CC BY
5
УДК 621.647.23
Методика розрахунку цилшдрично1 ультразвуково1 кав!тащйно1 камери фшьтра з
ефектом регенераци
Луговсъкий О. Ф., Зшнський А. /., Шульга А. В., Гришко I. А., Лавргненков А. Д.,
Галецький О. С., Завалт О. П.
Нацншалышй тохшчшш ушворситот Укра'ши "Кшвський иолггохшчшш шститут ¡Moiii 1горя СЛкорського"
E-mail: a.lAaehok&kpi.ua
Розгляпуи питаппя розрахунку ультразвуковнх проточннх кав!татор!в з цилшдричпим трубчастим в!братором. для створеппя систем ультразвукового кав1тацишого фгльтруваппя з ефектом регенераци фшьтрувалыюго елемепту. Запропоповапа методика розрахунку геометрпчпих розмф!в акусти-Ч1Ю1 резонансно! системи модулыю! секцп трубчастого ультразвукового кав!татора, що збуджуеться складепими п'езоелектрнчпимп приводамн-випромпповачамн. як! здшсшоють поздовжш коливаппя i встаповлеш па зовшшшй поверхш трубчастого в!братора. Представлен! результати моделювап-пя. як! шдтверджують можлшмсть створеппя ультразвуковнх проточннх кав!татор1в. в!братор якнх збуджуеться па рад1алыю-згипа11ьшй мод! коливапь. для техполопчпого процесу ультразвукового кавиацишого фгльтруваппя з ефектом регенераци.
KjnoHooi слова: ультразвуковий кав1тацшпий реактор: ультразвукова резонансна система: кав!тацш-пе ф1льтруваппя: методика розрахунку коливалышх систем: трубчастий в!братор: п'езоелектричний иршмд поздовжшх иеремщепь
DOI: 10.20535/RADAP.2020.82.52-60
Вступ
Створеппя сучасного ультразвукового кавиащй-ного обладнання для фшьтрування робочих радии у ргашх технолоичних ироцесах. а само в створонш штучного мшроюпмату ультразвуковым розпилен-ням [1]. очищенш твердих та еластичних иоверхонь [2 4]. иеремшування на молекулярному р1вш. зне-зараженш. дегазащ!. активуванш рвдин. екстрагу-ванш [5] 1 т.п.. пов'язано 1з вивченням питань вза-емода рщинного навантажоння 1з ультразвуковими вииромпиовачами з урахуваппям впливу геометри-чпо1 форми кав1тацпшо1 камори. Для досягноння максимально! технолоично1 ефективносп складних коливалышх систем нообхщно забезпечити р1вшсть частот власних коливапь ультразвукового приводу-випромпиовача 1 рвдшш в об'ехй кавиацпшеи камери. Тому розрахунок ультразвукового технолои-чного обладнання необхвдно починати з розрахунку частоти власних коливапь рщшш в кавиацшнш камер!. Ефектившсть роботи ультразвуковнх кавиа-цшних пристрсив для фшьтрування та можлишеть регенеращ! 1х фшьтруючем перегородки с досить нагалышм питаниям сьогодення [6 9] та напряму заложить само в1д якосп узгоджоння навантажоння та коливально! систоми.
Тому слад зазначити. що резонансна частота випромпиовача елоктроакустичних перетворювач1в напряму заложить само в1д умов поглинання та роз-повсюдження ультразвуковнх хвиль в обможеному об'ехй кав1тацпшо1 камори. Також вш заложить ввд ф1зичних властивостой рвдини. яш значно змшюю-ться з появою в нш кавиацшних зон [10]. тож питания узгоджоння випромпиовач1в з иаваитажоииям значно ускладшосться. Також. гце одним важливим фактором як при виготовленш таких пристроТв. так 1 при 1х розрахунку. с правилыисть вибору мато-р1алу з якого зроблена сама кавиащйна камора, оскшьки тривалий вплив ультразвуково! кав1тащ1 викликае корозпо або орозпо [11.12]. що може при-звести до регулярно! замши деталей або поновлення поверхневих иокритпв.
1снус багато вщомих роби [13 15]. яш присвя-чеш створоншо методик розрахунку р1зномаштних кавиацшних камер, ало вони вщповщають лише на окрегш питания. Тому для побудови ультразвукового фшьтра з ефектом регенеращ1 та для шдвшцення його ефективносп нообхщно створи-ти методику розрахунку. яка буде враховувати як розонансну частоту елоктроакустичних випромпио-вач1в. так 1 складшсть гоометрично1 форми кав1та-щйно! камори.
1 Постановка задач1
Кавиащйна камора фшьтра являв собою довсмп складну резонансну систему, яка дозволяе створити всоредиш ïï CMiiocïi розвиноне кавиацшне середови-гце. Для ефективнсм роботи камори необхщно узго-дити po3onaiiciii коливання, синхронно працюючих, и'езоелектричних привод1в-випромпиовач1в поздов-жшх коливаиь, що встановлюються 330BIli здовж TBipiIOÏ лшп цилшдричнсм noBopxni камори. 3 по-здовжшми розоиаисиими коливаииями по довжиш цилшдричнсм камори та розонансними радашыго згиналышми коливаннями по доамотру камори (рис. 1).
В pa3i збуджония радоалыки моди коливаиь за рахунок внутршньсм цилшдричнсм noBopxiii камори вщбуваеться фокусування ультразвукових коливаиь здовж oci камори. Цо призводить до суттевого шдвигцення iiiTOHCiiBHOCTi ультразвукових коливаиь здовж oci камори (рис. 2) [1]. Тако ультразвуково поле з штонсившстю бшыпе 100 Вт/см 2 здатне ефе-ктивно 1иактивувати шюдлив1 для здоров'я людиии мшрооргашзми, ало на внутрпншй noBopxni камори iiiTCiiciroiiicTb будо позначною, нодостатньою для збуджония ультразвуково! кавиацп иоблизу внутрь шньсм noBopxiii.
В pa3i збуджония радоально-згиналышх коливаиь цилшдричнсм noBopxiii камори. в об'ехй камори утворюеться ультразвуково поло соредньсм iiiTOii-ciiBiiocTi з великою кшьшетю вузл1в та пучностей. Якщо ця iiiTOiiciiBiiicTb будо перевнщуватн nopir вн-ннкнення кавиацп при даних умовах, то кавиацшна область розповсюдпться по всьому об'ему камори (рис. 3) [5].
Для побудови ультразвукового фшьтра з офоктом регенерацп необхщно всоредиш цилшдричнсм резонанснсм камори розмктити цилшдричний фшь-трувалышй елемент. а кавиащйну область oprani-зувати хйж внутршшьою поверхнею камори та зов-iiimiibCMO поверхнею фшьтрувального елементу. Тому. будо доречним внкорнстатн збуджония noBepxiii кавиащйнсм камори на модо рад1алыго-згиналышх коливаиь.
2 Розробка методики розрахунку
Поздовжшй pcmiip цилшдричнсм кавиащйнсм камори зидно розрахунковсм схеми (рис. 1) повинен вмщувати парну кшьшеть чвертей довжини хвил1 деформацп, що встановлюеться по довжиш камори. Причому на торцях цилшдричнсм камори. до будуть розмщеш торцев1 кришки, noBinnii бути вузли XBimi деформацп, що встановилася.
Для розрахунку довжини поздовжньем пружнем xBimi деформацп, тобто вщеташ хйж окремими трупами п'езоелектричиих привод1в-випромпповач1в,
що збуджуються синхронно, скористаемося цилш-дричнено системсмо координат. Будемо вважати, що вшь X сшвпадае з вшею цилшдричио1 камори, а середиш рад1ус цилшдричио1 камери дор1виюе г.
Коливаиия цилшдричнсм поверхш камери можна иредставити за допомогою вектору деформащ! и як
и = и 1 + ит,
де иI - потенщальна складова; ит - соленоТдальна скл адова.
Зпдно [16] довшыге векторне поле можна иредставити у вигляд1 суми град1ента деякого скалярного поля Ф та ротора векторного потепщалу А
и = дгаЯФ + гоЬА .
Будемо вважати, в наглому випадку вщеутш крутилыи коливаиия. Тод1 можна прийняти, що го£А = 0 .
Ф
иишемо у вигляд1
с1У2Ф
д2Ф
(1)
до С?т =
швидк1сть звуку в материл1 цилшдричпо!' камери; Ал та - перший та дру-гнй коефщеити Ламме; рк - гцшьшеть матер1алу камери.
Використовуючи метод Фур'е, розв'язок piBiraii-ня (1) будемо шукати у вигляд1
Ф = f(r)cosn9 ■ e-j^TZ ■ ejut:
(2)
де f (г) - функщя, що заложить ввд г; в - полярний кут; n - цше число; 7т - деяка стала величина.
Шсля постановки внразу (2) у piBiramra (1) для функцп f (г) отрпмаемо
ff+(-2 - no
(3)
,2
де а2 + = ^г; ш - кругова частота; а - деяка стала величина.
Зробимо постановку х = аг. Це дасть можли-в1сть р1вняння (3) привести до вигляду
/(х)'' + -f х +(1 - !(х)=0.
х х2
Розв'язок отриманого р1вняння Бесселя запише-мо у вигляд1 суми цилшдричних функщй Бесселя та Неймана [18]:
1(г) = АЗп(аг) + ВКп(аг),
до А та В - константи, що залежать в1д граничних умов; ^ (аг) - функщя Бесселя порядку п; Мп (аг) - функщя Неймана порядку п.
Знайдемо компонента вектора V:
J^t.
Ur = f cos nQ ■ e-^TZ ■& n
Ue =--f sinnO ■ e-7TZ ■ .
Ux = -7Tf cosne ■ e-j^TZ ■ ejut.
) ) )
Рис. 1. Розрахункова акустичиа схема кав1тащйно1 камори фшьтру (а схома збудження згиналышх коливапь по довжиш корпусу: Ь схома збудження цилшдричного корпусу на рад1алыий модо коливапь: с - схсми збудження рад1ально згиналышх колнвань з парною та попарною кшьшстю п'езоелектричних
привод1в випромпиовач1в. що збуджуються синхронно
Рис. 2. Форма ультразвукового поля в цилшдричнш камер1 у випадку збудження рад1алыго1 модн колнвань
поверхш
Рис. 3. Форма ультразвукового поля в цилшдричнш камер1 у випадку збудження рад1алы10-згиналышх
колнвань поверхш
На вшыий поворхш цилшдрично!' камори нор-малыи складов! тензора мехашчного напруження дор1вшоють нулю, тобто
агг = 0 1г=П1;г = П2 .
В цилшдричшй систем! координат закон Гука можна виразити р1внянням [17]
(ди 1див дих \ дих
агг = лл —--1---—— + —— + 2Мл ^—.
д д д д
Враховуючи вирази ( ), для компонент и шеля иеретворень отримаемо
агг = [_дл (а2 + 7Т) I + 2цл/"] еовпв ■ е—7тг ■ еРшг.
Шсля виконання ввдиовщних постановок отри-маемо
_ Ал (а2 + 72 ) [АЛп (аК1) + ВЫп (аИ1)] + + 2рл [АЛп'' (аК1) + ВЫп'' (аК1)] = 0, _ Ал (а2 + 72 ) [АЛп (аЯ2) + ВЫп (а^)] + + 2рл [АЛп'' (аК2) + ВЫп'' (аН.2)] = 0.
В
А ш2
2рлЛп'' (аВ,2)--^^Лп (аВ,2)
Ч А ш2
2^Мп'' (аКг) _ ^Ып (аИ1) С1
А ш2
2цяЛп (а.К1)--^^Лп (аИ1)
А ш2
2^Ып" (аК2) _ ^Ып (аК2)
Р1вняння (6) зручно розв'язати граф1чним методом ввдносно а та ш. Це дозволяе отримати 7т
7т =
=
1 V
и ■ К ^ (1—2)2
де дк ^ товщина стшки камери; К\ = у \-12 число хвиль, розмщених по окружност! кшьця.
г Кх г Кх
4 14,553 8 62,516
о 23,534 9 79,514
6 34,522 10 98,507
7 47,518
У випадку збуджеиия раццалыго! моди коливаиь трубчато! цилшдрично!' кавиашйно! камери резонансна частота може бути розрахована за формулою [19]
г =1_
/рез = 2п
[Ж.
V р^2
(5)
Система р1внянь (5) буде мати ненульовий розв'язок ввдносно А та В у випадку, коли детер-мшант В дано! системи дор1внюе нулю, тобто коли справедливим е запис
= 0. (6)
Тодо ввдетаиь мЬк ультразвуковими приводами-випромпиовачами иа зовшшшй поворхш цилшдрично! кавиацшно! камери вздовж оа X може бути знайдеиа як
I = 2-
1х — •
т
Для випадку радашьно - згиналышх коливаиь цилшдрично! поворхш кавиашйно! камери резонансна частота визначаеться залежшетю [19]
2г 2-к у/12
де Ей- модуль пружносп матер1алу труби каштацШ-но1 камери при розтягуванш.
Узгодження резонаисних частот радоалышх або радоально-згинальних коливаиь з коливаннями по довжиш камори досягаеться змшою геометричних розм1р1в цилшдрично! трубчасто! заготовки.
Для збудження резонаисних коливаиь цилтдрично! кавиашйно! камери можуть бути застосоваш п'езоолектричш приводи - випромпиовач1 поздов-жшх иеремщень, побудоваш у ввдповщносп до 1, 1/2 або 3/4 хвильових акустичних схем. Доцшь-но застосовувати в даному випадку ультразвуков! приводи-випромпиовач1 з нашвхвильовою акусти-чною схемою, як1 забезпечують суттеве змеишеиия масо-габаритних характеристик фшьтра з офоктом регенеращ1. При цьому, для змеишеиия негативного впливу иривода-випромпиовача поздовжшх коливаиь на форму власних коливаиь кавиаципю! камери, стушнь малого д1аметру трансформатора коливально! швидкосп привода виконують ножеви-дною з розмщенням торцево! робочо! поворшп на зовшшшй поворхш камери здовж тв1рно1 лпш.
Для розрахунку акустичних розм1р1в ультразвукового п'езоелектричного привода-випромпповача були здШснош розрахунки з урахуваниям в1домо1 методики [5,20 22].
Нашвхвильовий складений и'езоелектричний прив1д-випромпповач згвдно розрахунково! схеми (рис. 4) [5, 20] будуеться за принципом ультразвукового перетворювача Ланжевеиа, в якому одна з накладок, гцо понижують частоту (демифуюч1 накладки), виконана у виглядо трансформатора коливально! швидкост1, застосування якого дозволяе отримати необхвдну величину амшптуди коливаиь вих1дного торця вииромпповача. Зазвичай, в якост1 трансформатора коливально! швидкосп застосову-ють стушнчасп, кошчш, окспононщальш, катено-¡дальш та ппш акустишп концентратори, як1 за рахунок р1зниш площ вхвдного та вихвдного тор-Шв забезпечують збшьшоння амшптуди поздовжи1х коливаиь.
х
х
х
х
2
— а2.
2
5
С^^ ( ^
дх
К =
А
вм'
= сов —х + В эт —ж) sin(wt + ф); (8)
С1
С1
с^ siI
Пршгааючи до уваги умову (11) можпа з р1вня-ння (10) отримати
л ш п ■ ш Ц соэ — аз = и sin — а1,
сз сз
або
= СЬд—аз.
сз
Тодо р1вняння (10) пршгао вигляд
(15)
Рис. 4. Розрахункова схема нашвхвильового привода-випромпиовача
В загальиому виглядо р1вняння поздовжшх коливань складоного ультразвукового привода-випромпиовача можпа записати як
£з(ж, ¿) = С [ sin — х + Ьд—аз соэ — ж х
сз сз сз )
х sin(wí + ф). (16)
Перша половина граничних умов (12) дозволяс з урахуванням р1внянь (9) та (16) записати
(7)
С = СЬд—аз сз
(17)
де £ _ поздовжне перемпцення; с - швидшсть звуку; 5 - площа поперечного перер1зу; х - иапрямок розповсюджеиия хвиль.
В раз1 застосуваиня в приводьвипромшювач1 ступшчастого трансформатора коливально! швид-косп коофщент трансформащ! буде становити
Друга половина умов (12) теля диференщюван-ия р1внянь (9) та (16) дозволяе записати
Е282 ° = ад ^ % = ^ ^. (18)
С2 Сз С Ь2сз
Тодь спшыге ршення р1внянь (17) та (18) дозволяв отримати
В Ез С2
де в $ - плогца входного торця; Ям - плогца вшидного торця (торця меншо! плонц).
Для акустично! спстоми. що розглядасться. в раз1 збудження гармоншних коливань ршоння за-гального р1вняння (7) можпа записати як:
С Е2 ^сз^ ^ аз
(19)
Гранична умова (14) дозволяс привести р1внян-ня (8) до вигляду
В = АЪд— (а1 + 2а2).
С1
(20)
3 урахуванням (20) р1вняння (8) переиишемо у виглядо
^2(х, £) = ( Сcos —х + Б sin —ж^ sin(шt + ф); (9)
С2
С2
£з(х, £) = ^ cos —х + С sin —ж) sin(шt + ф). (10)
сз
сз
с^ siI
ЫМ) = А
ш ш ш
cos —х + Ьд— (а1 + 2а2) sin —ж 1 1 1
х sin(wí + ф). (21)
Пршгааючи до уваги першу половину умов (13). р1вняння (9) та (21) можпа записати у виглядо
Зидно розрахунково! схеми (рис. 4) граничш умови можна записати у виглядк
£з =^и х = -аз, (11)
6 = & ]
„ _ ЭЬ „ я дЬ ^ при ж = 0; (12)
ОХ ох )
Ь = £1 ]
„ с > при ж = 2а2 ; (13)
ох ох ) 1
-т;— = 0 при х = а1 + 2а2 . (14)
ох
^ ( ш В ш \
С cos —2а2 +--sin —2а2 ) =
V С2 С С2
А
ш
ш
cos —2 а2 + £ д— (а1 + 2 а2) sin —2 а2 1 1 1
.
Друга половина граничних умов (13) дозволяе п1сля диференщювання записати р1вняння (22) в иаступиому вигляд1:
п (Б ш ^1^1С2
С \ — cos — 2а2 - sin —2а2 = А——— х
\6 С2 с2 Е2^2С1
ш ш ш
Ьд— (а1 + 2 а2) cos —2а2 — sin —2 а2 1 1 1
.
х
Подш виразу (22) на (23). а також врахування сшввщношення (19) дае можлившть отримати
Сз ЕзЯ1С2 Ыcos £2а2 — ^п £2а2) аз = —агсЪд
N sin ^ 2а2 +cos ^ 2а2
С2 2 С2 2
де N =
^^с 1
сан ^ 2а2 +Ьд ^ (а1+2а2) н1п ^ 2а2
гд ^ (а1+2а2) сан ^ 2а2-вт ^ 2а2
(24)
Для розрахунку поздовжнього розм1ру аз аку-СТИЧН01 розрахунково! схеми (рис. 4) за допомогою формули (24) необхщно задатися бажаними величинами товщини накладки, що понижуе частоту, та маркою конструкщйного матер1алу. з якого вона бу-де виготовлена. а також обрати марку и'езокерамши з 11 параметрами.
Поздовжнш розм1р а4 (рис. ), стуиеню мало! плонц трансформатора коливально! швидкоста мо-жна отримати 1з залежносп
Рис. 5. Модолювання роботи цилшдрично! камори. збуджено! на рад1алы10-згиналыий модо коливань
Я4
сз 4 /.
(25)
Розхйр, розрахований зидно формули (25). не-обхадно скорегувати (змоншити) в залежноста в1д прибднано1 маси на робочому торщ трансформатора коливалыго! швидкость Присднана маса заложить ввд моди збуджуваних коливань та способу кршлс-иия акустичио! резонансно! системи.
1нколи. з метою зменшення габаритав та шд-вищення иотужноста проточного ультразвукового кавиащйного обладнання трубчасту кавиащйну камеру виконують секцшною з окремих ущшыгених трубчастих кшець-в1братор1в. довжина яких мен-ша за 2 згинально! хвшп деформанД. Це дозволяе иозбутися згиналышх коливань по довжиш цилш-дрично1 кав1тащйно1 камери. а. вщиовщно. \ зон з вузлами коливань. в облает яких кавиащя не збуджуеться.
Рис. 6. Моделювання роботи ^-хвильового привода-вииромпиовача поздовжшх коливань
3 Результати моделювання
Рис. 7. Моделювання роботи ультразвуково! кавиа-щйно! секщТ з трубчастим в1братором
Для перев1рки коректносп обмежень та припущены використаних в наведенш методищ. було проведено моделювання роботи акустично! системи. що розглядаеться. в програмному ссредовшщ АЬасцк БшЛеп! Ес1Шоп 2018 (рис. 5. 6. 7).
Запропоиована методика розрахунку ультразву-кових проточних кав1татор1в з трубчастим в1бра-тором дозволила сироектувати та виготовити мо-дульну кавиащйну секцпо (рис. 8) для реал1защ1 ультразвукових кавиацшних технологш.
Рис. 8. Модульна ультразвукова кавиащйна сокщя з трубчастим в1братором
Висновки
Запропонована методика розрахунку дозволяе прооктувати цилшдричш ультразвуков! кавиацш-iii камери фшьтра з офоктом рогонорацп'. Дана методика враховуе як резонансну частоту олоктро-акустичних вииромпиовач1в, так i складшсть геомо-тричнем форми кав1тащйно1 камери ультразвукових иристроТв. Багаторазова практична иоров1рка представлено! методики розрахунку розонансних аку-стичиих систем шдтвордила i"í достатшо точшеть за умови застосованих ирипущень. Це дозволило створити офоктивно ультразвукове кавиацшно тех-нолоично обладнання фшьтрування радин з регене-ращето фшьтрувалышх перегородок, яке знайшло впроваджоння в кавиацшних технолоиях в маши-нобудуванш, сшьському госиодарствь харчов1й про-мисловоста та медицин!.
Перелж посилань
1. Ляшок Л. В. Ультразвукове розиилешш р1дмии у меха-трошшх системах штучного MÍKpoK.;iÍMaTy / Л. В. Ля-шок. О. Ф. Луговський // Промислова пдравлжа i пневматика. '2011. № 4. С. 20 25.
2. Яхио О. М. Исследование возможностей технологии ультразвуковой кавитациоииой очистки эластичных поверхностей / О. М. Яхио. Е. Л. Луговская, Л. В. Мовчашок // BiciiuK НТУУ «КШ». Машииобудуваи-11Я. 2010. № 58. С. 234-240.
3. Колос Л. Л. Ультразвуковая очистка деталей во фреоновых композициях / Л. Л. Колос // BiciiuK двигуио-будувашш. 2014. № 2. С. 192 196.
4. Хмелев В. Н. Ультазвуковая кавитациоииая обработка вязких дисцерсшх жидких сред / В. Н. Хмелев. С. С. Хмелев, i'. Н. Голых. Л. В. Шалунов // Ползуиовский вестник. 2014. № 4. Т.2. С. 110 115.
5. Вериик 1. М. Ьтшсифжащя пронесу екстра1'уваш1я рослишю! ецровшш з використаииям ультразвуково'Г кавггацп / 1. М. Вериик // TexiiiKa. оиорготика, транспорт ЛИК. 2017. № 3.' С. 69-73.
6. Al-Amoudi Л. Fouling strategies and the cleaning system of nf membranes and factors alfecting cleaning efficiency / Л. Al-Amoudi. R.W. Lovitt // Journal of Membrane Science. 2007. pp. 4 28.
7. Regula C. Chemical cleaning/disinfection and ageing of organic uf membranes: a review / C. Regula. E.Carretier. Y. Wyart. та. in. // Water Research. 2014. Vol. 56. № 1. pp. 325 365.
8. Porcelli N. Chemical cleaning of potable water membranes: a review / N. Porcelli. S. .ludd // Separation and Purification Technology. 2010. Vol. 44. № 5. pp. 1389 1398.
9. Wegener K. Fluid elements in machine tools / K. Wegener. .1. Mayr. M. Merklein and others // C1RP Annals -Manufacturing Technology. 2017. Vol. 66. № 2. pp. 611 634.
10. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн.: Физика и техника мощшлч) ультразвука, том.11. Мощные ультразвуковые ноля / Под ред. Л.Д. Розеиберга. М.: Наука. 1968. С. 167-221
11. Cracey. М. Т. Cavitation erosion used for material testing / M.T. Cracey. A.F. Conn // Erosion by liquid and solid impact: proc. of 7th intern, conf. 7 10 sept. 1987 Cambridge. . 1987. pp. 25 34.
12. Linzheng Ye. Damage characteristics and surface description of near-wall materials subjected to ultrasonic cavitation / Ye Linzheng. Zhu Xijing. Wei Xumin. Wu Shiran // Ultrasonics Sonochemistry. 2020. Vol. 67.
13. Методика расчета цилиндрических ультразвуковых кавитациоииых камер с радиальио-изгибиыми колебаниями стенок / А. В. Мовчашок // BiciiuK Hauio-налыкл'о Texiii4iioi'o ушверситету УкраНш "Ки'Гвський iio.;iiTexiii4imii ¡иститут". Copin: Машшюбудувания. 2015. № 3. С. 80-86.
14. .loon Hin Leea. Numerical simulation on ultrasonic cavitation due to superposition of acoustic waves / Hin Leea ■loon. Yen Toy Wah. Moon Lee Kiat. Kang Hooi-Siang. Quen Lee Kee // Materials Science for Energy Technologies. 2020. Vol. 3. pp. 593-600.
15. Вериик 1. M. Методика розрахунку ультразвукового каштацШиого обладнання для технолог! чиого ироцесу гадро.-шу-окстра1'уваш1я иектииу / 1. М. Вериик. 1. А. Гришко, О. Ф. Луговський // Bi6paui'i в Texiiiui та ТОХ110Л01ТЯХ. 2009. № 4 (56). С. 123-128.
16. Ишаццус Г. 11. Теория ноля / Г. 11. Ишаццус. Москва: Знание, 1971. 112 с.
17. Лецеидии Л. Ф. Акустика / учеби. пособие для вузов / Л. Ф. Лецеидии. Москва: Высшая школа, 1978. 448 с.
18. Nakayama Т. Higher mathematics for physics and engineering / T. Nakayama, H. Shima. Berlin, Heidelberg : Springer, 2011. 694 c.
19. Cuggenborger .1. Vibrations / .1. Cuggenborger, C. Miillor // Handbook of Engineering Acoustics. Berlin, Heidelberg : Springer, 2013. C. 651 690.
"20. Зшшський Л. Performance increase of ultrasound liquid sprayers / Л. Зшшський, Л. Мовчашок, О. Лугов-ський, Л. Лавриненков // Mechanics and Advanced Technologies. 2017. ' ' Vol. 2. C. 113-122. https://doi.orfi/10.20535/2521-1943.2017.80.111878
21. Кумабэ Д. Вибрационное резание / Д. Кумабэ. Москва: Машиностроение, 1985. 424 с.
22. Вогуслаев В. Л. Формирование поверхностного слоя деталей выглаживанием с ультразвуковым нагруженном. монография / В. Л. Вогуслаев, В. Л. Титов, Л. Я. Кочан, та. in. Запорожье: Мотор СЛч, 2012. 236 с.
References
[1] Liashok A. V. and Luhovskyi O.K. (2011) Ultrazvukove rozpylennia ridyny u mekhatroynykh systemakh shtuchnoho mikroklimatu [Ultrasonic spraying of liquid in mechatronic systems of artificial microclimate]. Promyslova hidravlika i pnevmatyka. no 4, pp. 20 25.
[2] .lakhno O. M, Luhovska K. O. and Movchanuk A. V. (2010) Issledovaniye vozmozhnostey tekhnolofiii ul:trazvukovoy kavitatsionnoy ochistki elastichnykh poverkhnostey [Study of the capabilities of the technology of ultrasonic cavitation cleaning of elastic surfaces], Visnyk N'l'UU *KP1Mashynobuduvannia, no. 58, pp. 234-240.
[3] Kolos A. A. (2014) The ultrasound clearing in freon-compositions, Visnyk dvyhunobuduvannia. No 2, pp. 192196. (In Russian)
[4] Khmelev V. N., Khmelev S. S., Golykh R. N. and Shalunov A. V. (2014) Ul:trazvukovaya kavitatsionnaya obrabotka vyazkikh disporsnikh zhidkikh sred [Ultrasonic cavitation treatment of viscous dispersed liquid media] Polzunovskii vestnik, Vol. 2, No 4, pp. 110 115.
[5] Bernyk 1. M. (2017) Intonsylikatsiia protsesu ekstrahuvannia roslynnoi syrovyny z vykorystanniam ultrazvukovoi kavitatsii [Intensification of the process of extraction of vegetable raw materials using ultrasonic cavitation], Tekhnika, enerhetyka, transport APK, Iss. 3, pp. 69-73.
[6] Al-Amoudi A. and Lovitt R.W. (2007) Fouling strategies and the cleaning system of NF membranes and factors affecting cleaning efficiency. .Journal of Membrane Science, Vol. 303, Iss. 1-2, pp. 4-28. DOl: 10.1016/j.memsci.2007.06.002
[7] Regula C., Carretier E., Wyart Y., Gesan-Guiziou G., Vincent A., Boudot D. and Moulin P. (2014) Ghemical cleaning/disinfection and ageing of organic UF membranes: A review. Water Research, Vol. 56, pp. 325-365. DOl: 10.1016/j.watres.2014.02.050
[8] Porcelli N. and .ludd S. (2010) Ghemical cleaning of potable water membranes: A review. Separation and Purification Technology.. Vol. 71, Iss. 2, pp. 137-143. DOl: 10.1016/j.seppur.2009.12.007
[9] Wegener K., Mayr .1., Merklein M., Behrens B., Aoyama T., Sulitka M., Fleischer .1., Groche P., Kaftanoglu B., ■lochum N. and Mohring H. (2017) Fluid elements in machine tools. CltiP Annals, Vol. 66, Iss. 2, pp. 611-634. DOl: 10.1016/j.cirp.2017.05.008
[10] Sirotyuk M.G. and Rosenberg L. D. ed. (1968) Eksperi-mentalnyye issledovaniya ultrazvukovoy kavitatsii [Experimental studies of ultrasonic cavitation. - In the book: Physics and technology of powerful ultrasound, Vol. 11. Powerful ultrasonic fields]. Moscow, Science Publ., pp. 167-221
[11] Gracey M.T. and Conn A. F. (1987) Cavitation erosion used for material testing. Erosion by liquid and solid impact, Proc. of 7th intern, conf., Cambridge, pp. 25-34.
[12] Ye L„ Zhu X., Wei X. and Wu S. (2020) Damage characteristics and surface description of near-wall materials subjected to ultrasonic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry. Vol. 67, pp. 105175. DOl: 10.1016/j.ultsonch.2020.105175
[13] Movchanuk A. (2015) Calculation of cylinder ultrasonic cavitation cells with radial - bending fluctuations of the walls. .Journal of Mechanical Engineering, no. 3, pp. 80-86.
[14] Lee .I.H., Toy W.Y., Loo K.M., Kang H. and Loo K.Q. (2020) Numerical simulation on ultrasonic cavitation due to superposition of acoustic waves. Materials Science for Energy Technologies. Vol. 3, , pp. 593-600. DOl: 10.1016/j.mset.2020.06.004
[15] Bernyk 1. M., Gryshko 1. A. and Luhovskyi O. F. (2009) Metodyka rozraxunku ul'trazvukovogo kavi-tacijnogo obladnannya dlya texnologichnogo procesu gidrolizu-okstraguvannya pektynu [Method of calculation of ultrasonic cavitation equipment for the technological process of hydrolysis-extraction of pectin]. .Journal of Vibration in engineering and technology, No 4 (56), pp. 123-128.
[16] Ignatius G. 1. (1971) Teoriya polya [Field theory]. Moscow, Science, 112 p.
[17] Lependin L. F. (1978) Akustika [Acoustics]. Moscow, High school publ., 448 p.
[18] Nakayama T. and Shima H. (2010) Higher Mathematics for Physics and Engineering. DOl: 10.1007/bl38494
[19] Guggenberger .1. and Miiller G. (2013) Vibrations. Handbook of Engineering Acoustics, pp. 651-690. DOl: 10.1007/978-3-540-69460-1 _22
[20] Zilinskyi A., Movchanuk A., Luhovskyi O. and Lavrynenkov A. (2017) Performance increase of ultrasound liquid sprayers. Mechanics and Advanced Technologies. Vol. 0, Iss. 80. DOl: 10.20535/2521-1943.2017.80.111878
[21] Kumabe D. (1985) Vibratsionnoye rezaniye [Vibration cutting]. Moscow: Mechanical Engineering, 424 p.
[22] Boguslaev V. A., Titov V. A., Kochan A. Ya. (2012) Formi-rovaniye poverkhnostnogo sloya detaley vyglazhivaniyem s ultrazvukovym nagruzheniyem [Formation of the surface layer of parts by burnishing with ultrasonic loading]. Zaporozhye, Motor Sich, 236 p.
Методика расчета цилиндрической ультразвуковой кавитационной камеры фильтра с эффектом регенерации
Луговской А. Ф., Зилинский А. И., Шульга А. В., Гришко И. А., Лавриненков А. Д., Галецкий А. С., Завалий А. П.
Введение. Создание современного ультразвукового кавнтацнонного оборудования для фильтрования рабочих жидкостей в различных технологических процессах, связано с изучением вопросов взаимодействия жидкостной нагрузки с ультразвуковыми излучателями с учетом влияния геометрической формы кавита-ционной камеры. Их согласование напрямую влияет на эффективность работы ультразвуковых кавитационных устройств для фильтрации и является достаточно актуальным вопросом на сегодня.
Постановка задачи. Для построения ультразвукового фильтра с эффектом регенерации и для повышения его эффективности необходимо создать методику расчета, которая будет учитывать как импеданс электроакустических излучателей, так и сложность геометрической формы кавитационной камеры.
Разработка методики расчета. Предложена методика расчета геометрических размеров акустической резонансной системы модульной секции трубчатого ультразвукового кавитатора, что возбуждается сложенными пьезоэлектрическими приводами-излучателями, которые осуществляют продольные колебания и установлены на внешней поверхности трубчатого вибратора.
Результаты моделирования. Представлены результаты моделирования в программной среде Abaqus Student Edition 2018, подтверждающие возможность создания ультразвуковых проточных кавитаторов, вибраторы которых возбуждаются на радиально-сгибательной моде колебаний, для технологического процесса ультразвукового кавитационного фильтрования с эффектом регенерации.
Выводы. Предложенная методика расчета позволяет проектировать цилиндрические ультразвуковые ка-витационные камеры фильтра с эффектом регенерации. Многократная практическая проверка представленной методики расчета резонансных акустических систем подтвердила ее достаточную точность при примененных предположениях.
Ключевые слова: ультразвуковой кавитационный реактор; ультразвуковая резонансная система; кавитаци-онная фильтрация; методика расчета колебательных систем; трубчатый вибратор; пьезоэлектрический привод продольных перемещений
Method for Calculating a Cylindrical Ultrasonic Cavitation Filter Chamber with a Regeneration Effect
Luhovskyi 0. F., Zilinskyi A. I., Shulha A. V., Gryshko I. A., Lavrinenkov A. D., Haletskyi 0. S., Zavalii 0. P.
Introduction. The creation of modern ultrasonic cavitation equipment for filtering working fluids in various technological processes is associated with the study of the interaction of a liquid load with ultrasonic emitters, taking into account the influence of the geometric shape of the cavitation chamber. The efficiency of the operation of ultrasonic cavitation devices for filtration is a rather urgent issue today and directly depends on the quality of this agreement.
Problem statement. To build an ultrasonic filter with a regeneration effect and to increase its efficiency, it is necessary to create a calculation method that will take into account both the impedance of electro-acoustic emitters and the complexity of the geometric shape of the cavitation chamber. Development of calculation methods. The proposed method for calculating the geometric dimensions of the acoustic resonance system of the modular section of the tubular ultrasonic cavitator, which is excited by folded piezoelectric drive-emitters, which carry out longitudinal vibrations and are installed on the outer surface of the tubular vibrator.
Simulation results. The results of modeling in the Abaqus Student Edition 2018 software environment are presented, confirming the possibility of creating ultrasonic flow cavitators, the vibrator, which are excited in a radialflexion mode of vibration, for the technological process of ultrasonic cavitation filtration with the regeneration effect.
Conclusions. The proposed calculation technique allows designing cylindrical ultrasonic cavitation filter chambers with a regeneration effect. Repeated practical verification of the presented method for calculating resonant acoustic systems has confirmed its sufficient accuracy under the applied assumptions.
Key words: ultrasonic cavitation reactor; ultrasonic resonance system; cavitation filtration; methodology for calculating oscillatory systems; tubular vibrator; piezoelectric drive for longitudinal movements
