Повышение мощности ультразвуковых колебаний, излучаемых магнитострикционными преобразователями

Андреев А. Г. ООО «Кольцо-энерго» главный инженер Митюряев А. Н. ООО НПП «Агроприбор» директор

Панфиль П. А. ООО «Кольцо-энерго» директор

Воздействие ультразвука на различные технологические процессы широко используются во многих областях. Ультразвук применяется в медицине, энергетике, металлообработке, химической промышленности. В теплоэнергетике отлично зарекомендовали себя современные акустические (ультразвуковые) противонакипные устройства, пользующиеся заслуженной популярностью в России и за рубежом. Дальнейшее развитие ультразвуковой технологии предотвращения образования накипи лежит, на наш взгляд, в совершенствовании ультразвуковых преобразователей. Преобразователь – это довольно сложное в изготовлении изделие, которое преобразует электромагнитные колебания в механические, в нашем случае ультразвуковые. В противонакипных устройствах, как правило, применяются магнитострикционные преобразователи, так как пьезокерамика менее эффективно работает на большую присоединенную массу, а в промышленном применении противонакипные устройства генерируют распространение ультразвуковых колебаний в конструкциях массивного теплообменного оборудования. В этой статье мы рассмотрим варианты совершенствования и развития магнитострикционных преобразователей, применяемых в наших акустических противонакипных устройствах.

Излучаемая мощность магнитострикционных преобразователей ультразвука (УЗ) является одной из основных характеристик, определяющих эффективность их работы. Её повышение достигается различными способами, каждый из которых имеет свои границы применения. Увеличение силы тока, протекающего по обмотке преобразователя, ограничено сечением проводов обмотки, разумными пределами потребляемой электрической мощности задающим генератором, температурными режимами работы излучателей УЗ. Применение волноводных концентраторов с большими коэффициентами усиления ограничено минимально допустимым диаметром торца волновода – в излучателях, применяемых в большинстве УЗ устройств, он составляет около 25 мм.

Полная излучаемая мощность W при поршневом излучении равна

W = 1/2 ρс V2 S.

Где V – амплитуда колебательной скорости на излучающей поверхности, S – площадь излучающей поверхности. Очевидно, увеличение площади сечения пакета преобразователя приводит к увеличению излучаемой им мощности УЗ колебаний. В магнитострикционных преобразователях обычно применяются пакеты размером 30х30 мм (преобразователи ПМСИ-2, ПМСИ-3, ТМС-30 и др).

Увеличение площади сечения пакета преобразователя до 40х40 мм приводит к увеличению мощности излучения УЗ в

W40/W30 = S40/S30 = 1,78

Достигаемая при этом излучаемая мощность достаточна для эффективной работы УЗ устройств, использующих магнитострикционные излучатели. Дальнейшее увеличение площади сечения пакета преобразователя вряд ли целесообразно, так как при этом необоснованно увеличивается и стоимость магнитострикционного материала, используемого при наборе пакета преобразователя, и размеры излучателя УЗ. Применение излучателей с размерами сечения пакета 40х40 мм является наиболее удачным по техническим характеристикам и стоимости изготовления.

Рис.1 Магнитострикционные излучатели ультразвука с пакетом 30х30 мм (слева) и 40х40 мм (справа).

Рис.2 Излучатели ультразвука ТМС-40 с пакетом 40х40 мм во взрывозащищённом исполнении.

Другим фактором, влияющим на мощность излучения магнитострикционных преобразователей, а значит на эффективность их работы, служит сочетание конструктивных особенностей излучателя УЗ и способа возбуждения колебаний, формой электрических импульсов, поступающих на обмотку преобразователя с задающего генератора.

Излучатель УЗ состоит из преобразователя, волновода, защитного кожуха. Преобразователь, представляющий собой пакет пластин из магнитострикционного материала, припаян к волноводу. Геометрия и преобразователя, и волновода рассчитана на одну рабочую резонансную частоту, работа на которой которая наиболее эффективна в конкретном технологическом процессе. Но кроме основной резонансной частоты в конструкции излучателя присутствуют и другие резонансы, которые являются паразитными. И если возбуждение УЗ колебаний в пакете преобразователя осуществлять видеоимпульсом, то кроме основной рабочей частоты возбуждаются и колебания на паразитных резонансных частотах, что приводит к распределению полной излучаемой мощности по частотным составляющим. И, как следствие, к уменьшению излучаемой мощности на рабочей частоте. Если же возбуждение колебаний в пакете преобразователя осуществляется радиоимпульсом с набивкой заданной рабочей частоты, то в колебательной системе пакет-волновод-кожух-нагрузка возникают вынужденные колебания заданной частоты. Амплитуда которых усиливается за счет резонансной конструкции излучателя.

Частота набивки радиоимпульса выполняется подстраиваемой, для максимально точного соответствия её основному рабочему резонансу излучателя УЗ. Применение радиоимпульса для возбуждения колебаний пакета преобразователя позволяет устранить потери полезной излучаемой мощности УЗ колебаний и увеличить амплитуду колебаний на заданной частоте.

Кроме того, что паразитные резонансы колебательной системы излучателя приводят к уменьшению мощности излучаемого УЗ на рабочей частоте, располагаются они и в звуковом диапазоне частот, из-за этого работа УЗ устройств сопровождается характерным слышимым шумом.

Щёлканье работающего магнитострикционного преобразователя можно сделать более тихим, если отделить кожух от волновода резиновыми или фторопластовыми прокладками. Уровень шума такого излучателя снижается почти на 10 дБ и он издаёт только глухое постукивание. Но требуется предусмотреть заземление кожуха, теперь электрически изолированного от волновода.

Рис. 3 Тихий излучатель ТМС-30 без обмотки с резиновыми прокладками

Все вышесказанное относится к магнитострикционным излучателям, конструкция которых традиционно реализует одностороннее полезное излучение. Нагрузка на пакет преобразователя осуществляется с одного его торца, а противоположный торец совершает холостые колебания, не используемые при работе излучателя. Это обусловлено способом передачи УЗ колебаний рабочей нагрузке, максимальным его упрощением – путем сварного или резьбового соединения прямолинейного волновода с нагрузкой (хотя, конечно, можно реализовать экзотические способы передачи колебаний с обоих торцов пакета преобразователя – например, применяя изогнутые волноводы). Но существуют области применения УЗ устройств, где возможно использовать излучение обоих торцов преобразователя – при применении «погружных излучателей УЗ», для формирования ультразвуковых колебаний в жидких средах. Обычно для этого используют конструкции, где один или несколько преобразователей жестко соединяются с пластиной, служащей излучающей поверхностью, закрываются герметичной крышкой, второй же торец преобразователя не используется для излучения в среду. Нами разработан магнитострикционный погружной излучатель УЗ, в котором полезно используются колебания обоих торцов пакета преобразователя. Отличительная особенность этого излучателя – закрепление торцов преобразователя на двух пластинах, что приводит к двукратному увеличению площади излучающей поверхности. Конструктивное решение позволяет увеличить мощность излучаемых колебаний без повышения потребляемой электрической мощности и при тех же размерах пакета преобразователя УЗ.

Заключение.

Для защиты от накипи промышленного теплообменного оборудования востребованы мощные и компактные магнитострикционные излучатели российского производства. Для предотвращения отложений в пластинчатых теплообменниках применяются преобразователи с пакетом 30х30 мм. Для крупногабаритных подогревателей и конденсаторов оптимальны преобразователи с пакетом 40х40 мм. Дальнейшее увеличение площади пакета нецелесообразно. Также нами разработан погружной магнитострикционный преобразователь с повышенной мощностью излучения ультразвуковых колебаний.