Установка для ультразвукового диспергирования порошковых материалов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технической акустики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Луцко Валерий Федорович Мозжаров Сергей Евгеньевич Шрубиков Сергей Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технической акустики Национальной академии наук Беларуси(57) Установка для ультразвукового диспергирования порошковых материалов, содержащая реактор с трубчатым корпусом с вмонтированными в него входным и выходным штуцерами для подвода и отвода жидкой среды, соосно установленные и последовательно соединенные между собой ультразвуковой преобразователь, трансформатор амплитуды продольных колебаний, к которому в узле колебаний присоединен трубчатый корпус, расположенный внутри трубчатого корпуса излучатель, на торце которого жестко закреплена 76022011.10.30 насадка, напротив которой установлен вкладыш, отличающаяся тем, что она снабжена установленным на входе в трубчатый корпус гидродинамическим излучателем, расположенной внутри корпуса экранирующей втулкой и вибропоглощающей прокладкой, в которую вмонтирован вкладыш, причем торцевая часть излучателя расположена в экранирующей втулке. Полезная модель относится к области обработки изделий в жидких средах, в частности к установкам для ультразвукового диспергирования, и может быть использована в различных технологических процессах сверхтонкого измельчения мелкодисперсных порошковых материалов. Известна установка для потокового ультразвукового диспергирования вязких лакокрасочных суспензий, содержащая камеру с входным и выходным патрубками и высокоамплитудный наконечник ультразвукового вибратора, установленный с проточным зазором от корпуса камеры, в процессе протекания через который обеспечивается диспергирование твердой фазы лакокрасочной суспензии 1. Недостатком данной установки является то, что находящиеся в зоне максимального эрозионного воздействия высокоамплитудный наконечник ультразвукового вибратора и корпус камеры не защищены от воздействия на них кавитирующей жидкости и частиц твердой фазы. Вследствие чего наконечник ультразвукового вибратора и корпус камеры,которые являются наиболее сложными и наукоемкими элементами конструкции, быстро разрушаются и выходят из строя. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка для ультразвукового диспергирования и эмульгирования, содержащая реактор с трубчатым корпусом с вмонтированными в него входным и выходным штуцерами для подвода и отвода жидкой среды соответственно, внутри которого установлена втулка с резьбовым отверстием, последовательно соединенные ультразвуковой преобразователь,трансформатор амплитуды продольных колебаний и расположенный в резьбовом отверстии втулки излучатель с закрепленной на его торце насадкой, напротив которой установлен вкладыш, причем втулка и излучатель выполнены в виде винтовой пары 2. Существенным недостатком этой установки является то, что при ультразвуковом диспергировании предварительно не измельченных и/или агрегатированных частиц порошкового материала невозможно получить частицы с субмикронными размерами. Так,например, после ультразвуковой обработки жидкой среды частиц порошкового углеродного наноматериала с исходными размерами 140 мкм их величина уменьшается до 15 мкм, при требуемом значении 1 мкм. Кроме того, входящие в состав установки сложные по конструктивному исполнению излучатель и втулка усложняют ее обслуживание, а это, в свою очередь, требует при их изготовлении, замене, установке и наладке значительных временных затрат. Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание установки, позволяющей расширить технические возможности установки и упростить ее обслуживание. Поставленная задача решается тем, что при использовании существенных признаков,характеризующих известную установку для ультразвукового диспергирования порошковых материалов, которая содержит реактор с трубчатым корпусом с вмонтированными в него входным и выходным штуцерами для подвода и отвода жидкой среды, соосно уста 2 76022011.10.30 новленные и последовательно соединенные между собой ультразвуковой преобразователь, трансформатор амплитуды продольных колебаний, к которому в узле колебаний присоединен трубчатый корпус, расположенный внутри трубчатого корпуса излучатель,на торце которого жестко закреплена насадка, напротив которой установлен вкладыш, в соответствии с полезной моделью она снабжена установленным на входе в трубчатый корпус гидродинамическим излучателем, расположенной внутри корпуса экранирующей втулкой и вибропоглощающей прокладкой, в которую вмонтирован вкладыш, причем торцевая часть излучателя расположена в экранирующей втулке. Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемая установка отличается от известной наличием установленного на входе в трубчатый корпус гидродинамического излучателя, вибропоглощающей прокладки с вмонтированным в нее вкладышем и экранирующей втулки, расположенной в торцевой части излучателя. В данном случае введение в предлагаемую установку гидродинамического излучателя,преобразующего часть энергия струи жидкости в энергию акустических волн, обусловлено необходимостью предварительного измельчения порошкового материала. При этом в жидкости возбуждаются интенсивные высокочастотные колебания, приводящие к диспергированию твердых частиц. Измельчение порошкового материала гидродинамическим излучателем в совокупности с ультразвуковым диспергированием в камере, расположенной внутри трубчатого корпуса, позволяет получить более мелкодисперсный порошок по сравнению с измельчением без излучателя. Так, например, после указанной обработки исходного порошкового углеродного наноматериала на заявляемой установке размер частиц с 140 мкм становится 1 мкм, а их средняя величина составляет 400 нм. Введение в предлагаемую конструкцию экранирующей втулки препятствует распространению ультразвука в глубь рабочего объема жидкой среды, защищая трубчатый корпус от эрозионного разрушения. Наряду с этим, экранирующая втулка вместе с вкладышем образуют камеру измельчения, где в окрестности зоны небольшой протяженности вокруг насадки высокоамплитудного излучателя локализуется ультразвуковая обработка. Это позволяет производить высокоинтенсивную обработку всего объема жидкой среды, находящейся в этой зоне. Для разрушения частиц, у которых сильная химическая или механическая связь между зернами, одного эрозионного воздействия кавитирующей жидкости не достаточно. Наличие в заявляемой установке вибропоглощающей прокладки с вмонтированным в нее вкладышем позволяет реализовать более эффективный по сравнению с эрозией механизм виброударного механического разрушения измельчаемых частиц. Колеблющаяся с ультразвуковой частотой насадка, воздействуя на частицы, находящиеся в тонком слое между ней и вкладышем, вызывает соударение и дробление частиц. При этом колебания от этого воздействия посредством измельчаемых частиц могут передаваться вкладышу, в котором они благодаря наличию вибропоглощающей оболочки в виде резиновой прокладки гасятся. В противном случае колебания будут передаваться трубчатому корпусу и экранирующей втулке, что вызовет разбалансировку колебательной системы и ее выход из резонансного режима. Это в итоге приведет к прекращению процесса диспергирования. Необходимая величина ультразвукового воздействия в предлагаемой установке на жидкую среду достигается как увеличением интенсивности колебаний излучателя, так и уменьшением величины зазора между накладкой и вкладышем, что также увеличивает интенсивность виброударного воздействия на измельчаемые частицы. В свою очередь, величину зазора можно регулировать изменением конструктивных размеров вкладыша и,таким образом, обеспечить необходимую толщину слоя жидкости, проходящей через зазор. Однако при расстоянии, равном или меньшем половины амплитуды колебаний накладки, этот процесс диспергирования прекратится, так как вкладыш и накладка будут колебаться синфазно, т.е. без зазора. 3 76022011.10.30 Техническая сущность полезной модели поясняется приложенными чертежами, где на фиг. 1 изображена предлагаемая установка, на фиг. 2 - увеличенное изображение нижней части трубчатого корпуса. Установка для ультразвукового диспергирования порошковых материалов состоит из гидродинамического излучателя 1, который посредством трубопровода 2 соединен с вмонтированным в трубчатый корпус 3 входным штуцером 4. Трубчатый корпус с помощью кольца 5 крепится к буртику, выполненному на трансформаторе амплитуды продольных колебаний 6, к которому с помощью резьбового соединения присоединены ультразвуковой преобразователь 7 и излучатель 8 с закрепленной на его торце насадкой 9. Внутри трубчатого корпуса установлены экранирующая втулка 10 и вкладыш 11, вмонтированный в вибропоглощающую прокладку 12. В торцевой части трубчатого корпуса установлен выходной штуцер 13 с возможностью поджатия к нему втулки и вкладыша. Герметичность установки как при атмосферном, так и при избыточном давлении обеспечивается уплотнительными кольцами 14 и 15. Работа установки осуществляется следующим образом. Обрабатываемую жидкую среду непрерывно подают в гидродинамический излучатель 1, где порошковый материал предварительно измельчается. Посредством трубопровода 2 через входной штуцер 4 жидкость поступает в трубчатый корпус 3. Одновременно с подачей жидкости в гидродинамический излучатель включают питание преобразователя 7, от которого ультразвуковые колебания посредством трансформатора амплитуды 6 передаются на излучатель 8 и на закрепленную на его торце насадку 9. Проходя по зазору между втулкой 10 и излучателем и далее между насадкой 9 и вкладышем 11, жидкая среда подвергается ультразвуковой обработке. Через выходной штуцер 13 обеспечивается непрерывный отток обработанной жидкой среды. Предлагаемая полезная модель по сравнению с известными установками позволяет за счет концентрации в достаточно малом объеме жидкой среды акустической мощности вовлекать в процесс ультразвукового диспергирования не только кавитационное воздействие, но и виброударное воздействие накладки излучателя, вызывающее механическое истирание и дробление измельчаемых частиц, что значительно повышает эффективность процесса диспергирования. Это в совокупности с гидродинамическим излучателем, входящим в состав предлагаемого изобретения, позволяет производить сверхтонкое измельчение в жидкой среде мелкодисперсных материалов до размеров частиц, находящихся в нанометровом диапазоне. Установка обеспечивает непрерывность процессов диспергирования и эмульгирования с высокой производительностью также и при избыточном давлении. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5