Lý thuyết và ứng dụng của siêu âm trong công nghệ làm sạch (Phần 2)

Xem thêm: Lý thuyết và ứng dụng của siêu âm trong công nghệ làm sạch (Phần 1)

Lợi ích của sóng siêu âm trong quy trình làm sạch và rửa

Việc làm sạch trong hầu hết các trường hợp đòi hỏi chất gây ô nhiễm phải được hòa tan (như trong trường hợp đất hòa tan), bị dịch chuyển (như trong trường hợp đất không hòa tan) hoặc vừa hòa tan vừa bị dịch chuyển (như trong trường hợp các hạt không hòa tan được giữ bởi một chất kết dính hòa tan như dầu hoặc mỡ). Hiệu ứng cơ học của năng lượng siêu âm có thể hữu ích trong cả việc tăng tốc độ hòa tan và dịch chuyển các hạt. Giống như nó có lợi trong việc làm sạch, sóng siêu âm cũng có lợi trong quá trình rửa sạch. Hóa chất tẩy rửa còn sót lại được loại bỏ nhanh chóng và hoàn toàn bằng cách rửa siêu âm. Để loại bỏ chất gây ô nhiễm bằng cách hòa tan, dung môi cần tiếp xúc và hòa tan chất gây ô nhiễm. Hoạt động làm sạch chỉ diễn ra ở phần tiếp giáp giữa hóa chất làm sạch và chất gây ô nhiễm. (Hình 1)

Khi hóa chất làm sạch hòa tan chất gây ô nhiễm, một lớp bão hòa phát triển ở bề mặt phân cách giữa hóa chất làm sạch mới và chất gây ô nhiễm. Khi điều này đã xảy ra, hoạt động làm sạch sẽ dừng lại vì hóa chất bão hòa không còn có thể tấn công chất gây ô nhiễm. Hóa chất tươi không thể tiếp cận chất gây ô nhiễm. (Hình 2)

Sự xâm thực và nổ siêu âm giúp dịch chuyển lớp bão hòa một cách hiệu quả để cho phép hóa chất mới tiếp xúc với chất gây ô nhiễm còn lại được loại bỏ. Điều này đặc biệt có lợi khi các bề mặt bất thường hoặc các lối đi bên trong phải được làm sạch. (Hình 3)

Làm sạch tốc độ siêu âm bằng cách hòa tan

Một số chất gây ô nhiễm bao gồm các hạt không hòa tan được gắn một cách lỏng lẻo và được giữ cố định bởi các lực ion hoặc lực dính. Các hạt này chỉ cần dịch chuyển đủ để phá vỡ các lực hấp dẫn cần loại bỏ. (Hinh 4)

Việc nổ bong bóng do hoạt động siêu âm dịch chuyển và loại bỏ các chất gây ô nhiễm được giữ lỏng như bụi khỏi bề mặt. Để điều này có hiệu quả, điều cần thiết là môi trường ghép nối phải có khả năng làm ướt các hạt cần loại bỏ. (Hình 5)

Các chất ô nhiễm phức tạp

Chất gây ô nhiễm bao gồm các loại đất kết hợp được tạo thành từ cả thành phần hòa tan và không hòa tan. Hiệu quả của sóng siêu âm về cơ bản là giống nhau trong những trường hợp này, vì vi khuấy cơ học giúp tăng tốc độ hòa tan các chất gây ô nhiễm hòa tan và sự dịch chuyển của các hạt không hòa tan. Hoạt động siêu âm cũng đã được chứng minh để tăng tốc độ hoặc tăng cường tác dụng của nhiều phản ứng hóa học. Điều này có lẽ phần lớn là do mức năng lượng cao được tạo ra khi áp suất và nhiệt độ cao được tạo ra tại các vị trí vụ nổ. 

Trong các hình minh họa trên, bề mặt của bộ phận được làm sạch đã được biểu diễn dưới dạng phẳng. Hình 6 cho thấy tại sao năng lượng siêu âm đã được chứng minh là có hiệu quả hơn trong việc tăng cường làm sạch so với các giải pháp thay thế khác, bao gồm rửa phun, chải, tạo tua bin, khuấy trộn không khí và thậm chí làm sạch bằng điện trong nhiều ứng dụng. Khả năng hoạt động của sóng siêu âm xâm nhập và hỗ trợ làm sạch bề mặt bên trong của các bộ phận phức tạp cũng đặc biệt đáng chú ý.

Thiết bị siêu âm

Để đưa năng lượng siêu âm vào hệ thống làm sạch, cần có đầu dò siêu âm và nguồn cung cấp năng lượng siêu âm hoặc “máy phát điện”. Máy phát điện cung cấp năng lượng điện ở tần số siêu âm mong muốn. Bộ chuyển đổi sóng siêu âm chuyển đổi năng lượng điện từ bộ phát sóng siêu âm thành các dao động cơ học.

Máy phát siêu âm

Máy phát sóng siêu âm chuyển đổi năng lượng điện từ dòng thường là dòng điện xoay chiều ở tần số 50 hoặc 60Hz thành năng lượng điện ở tần số siêu âm. Điều này được thực hiện theo một số cách bởi các nhà sản xuất thiết bị khác nhau. Các máy phát siêu âm hiện nay hầu như đều sử dụng công nghệ trạng thái rắn.ư

Đã có một số cải tiến tương đối gần đây trong công nghệ máy phát siêu âm có thể nâng cao hiệu quả của thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm. Chúng bao gồm các đầu ra sóng vuông, làm chậm hoặc nhanh xung năng lượng siêu âm bật và tắt và điều biến hoặc “quét” tần số của đầu ra máy phát xung quanh tần số hoạt động trung tâm. Các máy phát siêu âm tiên tiến nhất có các điều khoản để điều chỉnh nhiều thông số đầu ra để tùy chỉnh đầu ra năng lượng siêu âm cho nhiệm vụ.

Đầu ra sóng vuông

Việc áp dụng tín hiệu sóng vuông vào đầu dò siêu âm dẫn đến đầu ra âm thanh giàu sóng hài. Kết quả là một hệ thống làm sạch đa tần số rung động đồng thời ở một số tần số là sóng hài của tần số cơ bản. Hoạt động đa tần số mang lại lợi ích của tất cả các tần số được kết hợp trong một bể làm sạch siêu âm duy nhất.

Pulse

Trong hoạt động xung, năng lượng siêu âm được bật và tắt với tốc độ có thể thay đổi từ vài giây một lần đến vài trăm lần mỗi giây.

Phần trăm thời gian mà năng lượng siêu âm bật cũng có thể được thay đổi để tạo ra các kết quả khác nhau. Ở tốc độ xung chậm hơn, quá trình khử khí chất lỏng diễn ra nhanh hơn do các bong bóng khí kết tụ lại có cơ hội trồi lên bề mặt chất lỏng trong thời gian năng lượng siêu âm tắt. Ở tốc độ xung nhanh hơn, quá trình làm sạch có thể được tăng cường khi các “vụ nổ” năng lượng siêu âm cao lặp đi lặp lại mỗi khi nguồn năng lượng được bật.

Quét tần số

Trong hoạt động quét, tần số của đầu ra của máy phát sóng siêu âm được điều biến xung quanh một tần số trung tâm mà bản thân nó có thể điều chỉnh được.

Các hiệu ứng khác nhau được tạo ra bằng cách thay đổi tốc độ và độ lớn của điều tần. Tần số có thể được điều biến từ vài giây một lần đến vài trăm lần mỗi giây với cường độ biến thiên từ vài hertz đến vài kilohertz. Quét có thể được sử dụng để ngăn ngừa hư hỏng cho các bộ phận cực kỳ tinh vi hoặc để giảm ảnh hưởng của sóng đứng khi làm sạch bể chứa. Hoạt động quét cũng có thể đặc biệt hữu ích trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của tecpen và các chất hóa học gốc dầu mỏ. Sự kết hợp giữa hoạt động Xung và quét có thể mang lại kết quả tốt hơn nữa khi cần có sự xâm nhập của tecpen và các chất hóa học gốc dầu mỏ. 

Tần số và Biên độ

Tần số và biên độ là đặc tính của sóng âm. Các hình minh họa bên dưới thể hiện tần số và biên độ bằng cách sử dụng mô hình lò xo được giới thiệu trước đó. Trong biểu đồ, nếu A là sóng âm cơ bản, B với ít dịch chuyển của phương tiện (nén ít cường độ hơn và hiếm hơn) khi mặt trước sóng đi qua, biểu thị sóng âm có biên độ nhỏ hơn hoặc “độ lớn”. C đại diện cho một sóng âm có tần số cao hơn được chỉ ra bởi nhiều mặt sóng hơn đi qua một điểm nhất định trong một khoảng thời gian nhất định.

Đầu dò siêu âm

Có hai loại đầu dò siêu âm phổ biến được sử dụng ngày nay: Từ động và áp điện. Cả hai đều thực hiện cùng một nhiệm vụ là chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng cơ học dao động nhưng thực hiện nó thông qua việc sử dụng các phương tiện khác nhau.

Từ tính

Đầu dò từ trở sử dụng nguyên tắc hạn chế từ tính, trong đó một số vật liệu nhất định giãn nở và co lại khi đặt trong từ trường xoay chiều.

Năng lượng điện xoay chiều từ máy phát siêu âm lần đầu tiên được chuyển đổi thành từ trường xoay chiều thông qua việc sử dụng một cuộn dây. Sau đó, từ trường xoay chiều được sử dụng để tạo ra dao động cơ học ở tần số siêu âm trong các dải cộng hưởng bằng niken hoặc vật liệu từ tính khác được gắn vào bề mặt cần rung. Bởi vì các vật liệu từ tính hoạt động giống nhau với từ trường có một trong hai cực, tần số của năng lượng điện đặt vào đầu dò là 1/2 tần số đầu ra mong muốn. Đầu dò từ tính lần đầu tiên cung cấp nguồn rung động siêu âm mạnh mẽ cho các ứng dụng công suất cao như làm sạch bằng sóng siêu âm. Do những hạn chế cơ học cố hữu đối với kích thước vật lý của phần cứng cũng như các biến chứng về điện và từ, đầu dò từ trở công suất cao hiếm khi hoạt động ở tần số trên 20 kilohertz. Mặt khác, đầu dò áp điện có thể dễ dàng hoạt động tốt trong phạm vi megahertz. Các bộ chuyển đổi áp điện thường kém hiệu quả hơn so với các bộ chuyển đổi áp điện của chúng. Điều này chủ yếu là do bộ chuyển đổi từ tính yêu cầu chuyển đổi năng lượng kép từ điện sang từ và sau đó từ từ sang cơ. Một số hiệu quả bị mất trong mỗi lần chuyển đổi. Hiệu ứng từ trễ cũng làm giảm hiệu quả của bộ chuyển đổi từ tính. Các bộ chuyển đổi áp điện thường kém hiệu quả hơn so với các bộ chuyển đổi áp điện của chúng. Điều này chủ yếu là do bộ chuyển đổi từ tính yêu cầu chuyển đổi năng lượng kép từ điện sang từ và sau đó từ từ sang cơ. Một số hiệu quả bị mất trong mỗi lần chuyển đổi. Hiệu ứng từ trễ cũng làm giảm hiệu quả của bộ chuyển đổi từ tính. Các bộ chuyển đổi áp điện thường kém hiệu quả hơn so với các bộ chuyển đổi áp điện của chúng. Điều này chủ yếu là do bộ chuyển đổi từ tính yêu cầu chuyển đổi năng lượng kép từ điện sang từ và sau đó từ từ sang cơ. Một số hiệu quả bị mất trong mỗi lần chuyển đổi. Hiệu ứng từ trễ cũng làm giảm hiệu quả của bộ chuyển đổi từ tính.

Điện áp

Bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều trực tiếp thành năng lượng cơ học thông qua việc sử dụng hiệu ứng áp điện trong đó một số vật liệu nhất định thay đổi kích thước khi một điện tích được đặt vào chúng.

Năng lượng điện ở tần số siêu âm được cung cấp cho đầu dò bởi bộ tạo sóng siêu âm. Năng lượng điện này được áp dụng cho (các) phần tử áp điện trong bộ chuyển đổi dao động. Những dao động này được khuếch đại bởi các khối lượng cộng hưởng của bộ chuyển đổi và hướng vào chất lỏng thông qua tấm bức xạ. Các đầu dò áp điện thời kỳ đầu sử dụng các vật liệu áp điện như các tinh thể thạch anh và bari titanat tự nhiên, dễ vỡ và không ổn định. Do đó, các đầu dò áp điện ban đầu không đáng tin cậy. Các đầu dò ngày nay kết hợp các vật liệu áp điện bằng gốm mạnh hơn, hiệu quả hơn và có độ ổn định cao, được phát triển do nỗ lực của Hải quân Hoa Kỳ và nghiên cứu của họ để phát triển các bộ phát đáp sonar tiên tiến vào những năm 1940.

Xem thêm: Lý thuyết và ứng dụng của siêu âm trong công nghệ làm sạch (Phần 3)