, которое в сочетании с относительно высокой скоростью движения среды в зазоре, позволяет полностью устранить процесс агрегатирования частиц лакокрасочной суспензии. При этом необходимая дозировка ультразвукового воздействия на среду достигается как увеличением интенсивности колебаний наконечника, так и уменьшением величины зазора, что также увеличивает концентрацию энергии в зазоре и увеличивает дозировку воздействия на суспензию.

Эффективность работы любого ультразвукового устройства требует поддержания стабильного уровня амплитуд колебаний, что обеспечивает поддержание требуемого качества продукта обработки и связано с уменьшением влияния состояния обрабатываемой среды на вибратор. Данную ультразвуковую систему можно отнести к разряду рассогласованных со средой обработки (или недогруженной), т. к. площадь торца наконечника мала и, следовательно, мала излучаемая вибратором мощность, но и присоединенная к вибратору нагрузка также мала, в ее влияние на амплитуду, форму и частоту колебаний вибратора незначительно. Однако при обработке вязких сред в режиме высоких амплитуд колебаний это влияние все-таки существенно и приводит к изменению частоты и формы колебаний вибратора. Таким образом, существует противоречие между желанием передать обрабатываемой среде максимальную акустическую мощность и, с другой стороны, стабилизировать высокий уровень амплитуд колебаний независимо от изменений в акустической нагрузке (суспензии). Это противоречие в предлагаемой конструкции разрешается в пользу стабилизации высокого уровня амплитуд колебаний, а именно реализуется такой режим работы вибратора, когда развиваемая им механическая мощность большей своей частью тратится в самом вибраторе, а меньшая ее часть расходуется в нагрузке, т.е. полагаем, что акустический КПД менее 0,25. В этом случае площадь торца высокоамплитудного наконечника S выбирается из условия недогрузки вибратора: S < UIη/[4(V_o)ρC]
где
U и I номинальные напряжение и ток на электрическом входе вибратора при его согласовании с источником питания по модулю и фазе [2] η - электромеханический КПД вибратора, равный (= 0,5.0,6 для пьезоактивной части из магнитострикционного материала, 0,65.0,75 из пьезокерамического материала), r и C плотность и скорость звука в суспензии для докавитационного режима. Так, если потребляемые магнитострикционным вибратором напряжение и ток равны 150 B и 3 А, V₀ 0,2 м/сек, r 2200 кг/м³, C 1800 м/сек, то площадь торца вибратора должна быть менее 3,9 · 10^-4 м², а радиус менее 1,1 см.

Особенно вредным, по нашим данным, является влияние асимметрии нагрузки на концы вибратора, которое приводит к изменению формы колебаний, а именно перемещает места пучностей и узлов колебаний в сторону рабочего торца наконечника. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению доли продольного размера пьезоактивной части вибратора, работающей в сторону обрабатывающего высокоамплитудного наконечника, (на величину размера D на фиг. 2) и еще более уменьшает интенсивность его колебаний.

Выход из данной ситуации или еще более уменьшать площадь торца наконечника, что возможно только до определенных пределов, т.к. уменьшается и производительность устройства, или симметрировать нагрузку на вибратор, выполнив его заодно с другим соосно и симметрично расположенным вибратором с полностью аналогичной камерой. В этом случае любые изменения в нагрузке происходят симметрично и практически синхронно, что приводит к существенной стабилизации амплитуд колебаний, т.к. смещения формы колебаний в ту и другую сторону происходят симметрично и разнонаправленно и при суммировании взаимокомпенсируются. Именно такое устройство и показано на фиг. 1 и 2.

Пьезоактивная часть вибратора размещена в окрестности узла колебаний в плоскости симметрии устройства, что обеспечивает одинаковые потоки мощности в обоих направлениях. Общеизвестно, что условие резонанса вибратора продольного типа с условиями свободного края это равенство длины вибратора величине, кратной половине длины волны в его материале. Следовательно, при симметричном расположении пьезоактивной части длина каждого из вибраторов должна быть равна величине (2N + 1)L/4, где L длина волны ультразвука в материале вибратора, N 1, 2, 3. что следует непосредственно из распределения амплитуд колебаний на фиг. 2.

Немного худший, но аналогичный эффект можно достичь при размещении между симметричными вибраторами вибропоглощающей прокладки (типа резины), толщиной L/(4.8), что обеспечивает в процессе работы смещение узлов колебаний каждого из вибраторов в сторону к прокладке (смещение узла колебаний в пьезоактивной части вибратора в сторону неработающего торца вибратора рекомендовано также в работе Гальпериной А.Н. "К построению одно- и двухполуволновых ультразвуковых систем с преобразователями и концентраторами" см. Акустический журнал, т. 29, вып. 6, 1983 г. но там это осуществляется за счет конструктивной асимметрии вибратора). Следовательно, при нагружении торцевые высокоамплитудных наконечников на вязкую суспензию, появляющееся смещение узла колебаний в пьезоактивной части будет скомпенсировано вязко-упругой нагрузкой на нерабочем торце. Расположение вибропоглощающей прокладки 1 (см. фиг. 3) между торцами вибраторов в плоскости симметрии имеет добавочный эффект: осуществляется своего рода акустическая отрицательная обратная связь по амплитуде между торцами вибраторов, глубина которой регулируется увеличением или уменьшением толщины прокладки в указанном выше диапазоне значений, при этом увеличивается или уменьшается уровень акустического сигнала между вибраторами за счет затухания его в материале прокладки. Отсюда следует, что любое увеличение амплитуд колебаний торцев вибраторов приведет к появлению компенсирующего это увеличение сигнала. Нетрудно видеть (см. фиг.3), что длина каждого из вибраторов в этом случае равна NL/2, т.е. кратна половине длины волны ультразвука в материале вибраторов.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить качество диспергирования суспензии за счет концентрации в достаточно малом по толщине слое акустической энергии большой мощности и вовлечение в процесс не только кавитационного воздействия, но и механического воздействия конца концентратора, вызывающее дробление, истирание и интенсивное перемешивание частиц суспензии, препятствующее их агрегатированию. Малая толщина зазора и замыкание всего потока на зазор исключает влияние волнового распространения акустической мощности и позволяет произвести обработку всего потока суспензии практически однород но.

Формула изобретения

1. Устройство потокового ультразвукового диспергирования вязких лакокрасочных суспензий, содержащее камеру с входным и выходным патрубками и высокоамплитудный наконечник ультразвукового вибратора, установленный с проточным зазором от корпуса камеры, отличающееся тем, что высокоамплитудный наконечник установлен относительно корпуса камеры с проточным зазором h, который ограничен диапазоном значений
(8 - 10)V_o/ω < h < L/5,
где L длина волны ультразвука в суспензии;
V₀ амплитуда колебательной скорости торца высокоамплитудного наконечника для порога кавитации в суспензии;
ω - частота колебаний,
при этом должно выполняться условие проточности зазора:
h > (3 4)d₀,
где d₀ максимальный диаметр частиц твердой фазы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь S торца высокоамплитудного наконечника выбирается из условия недогрузки вибратора
S < UIη/[4(V_o)ρc],
где U и I номинальное напряжение и ток на электрическом входе вибратора при его согласовании с источником питания по модулю и фазе;
η электромеханический КПД вибратора;
r и c плотность и скорость звука в суспензии для докавитационного режима.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вибратор герметично связан с корпусом камеры в его узловой плоскости посредством мембранных элементов.

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что высокоамплитудный наконечник установлен напротив выходного патрубка с зазором, а площадь торца высоковольтного наконечника больше площади окна выходного патрубка.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что высокоамплитудный наконечник установлен напротив входного патрубка, а площадь торца высокоамплитудного наконечника больше площади окна входного патрубка.

6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что вибратор выполнен заодно с другим соосно и симметрично расположенным вибратором и камерой.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что длина каждого из вибраторов равна величине (2N + 1)L/4, где L длина волны ультразвука в материале вибратора, N 1, 2, 3.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что симметричные вибраторы связаны между собой через вибропоглощающую прокладку, размещенную в плоскости симметрии, а длина каждого из вибраторов равна NL/2.

9. Устройство по пп.1 8, отличающееся тем, что на выходе из камер установлен регулируемый дроссель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3