МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств

ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ

Заведующий кафедрой Топпп

д.т.н., профессор Касаткин В.В.

_________________________

«___»_____________2008 г.

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

на тему: ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ПИЩЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Пояснительная записка

ДМП1. 036011.00.00 ПЗ

Дипломник ____________________________________Загребина М. Л.

подпись дата Ф.И.О.

Руководитель___________________________________Касаткин В. В.

подпись дата Ф.И.О.

Ижевск 2008 г.

РЕФЕРАТ

Дипломная работа 73 с., 4 ч., 12 рис., 5 табл., 21 источник, 1 график, 4 приложения.

Ключевые слова: ультразвук, очистка, кавитация, бизнес-план, ультразвуковые преобразователи, исследования, оборудование, эксперимент.

Объектом исследования является операция ультразвуковой очистки пищевого оборудования от накипи.

Цель данной работы состоит в разработке метода ультразвуковой очистки пищевого оборудования как наиболее простого и эффективного, проведению экспериментов и внедрению ультразвуковой установки «ВОЛНА» для очистки молокопровода.

В результате работы были получены следующие показатели:

- с увеличением времени воздействия ультразвука на накипь площадь очистки увеличивается;

- для качественной очистки время воздействия ультразвука на накипеотложения составляет 12-13 мин.

Проект внедрения ультразвуковой установки «ВОЛНА» рассмотрен на фермерском хозяйстве семьи Загребиных, расположенном в п. Игра.

Эффективность установки определяется качественной очисткой молокопровода от накипи, снижением затрат на механическую очистку, на ремонт, на утилизацию отходов, затрат, связанных с перерасходом топлива.

АННОТАЦИЯ

Object of research is operation of ultrasonic clearing of the food equipment from a scum.

The purpose of the given work consists in development of a method of ultrasonic clearing the food equipment as the most simple and effective, to carrying out of experiments and introduction of ultrasonic installation "WAVE" for clearing pipes.

As a result of work following parameters have been received:

- With increase in time of influence of ultrasound at a scum the area of clearing increases;

- For qualitative clearing time of influence of ultrasound for scum is made with 12-13 minutes.

The project of introduction of ultrasonic installation "WAVE" is considered on the farm of family Zagrebinyh located in city Igra.

Efficiency of installation is define by qualitative clearing of pipes of a scum, decrease{reduction} in expenses for mechanical clearing, on repair, on recycling of waste, the expenses connected with the over expenditure of fuel.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ состояния вопроса

1.1 Сущность ультразвука

1.2. Применение ультразвука

1.2.1 Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов

1.2.2 Ультразвуковая сварка

1.2.3 Ультразвуковая пайка и лужение

1.2.4 Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука

1.2.5 Ультразвуковая дефектоскопия

1.2.6 Ультразвук в радиоэлектронике

1.2.7 Ультразвук в медицине

1.3 Принципы ультразвуковой очистки

2. Бизнес-план

2.1 Резюме

2.2 Общая характеристика фермерского хозяйства

2.3 Сильные и слабые стороны фермерского хозяйства

2.4 Определение инновационного проекта

2.5 Описание и характеристика установки

2.6 Конкурентные методы очистки

2.7 Экономическая эффективность ультразвукового метода очистки

2.8 Финансовый план

3. Аппаратурное оформление ультразвуковой очистки

3.1 Ультразвуковые системы

3.2 Источники ультразвука

3.2.1 Механические излучатели

3.2.2. Электроакустические преобразователи

3.2.2.1 Магнитострикционные преобразователи

3.2.2.2 Пьезоэлектрические преобразователи

3.2.2.3 Гидродинамические преобразователи

3.3 Приемники ультразвука

3.4 Ультразвуковая импульсная установка «ВОЛНА»

4. Исследование процесса удаления накипи с помощью ультразвука

4.1 Проведение эксперимента

4.2 Выводы по проведенным экспериментам

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Нормативные ссылки

В настоящей работе использовались ссылки на следующие нормативные документы:

1. ГОСТ 12.1.01-89 Ультразвук. Общие требования безопасности.

2. Санитарные нормы и правила при работе на промышленных ультразвуковых установках № 1733-77.

3. Санитарные нормы и правила при работе с оборудованием, создающим ультразвуки, передающиеся контактным путем на руки работающих № 2282-80.

4. ГОСТ 7.32-2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

Определения, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В настоящей работе применяются следующие термины с соответствующими определениями, обозначениями и сокращениями:

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5- 2 ?10⁴ гц (15-20 кгц) и до 10⁹ гц (1 Ггц), область частот ультразвука от 10⁹ до 10^12-13 гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5?10⁴-10⁵ гц) - УНЧ, ультразвук средних частот (10⁵ - 10⁷ гц) - УСЧ и область высоких частот ультразвука (10⁷-10⁹ гц) - УВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Кавитация (от лат. cavitas -- пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения p_kp (в реальной жидкости p_kp приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то Кавитацию называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн -- акустической.

Звукокапиллярный эффект - проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины.

Диспергирование (от лат. dispergo -- рассеиваю, рассыпаю), тонкое измельчение твёрдых тел и жидкостей в окружающей среде, приводящее к образованию дисперсных систем: порошков, суспензий, эмульсий; диспергирование жидкостей в газах (воздухе) называется распылением, а в жидкостях - эмульгированием.

Дегазация - освобождение жидкостей от газов, мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются и всплывают на поверхность.

Локальный нагрев - при поглощении ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую, интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

Коагуляция (от лат. Coagulatio -- свёртывание, сгущение), слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле.

Введение

Понятие ультразвук приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии.

Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены еще в прошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в первой трети 20 века. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние два-три десятилетия [1].

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии - ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. [4].

Цель работы: исследование процесса ультразвуковой очистки пищевого оборудования.

Задачи исследования:

· анализ применения ультразвука в различных отраслях промышленности;

· анализ способов ультразвуковой очистки;

· анализ ультразвуковых преобразователей;

· определение экономической эффективности от использования ультразвукового оборудования для предотвращения накипеобразования.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Сущность ультразвука

Ультразвук - упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 - 20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот ультразвук составляет 10⁹ Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10¹² - 10¹³ Гц. В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот подразделяют на три области:

· низкие ультразвуковые частоты (1,510⁴ - 10⁵ Гц) - УНЧ;

· средние ультразвуковые частоты (10⁵ - 10⁷ Гц) - УСЧ;

· высокие ультразвуковые частоты (10⁷ - 10⁹ Гц) - УВЧ.

Упругие волны с частотами 10⁹ - 10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах - продольные и сдвиговые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука и геометрическим размером D - размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром:

, (1)

где r - расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения ультразвуковых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвуковых волн по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение [2].

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности ультразвука в жидкости возникает кавитация.

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М 1, где М = v/c, v - колебательная скорость частиц в волне, с - скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

Хотя физическая природа ультразвука и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами ультразвука.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (ультразвуковой луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние ультразвука на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка ультразвука позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью ультразвуковых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в ультразвуковой волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах ультразвук мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. Ультразвуковую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку [11].

Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация - возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,31,0 Вт/см². Кавитация - сложный комплекс явлений. Ультразвуковые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

В природе ультразвук встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве [8].

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

1.2 Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1) получение информации о веществе;

2) воздействие на вещество;

3) обработка и передача сигналов.

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация. На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

- предотвращение образования накипи

- ультразвуковая очистка,

- металлизация и пайка,

- звукокапиллярный эффект - применяется для пропитки пористых материалов и имеет место при любой УЗ обработке твёрдых тел в жидкостях.

- диспергирование твёрдых тел в жидкостях,

- дегазация (деаэрирование) жидкостей,

- кристаллизация,

- интенсификация электрохимических процессов,

- получение аэрозолей,

- уничтожения микроорганизмов и стерилизация инструментов в медицине.

Ультразвуки весьма сильно поглощаются газами м во много раз слабее - жидкостями. Например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе приблизительно в 1000 раз больше, чем в воде. Одна из причин этого различия состоит в том, что кинематическая вязкость воды значительно меньше кинематической вязкости воздуха.

Ультразвуки применяются в технике для контрольно-измерительных целей (гидролокация, дефектоскопия, измерение толщины стенок трубопроводов и слоя накипи и т. д.), а также для осуществления и ускорения различных технологических процессов [10].

Принцип гидролокации сходен с принципом радиолокация и состоит в определения расстояния до тела, находящегося в толще воды, по величине промежутка времени между посылкой короткого ультразвукового сигнала и приемом эхо-сигнала, возникающего в результате рассеяния ультразвука телом. По изменению частоты эхо-сигнала, обусловленному эффектом Доплера, можно также определять лучевую скорость тела, т. е. проекцию скорости движения тела относительно наблюдателя на соединяющую их прямую.

Ультразвуковой дефектоскопией называется обнаружение внутренних дефектов (трещин, раковин, неоднородностей структуры) в твердых телах с помощью ультразвука. Она основана на явлении рассеяния ультразвуковых воля от поверхностей дефектных областей тела.

Ультразвуки ускоряют протекание процессов диффузии, растворения и химических реакций. Влияние ультразвука на ход химических реакций главным образом обусловлено тем, что при кавитации в жидкости образуются свободные ионы.

Ультразвук используется для газоочистки, так как вызывает коагуляцию содержащихся в газах мельчайших твердых частиц и капелек жидкости.

Ультразвуковые волны широко используются в молекулярной акустике для исследования акустическими методами строения и свойств вещества.

Дробящее действие ультразвуков используется в различных технологических процессах: для образования эмульсий и суспензий, снятия пленок окислов и обезжиривания поверхностей деталей, стерилизации жидкостей, размельчения зерен фотоэмульсия и т. д. Разрушающее действие ультразвуковых волн в жидкости на поверхность твердого тела заметно увеличивается при введении в жидкость мелких абразивных частиц. Это явление используется для ультразвукового шлифования и полирования, а также «сверления» отверстий различных форм в стекле, керамике, сверхтвердых сплавах и кристаллах.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Применение ультразвука в различных отраслях пищевой промышленности изображено в Приложении А.

1.2.1 Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов

Если между рабочей поверхностью ультразвукового инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 1).

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения - резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения - движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение - движение подачи - может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность - от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива - алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

1.2.2 Ультразвуковая сварка

Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае ультразвуковая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью ультразвука можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При ультразвуковой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. ультразвуковой сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры).

1.2.3 Ультразвуковая пайка и лужение

В промышленности все большее значение приобретает ультразвуковая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.

В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением ультразвука производится без флюса. Введение механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.

Принцип ультразвуковой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием ультразвуковых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.

1.2.4 Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука

Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание различных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть).

Воздействуя ультразвуковыми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.

Сравнительно недавно начали применять ультразвук для пропитки электротехнических намоточных изделий. Применение ультразвука позволяет сократить время пропитки в 35 раз и заменить 2-3 кратную пропитку одноразовой. Под действием ультразвука значительно ускоряется процесс гальванического осаждения металлов и сплавов. Если в расплавленный металл вводить ультразвуковые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость.

Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному их старению. Ультразвук при прессовании металлических порошков обеспечивает получение прессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров [13].

1.2.5 Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия - один из методов неразрушающего контроля. Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл - воздух) почти полностью отражаться позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

При помощи ультразвука можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения ультразвука в металле достигает 810 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10^-6мм).

Ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод основан на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 2). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 1520%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

Импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рис. 3. Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса [15].



Рис. 3. Принцип действия ультразвукового дефектоскопа, основанный на импульсном методе.

Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% ультразвуковой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект.

1.2.6 Ультразвук в радиоэлектронике

В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.

1.2.7 Ультразвук в медицине

Применение ультразвука для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них ультразвуковых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение ультразвука - локальное нагревание их. Одновременно под действием ультразвука происходят физико-химические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в ультразвуковой терапии (интенсивность ультразвука до 1 Вт/см²). При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в ультразвуковой хирургии. Для хирургических операций используют фокусированный ультразвука, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность ультразвука достигает сотен и даже тысяч Вт/см²). В хирургии применяют также ультразвуковые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и т.п. Наложение ультразвуковых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым ультразвуковым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований [21].

Воздействие мощного ультразвука на биологические ткани применяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и лекарственных веществ.

Ультразвук нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты.

1.3 Принципы ультразвуковой очистки

В настоящее время - эпоху компьютерных и нанотехнологий, когда большую часть основной работы с максимальной точностью измерений и показаний производит машина-автомат, все же имеются области, требующие дальнейшей глубокой, детальной проработки. Одной из таких «белых» областей является процесс очистки технологического оборудования на предприятиях пищевой промышленности [1].

Проработка вопроса санитарной обработки технологического оборудования молокоперерабатывающих заводов и комбинатов детского питания, а также личные наблюдения и практический опыт, выявили ряд недоработок и упущений, которые требуют рационального решения. К таким «белым пятнам» относятся:

- некачественная промывка оборудования посредством установок циркуляционной мойки;

- большие временные затраты на цикл санобработки технологического оборудования;

- наличие ручной мойки специфического оборудования;

- большой расход различных по своему химическому составу моющих средств;

- необходимость многоступенчатой системы санитарной обработки.

Примером ручной очистки может служить очистка некоторых единиц технологического оборудования, которое задействовано в процессах емкостной пастеризации густых и высокожирных пищевых сред, а также при термизации пастообразных продуктов (резервуары и ванны пастеризации, установки термической обработки), в которых имеет место налипание продукта на внутренние стенки.

Для решения вопроса санитарной обработки оборудования пищевых производств предлагается применение ультразвуковых колебаний при приготовлении моющих растворов, а также непосредственно во время циркуляционной мойки всего, составляющего технологическую цепочку, оборудования. Для этого необходимо установить на все емкостное оборудование, обеспечивающее циркуляцию моющих растворов по замкнутому контуру, ультразвуковые генераторы погружного типа, которые будут находиться в резервуарах не только во время мойки технологического оборудования, но и во время производственного процесса.

При проведении исследований было обнаружено, что вода способна кратковременно, в течении 15 минут, сохранять свои свойства «активной» жидкости, приобретаемые при ультразвуковой обработке, а в случае постоянного облучения - не только поддерживать, но и восстанавливать их, что дает возможность стабильной промывки самых отдаленных участков трубопроводов. Так как время прохождения одного круга магистрали трубопроводов моющим раствором составляет обычно 0,15…3,0 мин, следовательно, времени на восстановление свойств моющей жидкости (степени активности) при продолжительности одного цикла 30 мин остается достаточно, а именно 29,85…27 мин.

Применение ультразвука при санитарной обработке будет играть большую роль в замене ручного труда. При этом очистка внутренней поверхности ёмкостей ершами и щетками заменится на автоматическую с полным заполнением рабочего объема резервуаров моющим раствором с одновременной ультразвуковой обработкой.

Основными действующими факторами ультразвуковой очистки являются:

· Кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки;

· Звукокапиллярный эффект - проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины;

· Диспергирование - (от лат. dispergo -- рассеиваю, рассыпаю), тонкое измельчение твёрдых тел и жидкостей в окружающей среде, приводящее к образованию дисперсных систем: порошков, суспензий, эмульсий. Диспергирование жидкостей в газах (воздухе) обычно называется распылением, а в жидкостях -- эмульгированием;

· Эмульгирование;

· Дегазация - освобождение жидкостей от газов, мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются и всплывают на поверхность;

· Обеззараживание (эффект стерилизации);

· Локальный нагрев - при поглощении Ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую, интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.);

· Коагуляция - (от лат. Coagulatio -- свёртывание, сгущение), слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты -- более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объёме дисперсионной среды -- жидкости или газа.

В воде при облучении ультразвуком образуется перекись водорода и молекулярный водород; в такой среде многие органические вещества разлагаются, а неорганические соединения испытывают окислительно-восстановительные превращения.

Ускорение взаимодействия различных реагентов, что способствует уменьшению расхода моющих растворов.

Совокупная деятельность всех эффектов дает отличный результат, который выражается в чистоте поверхности [6].

Таким образом, применение ультразвуковых колебаний в процессе очистки технологического оборудования пищевых производств даст ряд следующих существенных преимуществ:

- удаление и предотвращение образования молочного камня и механических загрязнений в труднодоступных местах трубопроводов;

- разрушение и удаление жировых пленок и белковых загрязнений;

- эффект стерилизации воды;

- сокращение времени очистки и возможность большей степени автоматизации процесса;

- уменьшение расхода моющих средств до 15%;

- возможность сокращения циклов водоподготовки;

- возможность исключения установок выработки «мертвой» воды из технологии очистки;

- возможность быстрой модернизации существующего оборудования.

Кроме того преимущества ультразвуковой очистки по сравнению с другими способами - это:

· минимальное применение ручного труда;

· очистка труднодоступных участков изделий без применения органических растворителей;

· повышение экологической чистоты процессов;

· сокращение времени технологических процессов.

С помощью ультразвукового оборудования обеспечивается удаление следующих видов загрязнений:

· Загрязнения в виде твёрдых и жидких плёнок. Различные масла, жиры (растительные, минеральные и животные), углеводороды, мазут, мыла, жирные кислоты; полировальные, притирочные пасты и шлифовальные составы, обычно состоящие из пригоревших жиров, мыла, воска, с примесью механических загрязнений.

· Загрязнения в виде твёрдых осадков, находящихся на поверхности изделий, материалов и деталей. Механические загрязнения - твёрдые частички металла, металлическая стружка, частички абразива, волокна, пыль. Нагар - твёрдый осадок, состоящий из кокса, золы, смолы, сажи и других продуктов сгорания топлива. Пигменты - мел, тальк, сера, цемент, графит, а также твёрдые осадки - накипь, флюсы (водонерастворимые неорганические соединения). Их отличительная особенность - инертность к растворителям, при затвердевании образуют трудно отделимую корочку. Водорастворимые или частично растворимые полярные органические и неорганические соединения - сахар, крахмал, белок, кровь, неорганические соли.

· Загрязнения в виде продуктов коррозии. Ржавчина - образуется на железе при наличии влаги, солей и кислорода воздуха. Ввиду рыхлости не изолирует металл от дальнейшего разрушения. Окалина - окисленная поверхность железа, образующаяся в результате термообработки. Окалина твердо связана с поверхностью металла и частично изолирует его от дальнейшего разрушения. Шлам - вторичные продукты, образующиеся после травления прокорродировавшего металла. (Следует отметить, что потеря от коррозии составляет 2 % от общего тоннажа потребляемого металла). Окисная плёнка на меди, алюминии и серебре.

· Предохраняющие, консервирующие и защитные покрытия. Защитные эмали, смазочные масла, наклеечные смолы. (Возврат оптических деталей после очистки от наклеечных смол при применении ультразвука уменьшился до 15 % вместо 50-60 % из-за наличия царапин).

В качестве примеров, где применение ультразвуковой очистки даёт хороший результат, можно назвать такие операции как:

· очистка топливных и масляных фильтров, часовых деталей, шестерён подшипников, оптических стёкол, деталей электровакуумного производства, узлов радиоаппаратуры: печатных плат, реле, деталей точных приборов;

· очистка и обезжиривание разнообразных деталей машиностроения от мелкой стружки после механической обработки, от полировальных паст и других производственных загрязнений;

· обезжиривание крепежа и мелких деталей перед гальванопокрытием; очистка деталей двигателей внутреннего сгорания, топливных фильтров, деталей газовых турбин, поршневых колец от машинного масла и частичек абразива;

· очистка шарикоподшипников, колец подшипников качения, калибров, зубчатых колец, шарнирных соединений, линотипных матриц, пресс-форм резиновых изделий, пластмассовых светорассеивателей;

· очистка инструмента - свёрл, резцов, лерок, надфилей и напильников от окалины; очистка листовой стали от ржавчины и окалины, труб от коррозии и нагара, ленточных трансформаторов от консервирующей смазки; очистка хирургического инструмента, шприцев, медицинских ампул и флаконов; деталей в зубоврачебной практике от цемента и камней на мостах, искусственных зубах; мойка консервной тары, банок; очистка деталей ювелирного производства, деталей авторучек, кристаллов кремния и германия.

Кроме того, ультразвуковая очистка применяется для:

· Очистки засохших принтерных головок;

· Очистки печатных плат от пыли, остатков флюса и др. видов загрязнений;

· Очистки топливных и масляных фильтров, часовых деталей, шестерен подшипников, оптических стекол, деталей электровакуумного производства, узлов радиоаппаратуры: печатных плат, реле, деталей точных приборов;

· Очистки и обезжиривания разнообразных деталей машиностроения от мелкой стружки после механической обработки, от полировальных паст и других производственных загрязнений;

· Обезжиривания крепежа и мелких деталей перед гальванопокрытием;

· Очистки деталей двигателей внутреннего сгорания, топливных фильтров, деталей газовых турбин, поршневых колец от машинного масла и частичек абразива;

· Очистки шарикоподшипников, колец подшипников качения, калибров, зубчатых колец, шарнирных соединений, линотипных матриц, пресс-форм резиновых изделий, пластмассовых светорассеивателей;

· Очистки инструмента - свёрл, резцов, лерок, надфилей и напильников от окалины;

· Очистки листовой стали от ржавчины и окалины, труб от коррозии и нагара, ленточных трансформаторов от консервирующей смазки;

· Очистки хирургического инструмента, шприцев, медицинских ампул и флаконов; деталей в зубоврачебной практике от цемента и камней на мостах, искусственных зубах; мойка консервной тары, банок;

· Очистки деталей ювелирного производства, деталей авторучек, кристаллов кремния и германия.

Оптимальная интенсивность ультразвуковых колебаний, используемых при очистке, составляет 3....5 Вт/см² для водных растворов и 1....3 Вт/см² для органических растворителей.

Действие ультразвука в основном сказывается на ускорении процесса растворения загрязнений в растворителях, доставке свежих порций растворителя к загрязнённым поверхностям и удалении отделившихся частиц загрязнений из зоны очистки.

Удачный выбор моющих сред - залог успеха в процессе ультразвуковой очистки. В первую очередь выбранный состав должен быть совместим с материалами очищаемых поверхностей. Наиболее подходят для этого водные растворы технических моющих средств. Как правило, это обычные поверхностно активные вещества (ПАВ). Дегазация моющих растворов чрезвычайно важна в достижении удовлетворительных результатов очистки. Свежие растворы или растворы, которые накануне были охлаждены, должны быть дегазированы перед процессом очистки. Дегазация выполняется нагревом жидкости и предварительным облучением ванны ультразвуком. Время, заданное для дегазации жидкости, составляет от нескольких минут для ванн малого размера до часа или больше для большого резервуара. Ненагретый резервуар может дегазироваться несколько часов. Признаком закончившейся дегазации являются отсутствие видимых пузырьков газа, перемещающихся к поверхности жидкости, и отсутствие видимой пульсаций пузырьков. Мощность ультразвукового облучения должна сопоставляться с объемом ванны. Очистка массивных объектов или имеющих большое отношение поверхности к массе, может требовать дополнительной ультразвуковой мощности. Чрезмерная мощность может вызывать кавитационную эрозию или "сжигающий" эффект на мягких поверхностях. Если очищаются объекты с разнородными поверхностями, мощность облучения рекомендуется установить по менее прочному компоненту [3].

В табл. 1 даны составы водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от видов загрязнений и материала очищаемых изделий.

Таблица 1. Состав водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от материала изделий

Компонент	Содержание, г/см3	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Загрязнения
Едкий натр Сода кальционарованная Жидкое стекло Нитрит натрия Неионогенное ПАВ	20-30 10-20  20 5-10 0,5-1,5	60-80	Сталь	Жир, консервирующие смазки
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	20-35 3   0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, никель	Полировочные пасты, консервирующие и волочильные смазки, минеральные масла
Кальцинированная сода Жидкое стекло Неионогенное ПАВ	15-20 8-10 3	55-80	То же	То же
Жидкое стекло Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	5-10 10-30 3 0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, алюминий	Масла, жиры, густые смазки и полировочные пасты
Дистиллированная вода		45-55	Полимерные пленки	Механические загрязнения, пыль
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	30 3 1	60-70	Сталь	Прокатные смазки, закаты, плены, конгломерированные загрязнения
Жидкое стекло НеионогенноеПАВ	5	55-80	Алюминий, латунь	Полировочные пасты, сульфафрезол, эмульсол, стружка, масла, эмульсии олеиновой кислоты, флюсы.
Тринатрийфосфат или кальционированная сода	3-5 5-10	85-95	Кремний, германий	Пицеиновый клей
Деионизированная вода		60-80	Кремний	Удаление абразив- ной суспензии

В табл. 2 приводится классификация органических растворителей, применяемых при ультразвуковой очистке.

При выборе конкретных технологических режимов и приемов очистки и вспомогательных операций следует учитывать особенности конструкции, материала очищаемых поверхностей, виды загрязнений.

Из вспомогательных операций, как предшествующих ультразвуковой очистке, так и последующих за ней, следует отметить следующие:

· предварительное замачивание, которое приводит к ослаблению связей между отдельными частицами загрязнений. Однако, замечено, что изделия, выдержанные после замачивания на воздухе более 30 минут, очищаются значительно хуже изделий, вообще не подвергавшихся замачиванию;

· предварительный разогрев, который способствует размягчению загрязнений и их текучести. Особенно эффективен при очистке изделий большой массы;

· дополнительные операции очистки, применяемые как до, так и после ультразвуковой очистки, но обычно для удаления остатков моющих веществ и растворителей.

Таблица 2. Органические растворители, применяемые при ультразвуковой очистке

Растворитель	Взрывае-мость смесей	Предельная концентрация, г/м3	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Удаляемые загрязнения	Недостатки растворите-ля
Трихлорэти-лен	Не взрывается	0,01	5-70	Все металлы, кроме алюминия	Мин. масла, парафин, смолы, каучук, пасты	Разлагается в воде и при перегреве, токсичен
Четыреххло-ристый углерод	Не взрывается	0,02	5-70	Сталь	Мин.масла, парафиновые смолы, пасты	Разлагается, токсичен
Фреон-113	Не взрывается	0,8	5-70	Все металлы	То же	Высокая стоимость

В ряде случаев, особенно при очистке массивных изделий или изделий сложной формы, целесообразно производить перемещение рабочего инструмента колебательной системы относительно изделия, либо вводить рабочий инструмент непосредственно в полости изделия.

Распространённым приёмом, снижающим энергоёмкость ультразвуковой очистки, является облучение отраженной волной. Для этого используется полуволновой слой моющей жидкости в стакане миксера при его использовании или полуволновой слой над очищаемым объектом.

При очистке изделий с полостями, сообщающимися с атмосферой узкими каналами, целесообразно в процессе очистки периодически извлекать изделия из ванны для вытекания из полостей технологической жидкости.

После проведения ультразвуковой очистки следует провести операции промывки и, если необходимо, пассивирования и сушки.

Разновидностью ультразвуковой очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие ультразвук совмещается с действием сильных химических реагентов.

Ультразвуковая металлизация и пайка основываются фактически на ультразвуковой очистке (в т. ч. от окисной пленки) соединяемых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например, алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами. В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет также звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры [5].

Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности.

Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания.

Остаточные химикалии моющих сред могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием. При удалении загрязнений растворением, растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее. По мере того как растворитель растворяет загрязнение, на границе растворитель-загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения. Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения. Это особенно эффективно, в тех случаях, когда очистке подвергаются "неправильные" поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные модули. Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их.