CC BY
6ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДИСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕИ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
УДК: 621.78.062 (045)
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДИСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, Е.В. Ильченко, Д.В. Генне, Д.С. Абраменко
Статья посвящена исследованию влияния повышенной температуры на дисковый ультразвуковой излучатель. Обсуждается специфика конструирования и настройки ультразвукового оборудования, предназначенного для работы при повышенных температурах. Рассматриваются особенности используемой системы согласования электронного генератора и ультразвуковой колебательной системы, приводятся полученные экспериментальные данные, схемы и характеристики разработанного оборудования.
Ключевые слова: ультразвуковой излучатель, температура, система согласования, резонансная частота.
Введение
Ультразвуковые аппараты применяются при интенсификации технологических процессов, протекающих в различных средах.
Широкое применение находят ультразвуковые аппараты, предназначенные для работы в газовых средах.
Так, например, излучение ультразвуковых колебаний в камерах хлебопекарных печей позволяет увеличить скорость выпечки на 25 - 30%[1], снизив температуру выпечки на 20%, что обуславливает существенное сокращение энергозатрат.
К числу процессов, интенсифицируемых ультразвуковыми колебаниями в газовой среде, относят процессы горения, газификации твердых топлив [2], пеногашения [3], акустической сушки [4], процессы массообме-на, коагуляции аэрозолей [5], очистки топочных газов [6]. При их интенсификации температура технологической среды, в которой реализуется процесс, может превышать 200 °С. Протекание технологических процессов при повышенной температуре обуславливает определенную специфику применяемого ультразвукового оборудования и его эксплуатации.
Постановка задачи
Эффективность применения ультразвуковых колебаний при реализации различных технологических процессов в газовых средах при высокой температуре обусловливает необходимость создания ультразвукового аппарата с излучателем, способным работать при повышенных температурах (в камерах хлебопекарных печей, камерах коагуляции, газификаторах и т.п.).
Основная задача, которая ставится перед разработчиками ультразвукового оборудования - обеспечение уровня звукового давления не менее 140 дБ (при меньших ин-тенсивностях ультразвукового поля эффек-
тивность применения ультразвука для интенсификации процессов в газовой среде падает практически до нуля) при температуре окружающей среды в озвучиваемом объеме 150 -200°С.
Создание и применение подобного оборудования требует решения не только проблем конструирования, но и исследования влияния высокотемпературного воздействия на параметры излучения.
Конструктивные особенности ультразвуковой колебательной системы
Для создания ультразвуковых колебаний в газовых средах применяют изгибно-колеблющиеся излучатели дискового типа. Эскиз такого излучателя представлен на рисунке 1.
..п..
1 - стержневой волновод; 2 - пьезоэлектрический преобразователь; 3 - дисковый излучатель.
Рисунок 1 - Эскиз излучателя Использование излучателей подобного типа в газовых средах при повышенной температуре (до 200 °С) недопустимо, поскольку при достижении пьезокерамическими элементами температуры, близкой к точке Кюри, происходит снижение КПД преобразователя, частичная или полная потеря свойств пьезо-керамических элементов.
Для обеспечения оптимального температурного режима работы ультразвуковой
РАЗДЕЛ 3. КОМПОНЕНТЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
колебательной системы (УЗКС) в конструкции колебательной системы был предусмотрен дополнительный (промежуточный) отрезок волновода с рубашкой для жидкостного охлаждения. Эскиз разработанной УЗКС представлен на рисунке 2.
1 - дисковый излучатель; 2 - концентратор; 3 -бустер; 4 - охлаждающий объем (теплообменник); 5 - корпус пьезоэлектрического преобразователя; 6 - кабель питания ультразвуковой колебательной системы.
Рисунок 2 - Эскиз разработанной УЗКС
Применение подобной тепловой отсечки позволило обеспечить температуру пьезоке-рамических элементов УЗКС не более 60°С, при температуре в озвучиваемой камере 200°С.
Влияние температурного фактора на систему согласования ультразвукового генератора
При работе ультразвуковых излучателей в среде с высокой температурой из-за нагрева отдельных элементов УЗКС ее параметры изменяются (происходит изменение резонансной частоты нагретых элементов, изменяется резонансная частота УЗКС в целом, нарушаются условия согласования УЗКС с электронным генератором). Далее рассмотрим структуру современных ультразвуковых генераторов (УЗГ), условия их согласования с УЗКС и влияние температуры УЗКС на их параметры.
Для возбуждения УЗКС используют электронные генераторы, преобразующие энергию электрической сети в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.
Современный УЗГ является сложным многофункциональным устройством и может быть представлен в виде следующей структурной схемы.
Источник постоянного напряжения 1 выполняет функцию преобразования переменного напряжения промышленной или бытовой
Рисунок 3 - Структурная схема ультразвукового генератора
сети в постоянное напряжение. Уровень выходного напряжения может изменяться в зависимости от управляющего воздействия, формируемого микроконтроллером 7. Напряжение с выхода источника постоянного напряжения 1 поступает на транзисторный инвертор 2. Частота преобразования инвертора задается генератором ультразвуковой (УЗ) частоты 6, работой которого, в свою очередь, управляет микроконтроллер 7.
На выходе инвертора 2 формируется сигнал прямоугольной формы УЗ частоты, амплитуда которого равна напряжению на выходе источника постоянного тока 1. Это
напряжение поступает на вход согласующей цепи 3, выполняющей функции выделения и усиления первой гармоники прямоугольного сигнала. С выхода согласующей цепи напряжение поступает на пьезоэлементы колебательной системы 5. Датчики 4 выделяют сигнал обратной связи, используемый микроконтроллером для подстройки частоты и стабилизации амплитуды колебаний.
Микроконтроллер в современных ультразвуковых генераторах выполняет ряд функций, а именно: сканирование частотного диапазона, поиск резонансной частоты излучателя, удержание резонансного режима ра-
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2013
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДИСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
боты УЗКС, обнаружение «срывов» в работе генератора, перезапуск в случае возникновения нештатных режимов, управление и стабилизация мощности ультразвукового излучения, аварийное отключения электронного генератора [7].
Ультразвуковые излучатели эффективно работают только в резонансном режиме, то есть на резонансной частоте дискового излучателя [7]. Для максимально эффективного преобразования энергии электрической сети в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты должны быть выполнены условия согласования электронного генератора и нагрузки.
УЗКС на резонансной частоте представляет собой активно емкостную нагрузку. Для согласования УЗКС с электронным генератором необходимо обеспечить работу УЗКС на резонансной частоте. При этом выходное активное сопротивление генератора должно быть минимальным, а реактивные емкостные составляющие УЗКС должны компенсироваться реактивными индуктивными составляющими выходного каскада генератора [8].
Типовая схема согласования электронного генератора с УЗКС представлена на рисунке 4.
/
электронного генератора
Согласование УЗКС с выходным каскадом электронного генератора осуществляется при помощи высокочастотного трансформатора (Т) и компенсационной индуктивности (1_), включенной последовательно с пьезоэлектрическим преобразователем (Ю).
В процессе эксплуатации ультразвукового генератора температура пьезоэлектрического преобразователя изменяется и, как следствие, изменяется статическая емкость пьезопреобразователя, вызывая рассогласование системы «ультразвуковой генератор -УЗКС». Для уменьшения влияния изменений собственной емкости пьезоэлементов в схему электронного генератора вносят добавочную емкость, включаемую параллельно пьезо-элементу Z.
Нагрев материала УЗКС влияет на скорость распространения в нем звуковых колебаний, что обуславливает изменение параметров УЗКС, в частности ее резонансной частоты.
Экспериментальные исследования влияния температурного режима на УЗКС
Для определения степени влияния температуры дискового излучателя на характеристики УЗКС была собрана лабораторная установка, представленная на рисунке 5, и состоящая из УЗГ, УЗКС с дисковым излучателем, газовой горелки, пирометрического датчика температуры, персонального компьютера для контроля и обработки экспериментальных данных.
1 - корпус пьезоэлектрического преобразователя; 2 - дисковый излучатель; 3 - газовая горелка;
4 - ультразвуковой генератор.
Рисунок 5 - Лабораторная установка
УЗКС трансформирует энергию электрических колебаний в энергию механических колебаний. Система электромеханических аналогий [9] позволяет представить УЗКС в виде эквивалентной электрической схемы [10]. В простейшем случае эквивалентная схема может быть представлена в виде последовательного электрического колебательного контура (механическая ветвь) и подключенной параллельно ему электрической емкости - электрическая ветвь (обусловлена наличием статической емкости пьезопреобразователя), как показано на рисунке 6.
Электрическая ветвь включает статическую емкость пьезокерамического преобразователя С и сопротивление диэлектрических потерь Рс! (рисунок 6).
Рисунок 6 - Эквивалентная электрическая схема замещения УЗКС с пьезоэлектрическим преобразователем
РАЗДЕЛ 3. КОМПОНЕНТЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
Механическая ветвь содержит последовательно соединенные индуктивные, емкостные и активные элементы (Lm, Cm, Rn, Rs), определяемые свойствами УЗКС.
Согласно системе электромеханических аналогий, ток, протекающий по механической ветви, соответствует амплитуде колебаний излучателя. Выделение тока механической ветви в ультразвуковых генераторах осуществляется про помощи схемы, подробно описанной в работе [11].
В ходе эксперимента были получены амплитудно-частотные характеристики тока механической ветви УЗКС в процессе нагревания дискового излучателя, которые представлены на рисунке 7.
<30
яо м
I ^ í i
60 i f "i г1
50 , , i,
^ ■ Í
? Í \
¥j ,
20 С'
1S300 1S400- 1S50C' 13600 13700 13500 1SOÜO 19300
Рисунок 7- Кривые АЧХ тока механической ветви, полученные при различной температуре
Частотные характеристики, представленные на рисунке 7, показывают, что с изменением (увеличением) температуры происходит смещение амплитудно-частотных характеристик УЗКС вниз по частоте, меняется амплитуда колебаний на резонансной частоте.
На рисунке 8 показан характер изменения резонансной частоты УЗКС при нагревании ее излучающей части (дискового излучателя).
18900 . ^ 18800 "" , , g 18700 ■
х 18600
| 1S500 | 18400
о. , _
18300 '
20 70 120 170 220 Тег-Л! юра iyp¿i, X
Рисунок 8 - Зависимость резонансной частоты УЗКС от температуры дискового излучателя
Наличие промежуточного охлаждающего звена УЗКС позволило исключить нагрев
преобразовательной части УЗКС при нагревании дискового излучателя до 215°С. Суммарный уход частоты УЗКС составил 470 Гц, что необходимо учитывать при расчете полосы удержания задающего генератора УЗ технологического аппарата.
Заключение
Результаты практических исследований легли в основу ультразвукового технологического аппарата серии «Соловей» УЗАГС-0,3/22-С)Рв [12], внешний вид которого показан на рисунке 9.
Рисунок 9 - Внешний вид аппарата «Соловей» УЗА ГС-0,3/22-ОРв
Аппарат предназначен работы в газовых средах при температуре до 200°С. Применение промежуточного звена с жидкостным охлаждением позволило исключить негативное воздействие повышенной температуры обрабатываемых сред на пьезоэлектрический преобразователь, размещаемый вне зоны высокотемпературного воздействия. Основные технические характеристики созданного ультразвукового аппарата представлены в таблице 1 [12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антуфьев, В.Т. Влияние ультразвука на показатели готового мелкоштучного хлебобулочного изделия/ В.Т. Антуфьев, М.А. Иванова // Электронный научный журнал процессы и аппараты пищевых производств [Электронный ресурс]. - 2011. -ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2013
Таблица 1 - Технические характеристики
Мощность, ВА 300
Питание от сети 220±22
переменного тока, В
Интенсивность колебаний 140
(1 м), дБ, не менее
Время непрерывной работы,ч 8
Габаритные размеры: элек- 300x280x110
тронный генератор, мм
колебательная система, мм 0193x430
Диаметр излучателя, мм 193
О ДЕФЕКТОСКОПИИ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ
СИСТЕМЫ А1_-(ПЭНД-AL)X-AL
Выпуск №2. - Режим доступа: http:// processes.open-mechanics.com/articles/359.pdf
2. Способ газификации твердого топлива [Текст]: пат. 2473669 Рос. Федерация: МПК C10J3/84 (2006.01), B01J19/10 (2006.01) / Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Хмелев М.В., Шалунова К.В., Галахов А.Н.; заявл. 03.08.2011; опубл. 27.01.2013.
3. Хмелев, В.Н. Разработка оборудования ультразвукового пеногашения и определение его функциональных возможностей/ В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.Н. Галахов // Электронный журнал Техническая акустика [Электронный ресурс]. -2011. - Т. 11. - Режим доступа: http://www.ejta.org /ru/khmelev8.
4. Vladimir N. Khmelev Studies of ultrasonic dehydration efficiency [Текст]/ V. N. Khmelev, A.V. Sha-lunov, R.V. Barsukov, D.S. Abramenko, A.N. Lebedev // Journal of Zhejiang University - Science A. - 2011. -Vol. 12.-p. 247-254.
5. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей [Текст]: монография / В.Н. Хмелев [и др.] - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. -241 с.
6. Хмелев, В.Н. Исследование акустической коагуляции аэрозоля, переносимого потоком воздуха [Текст]/ В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, К.В. Шалунова, Р.Н. Голых // Ползуновский вестник. - 2011. -№4/1.-с. 211-216.
7. Хмелев, В.Н. Особенности проектирования электронных генераторов для излучателей, предназначенных для воздействия на газовые среды [Текст]/ В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, А.В. Шалунов, Д.С. Абраменко, Д.В. Генне, А.Д. Абрамов // Известия томского политехнического университета. -2010. - Т. 316. №4
8. Хмелев, В.Н. Согласование электронных генераторов с пьезоэлектрическими колебательными системами для повышения эффективности уль-
УДК: 620.179.118.415.05
тразвуковых аппаратов [Текст]/ В.Н. Хмелев, Д.В. Генне, Р.В, Барсуков, С.Н. Цыганок, A.B. Шалунов, Д.С. Абраменко // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 317. № 4. - С. 139-143.
9. Мэзон, У. Физическая Акустика [Текст] т.2. Методы и приборы ультразвуковых исследований / Под ред. У. Мэзона - М.:Мир, 1966. - 592с. Ю.Донской, A.B. Ультразвуковые электротехнологические установки [Текст]/A.B. Донской, O.K. Келлер, Г.С. Кратыш. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -208с, ил.
11. Способ управления процессом ультразвуковой липосакции [Текст]: пат. 2240073 Рос. Федерация: МПК7 А61В18/00, А61В17/32 / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н., Шалунов А.В; заявл. 13.03.2003; опубл. 20.11.2004.
12. Ультразвуковой аппарат серии «Соловей» [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.u-sonic.com/catalog/apparaty_dlya _uskoreniya_protsessov_v_gazovykh_sredakh/ultrazv ukovoy_apparat_serii_solovey/
Д.т.н., проф., В.Н. Хмелев vnh@bti.secna.ru; к.т.н., доцент, Р.В. Барсуков -roman@bti.secna.ru; аспирант Е.В. Ильченко -iev@bti.secna.ru; Ведущий инженер лаборатории кафедры методов и средств измерений и автоматизации Д. В. Генне - gdv@bti.secna.ru; к.т.н.доцент Д. С. Абраменко ades@bti.secna.ru, (3854)43-25-70 - Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползу нова"
О ДЕФЕКТОСКОПИИ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ СИСТЕМЫ А1_-(ПЭНД-А1_)Х-А1_ МЕТОДОМ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ
В.В. Поляков, С.Ф. Дмитриев, A.B. Ишков, Г.Е., Руденский, Е.А., Колубаев, В.Н. Маликов
В статье описаны результаты исследований визуальных образов дефектов в виде несплошностей, смо-делированных в металлополимерных слоистых композитах системы А1-(ПЭНД-Ме)п-А1, вплоть до 10-слойного композита. Образы модельных дефектов получены Фурье-преобразователем прибора ИЭНМ-5ФА. Экспери-ментально обнаружена отстройка от зазора у дефектоскопа при использовании в качестве датчика сверхминиатюрного вихретокового преобразователя (СМВТП).
Ключевые слова: неразрушающий контроль, металлополимерный композит, дефект, метод вихревых токов.
Введение технике. Метод основывается на исследова-
Метод вихревых токов (МВТ), наряду с нии взаимодействия электромагнитного поля ультразвуковыми и рентгеноскопическими специального датчика - вихретокового преоб-исследованиями, является одним из основ- разователя (ВТП) и исследуемого объекта. В ных неразрушающих методов контроля раз- зависимости от поставленных целей, свойств личных материалов и изделий в современной контролируемого объекта, природы и тополо-В.В. ПОЛЯКОВ, С.Ф. ДМИТРИЕВ, A.B. ИШКОВ, Г.Е., РУДЕНСКИЙ, Е.А., КОЛУБАЕВ, 133 В.Н. МАЛИКОВ
