Ультразвукова технологія
Ультразвуковий метод обробки відноситься до електрофізичного впливу на матеріал. Частота впливів відповідає діапазону нечутних людським вухом звуків (частота 16-105 кГц). При поширенні в матеріальному середовищі ультразвукова хвиля переносить певну енергію, яка може безпосередньо використовуватися в технологічних процесах або перетворюватися на інші види енергії (теплову, хімічну, механічну).
В якостіджерел ультразвукових коливань використовують аеродинамічні, механічні, гідродинамічні, електромагнітні, електродинамічні, магнітострикційні та п'єзоелектричні випромінювачі.
Основним елементом випромінювача є електроакустичний перетворювач (магнітострикційний або п'єзоелектричний). Він з'єднаний з узгоджувальним пристроєм, що здійснює передачу акустичної енергії від перетворювача в середовище, що обробляється, а також створює розміри випромінюючої поверхні і інтенсивність ультразвукового поля.
Як узгоджувальні пристрої використовують, як правило, хвилеводні концентратори акустичні - розширюються (для рідин) або звужуються (для твердих речовин), резонансні (налаштовані на певну частоту) або нерезонансні пластини.
Узгоджувальний пристрій, крім того, може одночасно виконувати функції різального або будь-якого іншого інструменту (наприклад, при свердлінні, зварюванні, пайці). Іноді застосовують перетворювачі, що працюють без узгоджувального пристрою (наприклад, кільцеві перетворювачі, вбудовані в трубопровід).
Ультразвукова обробка твердих речовин використовується в основному для зварювання металів, пластмас та синтетичних тканин, при різанні металів, скла, кераміки, алмазу тощо. (наприклад, присвердлінні, точенні, гравіювання), а також при обробці металів тиском (волоченні, штампуванні, пресуванні та ін.).
Різання на ультразвукових верстатах забезпечує високу точність, дозволяє отримувати не тільки прямі круглі отвори, а й вирізи складних перерізів, криволінійні канали. Ультразвук, підведений до інструменту звичайного металорізального верстата (наприклад, свердлу, різцю), інтенсифікує обробку та покращує дроблення стружки.
При обробці металів тиском ультразвукові коливання покращують умови деформування та знижують необхідні зусилля. При ультразвуковому поверхневому зміцненні підвищуються мікротвердість та зносостійкість, знижується шорсткість поверхні. У всіх цих процесах ультразвук зазвичай підводять за допомогою хвилеводного концентратора до робочих органів машин (наприклад, до свердла, валок прокатного стану, штамп преса, фільєри).
Ультразвукова обробка в рідинах (рідин) заснована головним чином на виникненні кавітації. За певних умов поширення ультразвукових коливань в рідкому середовищі відбуваються стиснення, що чергуються, і розтягування з частотою проходять коливань. У момент розтягування у краплинній рідині утворюються порожнини, заповнені газом, парою або їх сумішшю (так звані кавітаційні бульбашки). У момент стиснення бульбашки захлопуються, у результаті виникають ударні хвилі з великою амплітудою тиску. Ці механічні зусилля є причиною руйнівної дії ультразвуку. Місцеві ударні тиски часто перевищують 980 мПа.
Деякіефекти кавітації (гідравлічні удари при захлопуванні бульбашок та мікропотоки, що виникають у рідині біля бульбашок) використовуються при паянні та лудженні, диспергуванні, очищенні деталей і т.д. Іншіефекти (розігрів пари всередині бульбашки та їх іонізація) використовуються для ініціювання та прискорення хімічних реакцій. Іноді для інтенсифікації ультразвукової обробки процес ведуть при підвищеному тиску.
При паянні та лудженні металів (алюмінію, титану, молібдену) ультразвук руйнує окисні плівки на поверхні деталей і полегшує перебіг процесу. З використанням ультразвуку можна лудити, а потім паяти кераміку, скло та інші неметалеві матеріали. Ультразвук підводять хвилеводним концентратором до припою, розміщеного у ванну або нанесеного на поверхню деталі.
Доцільно використання ультразвуку для очищення деталей та складальних одиниць складної форми від забруднень у машинобудуванні. Якість звукового очищення незрівнянно коїться з іншими способами. Наприклад, при очищенні деталей за допомогою органічних розчинників на поверхні залишається 80% забруднень, при вібраційній – 25%, а при ультразвуковій – 0,5%.
Хороші результати дає використання ультразвуку для миття фруктів, відмивання частинок крохмалю з картоплі перед смаженням, сушінням.
Розроблено прискорену технологію виробництва виноградного соку, згідно з якою видалення надлишку винного каменю проводиться із застосуванням ультразвукової обробки. Сік після такої обробки добре фільтрується і стає прозорим.
Очищення здійснюється у ваннах із вбудованими електроакустичними випромінювачами. У робочу рідину додають поверхнево-активні речовини. Для зняття задирок з деталей в рідину вводять абразивні частинки, що прискорюють обробку.
Дегазацію (звільнення від газів) рідин здійснюють при малій (зазвичай нижче порога кавітації) інтенсивності ультразвуку. Дрібні газові бульбашки, зважені в рідині, зближуються один з однимдругом, злипаються і виринають на поверхню. Дегазації піддають розплави оптичного скла, рідкі алюмінієві сплави та інші рідини. Ультразвукову обробку використовують при збагаченні (флотації) руд - газові бульбашки осідають на поверхнях частинок мінералів і виринають разом з ними.
Ультразвукова обробка надає сприятливий вплив на процес кристалізації розплавів металів при литті, що істотно покращує структуру зливка та його механічні властивості. Для утворення емульсій зазвичай застосовують ультразвукові апарати у вигляді свистків або сирен.
Промислове значення ультразвуку може бути використане для приготування водно-жирових емульсій будь-яких концентрацій та різної консистенції. Такі емульсії мають більшу стійкість, при додаванні в тісто значно покращують якість хлібобулочних виробів.
Приготування суспензій в основному ведуть в апаратах з магнітострикційними перетворювачами, що працюють при підвищеному тиску.
Утворення аерозолів відбувається при ультразвуковій обробці рідини в тонкому шарі за допомогою хвилеводного концентратора, що є розпилювальною насадкою. Ультразвук можна використовувати для отримання аерозолів (наприклад, при отриманні гарячого диму для копчення продуктів на основі коптильної рідини).
При ультразвуковій обробці добре деполімеризуються у розчинах високомолекулярні сполуки. Ця властивість використовується, наприклад, при синтезі різних блок-і щеплених кополімерів, для отримання з природних полімерів цінних низькомолекулярних речовин.
Ультразвукові коливання застосовуються для прискорення процесу полімеризації при виготовленні штучного каучуку, прискорення розчинення твердих речовин рідини. Так,тривалість розчинення віскози у процесі виготовлення хімічних волокон при застосуванні ультразвуку скорочується з 7 до 3 год.
Ультразвукова обробка прискорює багато масообмінних процесів (розчинення, екстрагування, просочення пористих тіл тощо), хід яких обмежується швидкістю дифузії.
Дія високих температур всередині кавітаційних бульбашок, зменшення товщини прикордонного шару та його турбулізація інтенсифікують також хімічні та масообмінні процеси, що протікають спільно. За допомогою ультразвуку можна прискорити дифузійні процеси. Наприклад, при посоле оселедця обробка ультразвуком значно прискорює процес проникнення солі, підвищується проникність оболонок клітин фруктів та овочів, що полегшує процес вилучення соку.
Ультразвук використовується для прискорення екстракційних процесів. Отримання риб'ячого жиру з риб'ячої печінки при обробці ультразвуком відбувається без значного підвищення температури, що дозволяє зберегти у готовому продукті всі біологічно активні речовини.
Ультразвукова обробка в газах (газів) викликає коагуляцію аерозолів і пилу (укрупнення та осадження зважених у газах дрібних частинок) і застосовується, наприклад, в акустичному пиловловлювачі.
При збудженні ультразвуку в нагрітому газі (сушильному агенті) інтенсифікується сушіння пористих тіл – прискорюється випаровування з вільної поверхні рідини, у капілярах виникають акустичні течії тощо. Ультразвукова сушіння зазвичай застосовується спільно з іншими видами сушіння (наприклад, інфрачервоною, високочастотною), як джерела ультразвуку використовують сирени.
За допомогою ультразвука процес сушіння можна вести при більш низьких температурах, що сприяє збереженню харчової цінності висушуваногопродукту. Найбільш сприятливо акустична сушка протікає при механічному переміщенні частинок матеріалу, особливо при сушінні в киплячому шарі або при безперервному перемішуванні. Сушіння в киплячому шарі забезпечує більшу інтенсивність процесу, високий коефіцієнт заповнення обсягу, при цьому повніше використовується звукова норма.
Розширюється область практичного використання ультразвукової обробки (наприклад, у харчовій промисловості для освітлення вин та лікерів, у фармацевтичній – для стерилізації та приготування різних препаратів тощо).
За допомогоюультразвукової фільтрації можна розділяти рідкі неоднорідні системи. Суспензія, що подається в ультразвуковий фільтр, піддається впливу ультразвуку. Під дією звукових хвиль тверді частинки суспензії коагулюють і у вигляді осаду збираються в нижній частині апарату. Рідка фаза витікає через штуцер у верхній частині апарату.
Встановлено позитивний вплив ультразвуку на смакові якості шоколаду: він відрізняється ніжністю, бархатистістю та тоншим букетом. Під впливом ультразвуку в'язкість шоколадної маси знижується на 7–10%.
Ефективне застосуванняультразвукових гомогенізаторів. Так, під впливом ультразвукових коливань обсягом емульсії (вода і молочні жирові кульки) утворюються кавітаційні бульбашки. При їх схлопывании виникають ударні хвилі, що інтенсивно подрібнюють жирові кульки. Ультразвукова гомогенізація має низку переваг, і головне з них – можливість керувати процесом, регулюючи частоту та амплітуду коливань. Крім того, за допомогою ультразвуку стерилізують молоко за кімнатної температури. При цьому корисні речовини молока, що руйнуються при нагріванні, у ньому збережуться.
За допомогою ультразвуку можнаотримувати і дрібнодисперсні суспензії. Руйнування твердих частинок відбувається у дві стадії: спочатку при зіткненнях в частках виникають мікротріщини, а потім ударні хвилі кавітації розширюють і поглиблюють тріщини, розколюючи частинку.
Ультразвукові гомогенізатори також необхідні при виробництві плодових соків та пюре для вилучення рослинних компонентів без використання органічних розчинників, при виготовленні антибіотиків з підвищеною антибактеріальною активністю.