Результат интеллектуальной деятельности: УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам для мелкодисперсного распыления жидкостей, и может быть использовано в наноиндустрии, химико-фармацевтической и медицинской промышленности.

Свойство ультразвуковых колебаний высокой интенсивности распылять жидкости в газовой среде широко применяется для получения различных аэрозолей при интенсификации тепло- и массообменных процессов в распылительной сушке, при нанесении тонких слоев лекарственных веществ (микродоз) или защитных слоев на грануляты, спансулы, таблетируемый материал, при получении монодисперсных гранул, распылении расплавов химических веществ, изготовлении мельчайших порошков и т.п. Ультразвуковое распыление жидкостей используется в медицине для создания лечебных аэрозолей.

Ультразвуковые распылители аэрозолей имеет ряд преимуществ перед устройствами химического (конденсационного) и механического (дисперсионного) распыления, так как позволяют значительно интенсифицировать процесс, улучшить качество продукта при меньших габаритных размерах и стоимости. При этом устройства обеспечивают формирование монодисперсного и однородного по составу факела распыления с заданным размером формируемых капель при высокой концентрации аэрозоля.

Механизм ультразвукового распыления жидкостей заключается в воздействии механическими колебаниями ультразвуковой частоты на пленку жидкости, при этом распыление осуществляется за счет отрыва капелек жидкости с гребней образующихся стоячих капиллярных волн.

Эффективность процесса ультразвукового распыления определяется главным образом толщиной и равномерностью пленки распыляемой жидкости. Для создания пленки на колеблющейся распылительной поверхности используют различные способы подачи жидкости, наиболее распространенным из которых является выполнение сквозного осевого канала в ультразвуковой колебательной системе распылителя [1].

Основными недостатками известного ультразвукового распылителя является малая ширина факела распыла и ограниченная производительность процесса, обусловленная малой площадью растекания распыляемой жидкости по колеблющейся поверхности (вокруг отверстия выхода канала на распылительную поверхность образуется «пятно» диаметром не более 5 мм). Это объясняется тем, что при выходе из канала на колеблющуюся поверхность жидкости сообщается значительное ускорение, приводящее к ее распылению. Жидкость не успевает растечься по всей распылительной поверхности. Увеличение расхода жидкости также не приводит к желаемым результатам, поскольку жидкость начинает вытекать из отверстия, не подвергаясь распылению. Указанные недостатки приводят к невозможности создания высокопроизводительных ультразвуковых распылителей с большой поверхностью распыления.

Возможным путем устранения указанных недостатков является применение в конструкции ультразвукового распылителя дополнительных элементов для подачи сжатого воздуха, предназначенных для формирования факела распыла с необходимыми геометрическими характеристиками [2]. Однако это не позволяет устранить второй недостаток, связанный с малой производительностью распыления. Кроме того, во многих случаях применение воздушных потоков для формирования факела недопустимо техническим регламентом процесса (загрязнение покрытий).

Наиболее полно недостатки известных устройств устранены в ультразвуковом распылителе, принятом за прототип [3], содержащем пьезоэлектрический преобразователь, концентратор, заканчивающийся инструментом с конусной распылительной поверхностью, в котором выполнены каналы, соединенные с осевым каналом для подачи распыляемой жидкости.

Выполнение распылительной поверхности в виде конуса и наличие дополнительных каналов позволяет обеспечить более равномерное покрытие жидкостью распылительной поверхности на большей площади.

Устройство, принятое за прототип, позволяет осуществлять распыление с увеличенной производительностью и диаметром факела распыла, однако характеризуется рядом существенных недостатков:

1. Невозможностью формирования факела распыления с заданными геометрическим характеристиками, поскольку прототип не позволяет установить взаимосвязь между углом при вершине конусной распылительной поверхности и диаметром формируемого факела распыла

2. Невозможностью осуществления процесса распыления с заданной производительностью и равномерностью формируемого факела, поскольку известный распылитель не обеспечивает оптимального размещения отверстий для подачи жидкости на поверхность распыления.

Таким образом, устройство, принятое за прототип, не позволяет реализовать процесс распыления с максимальной эффективностью.

В предлагаемом ультразвуковом распылителе, содержащем пьезоэлектрический преобразователь, концентратор, заканчивающийся инструментом с конусной распылительной поверхностью, в котором выполнены каналы, соединенные с осевым каналом для подачи распыляемой жидкости, центры каналов равномерно расположены на окружностях, количество которых N определяется из условий обеспечения заданной формы формируемого факела и производительности процесса

где R - радиус основания конусной распылительной поверхности, R₀ - радиус поверхности, покрываемой жидкостью, вытекающей из одного отверстия, γ - угол при вершине конусной распылительной поверхности, при этом диаметры окружностей выбираются из условия

где i=0…N - номер окружности, и на каждой окружности выполняется

каналов.

В предлагаемом техническом решении задача повышения эффективности процесса распыления решается за счет:

- выбора оптимального угла при вершине распылительной поверхности, обеспечивающего формирования факела распыла заданного диаметра;

- оптимального расположения отверстий каналов для подачи жидкости, обеспечивающего равномерное покрытие распылительной поверхности слоем жидкости.

Сущность предложенного технического решения заключается в следующем. В предложенном ультразвуковом распылителе жидкость, вытекающая из отверстия на колеблющейся распылительной поверхности, будет растекаться по вполне определенной, конечной площади этой поверхности, имеющей форму круга. Было установлено, что значение радиуса круга R₀, по которому растекается жидкость, зависит от производительности подачи этой жидкости.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 представлена зависимость радиуса растекания жидкости R₀ от производительности ее подачи на распылительную поверхность, полученная экспериментально.

На фиг.2,а показан пример наиболее часто используемой распылительной поверхности, выполненной виде конуса радиусом R с углом при вершине γ.

Жидкость, вытекающая из центрального канала обеспечит покрытие распылительной поверхности на расстоянии, не превышающем R₀ от центрального отверстия. Для покрытия жидкостью оставшейся площади распылительной поверхности требуется выполнение дополнительных отверстий. Предложено выполнять эти отверстия на расстоянии 2R₀ друг от друга вдоль образующей конуса (см. фиг.2, б). Поскольку распылительная поверхность, как правило, выполняется в виде конуса, то наиболее рациональным является размещение дополнительных отверстий (помимо центрального отверстия, выполненного в вершине конуса) на окружностях (см. фиг.2, в).

На фиг.2,г показано, что радиус этих окружностей будет увеличиваться на с каждой новой окружностью, расположенной далее от центра конуса.

Количество окружностей рассчитывается таким образом, чтобы они располагались на расстоянии 2R₀ друг от друга и на расстоянии R₀ от внешнего края. При известном радиусе распылительной поверхности R длина образующей конуса будет равна . Тогда количество окружностей, которые можно разместить вдоль такой образующей конуса, будет равно или, переходя к общему знаменателю,

Если полученное значение не является целочисленным, то его округляют до ближайшего целого значения и уточняют значение R₀, следовательно

Радиус каждой из окружностей будет равен

где i=0…N - номер окружности.

Центры отверстий каналов для подачи жидкости на каждой из окружностей также равномерно располагаются на расстоянии 2R₀ друг от друга по длине окружности. Количество каналов на каждой окружности выбирается

где i=0…N - номер окружности.

Угол при вершине конусной поверхности выбирается исходя из необходимого диаметра формируемого факела распыла.

На фиг.3 приведена зависимость отношения диаметра формируемого факела распыла к диаметру распылительной поверхности от угла при вершине распылительной поверхности.

Предлагаемое техническое решение используется в серии ультразвуковых распылителей, разработанных ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».

Литература

1. Хмелев, В.Н. Ультразвуковое распыление жидкостей [Текст]. / В.Н.Хмелев, А.В.Шалунов, А.В.Шалунова - Барнаул АлтГТУ, 2010. - 272 с.

2. Ultrasound Company [Electronic resource]. - Sono-Tek Corporation. - Режим доступа: http://www.sono-tek.com/.

3. Патент США №4659014 (прототип).