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

Xem thêm :

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

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

Thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm

Thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm có phạm vi từ các thiết bị nhỏ để bàn thường thấy trong văn phòng nha khoa hoặc cửa hàng trang sức cho đến các hệ thống khổng lồ có công suất vài nghìn gallon được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Lựa chọn hoặc thiết kế thiết bị phù hợp là điều tối quan trọng trong sự thành công của bất kỳ ứng dụng làm sạch bằng sóng siêu âm nào. Ứng dụng đơn giản nhất có thể chỉ yêu cầu một chất tẩy rửa bể chứa được làm nóng đơn giản với việc rửa được thực hiện trong một bồn rửa hoặc trong một thùng chứa riêng biệt. Các hệ thống làm sạch phức tạp hơn bao gồm một hoặc nhiều lần tráng, các thùng xử lý bổ sung và máy sấy khí nóng. Tự động hóa thường được thêm vào để giảm lao động và đảm bảo tính nhất quán của quy trình. Các hệ thống lắp đặt lớn nhất sử dụng đầu dò siêu âm có thể được gắn ở các cạnh hoặc đáy của bể làm sạch với kích thước gần như bất kỳ. Đầu dò siêu âm chìm mang lại sự linh hoạt tối đa và dễ dàng lắp đặt và bảo trì. Hệ thống làm sạch bể gia nhiệt (hình 7) được sử dụng trong các phòng thí nghiệm và cho các nhu cầu làm sạch hàng loạt nhỏ.

Hình 8 là hệ thống làm sạch bàn điều khiển (hình 9) tích hợp (các) bể làm sạch bằng sóng siêu âm, (các) bể rửa và máy sấy để làm sạch hàng loạt. Hệ thống có thể được tự động hóa thông qua việc sử dụng hệ thống xử lý vật liệu được điều khiển bằng PLC.

Hình 9 là hình ảnh minh họa cho thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm cao cấp, có thể đưa ra một loạt các lựa chọn trong các hệ thống được thiết kế tùy chỉnh, như trong hình 10. Việc lắp đặt quy mô lớn hoặc trang bị thêm các bể hiện có trong dây chuyền mạ, v.v., có thể đạt được thông qua việc sử dụng đầu dò siêu âm nhúng mô-đun. Máy phát siêu âm thường được đặt trong các thùng điều chỉnh khí hậu.

Tối đa hóa quy trình làm sạch bằng sóng siêu âm

Thông số quy trình 

Ứng dụng hiệu quả của quy trình làm sạch bằng sóng siêu âm đòi hỏi phải xem xét một số thông số. Mặc dù thời gian, nhiệt độ và hóa chất vẫn quan trọng trong quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm như trong các công nghệ làm sạch khác, nhưng có những yếu tố khác phải được xem xét để tối đa hóa hiệu quả của quá trình. Đặc biệt quan trọng là những biến số ảnh hưởng đến cường độ của cavitation siêu âm trong chất lỏng. 

Tối đa hóa khoang

Việc tối đa hóa sự tạo bọt của chất lỏng làm sạch rõ ràng là rất quan trọng đối với sự thành công của quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm. Một số biến ảnh hưởng đến cường độ xâm thực. Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất cần được xem xét để tối đa hóa cường độ xâm thực. Điều này là do rất nhiều đặc tính chất lỏng ảnh hưởng đến cường độ cavitation liên quan đến nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi độ nhớt, độ hòa tan của khí trong chất lỏng, tốc độ khuếch tán của các khí hòa tan trong chất lỏng và áp suất hơi, tất cả đều ảnh hưởng đến cường độ tạo lỗ. Trong nước tinh khiết, hiệu ứng xâm thực đạt cực đại ở khoảng 160 ° F. Độ nhớt của chất lỏng phải được giảm thiểu để có hiệu quả tạo bọt tối đa. Chất lỏng nhớt rất chậm và không thể phản ứng đủ nhanh để tạo thành bọt khí và vụ nổ dữ dội. Độ nhớt của hầu hết các chất lỏng bị giảm khi nhiệt độ tăng. Để tạo bọt hiệu quả nhất, chất lỏng làm sạch phải chứa càng ít khí hòa tan càng tốt. Khí hòa tan trong chất lỏng được giải phóng trong giai đoạn tạo bọt khí và ngăn chặn vụ nổ dữ dội của nó, cần thiết để đạt được hiệu ứng siêu âm mong muốn. Lượng khí hòa tan trong chất lỏng giảm khi nhiệt độ chất lỏng tăng lên. Tốc độ khuếch tán của các khí hòa tan trong chất lỏng được tăng lên ở nhiệt độ cao hơn. Điều này có nghĩa là chất lỏng ở nhiệt độ cao hơn sẽ dễ dàng loại bỏ khí hòa tan hơn so với chất lỏng ở nhiệt độ thấp hơn, điều này giúp giảm thiểu lượng khí hòa tan trong chất lỏng. Nhiệt độ của chất lỏng tăng vừa phải sẽ đưa chất lỏng đến gần áp suất hơi hơn, nghĩa là dễ dàng đạt được sự tạo hơi hơn. Cavitation hơi, trong đó các bong bóng cavitation chứa đầy hơi của chất lỏng tạo cavitation, là hình thức cavitation hiệu quả nhất. Tuy nhiên, khi đến gần nhiệt độ sôi, cường độ xâm thực sẽ giảm do chất lỏng bắt đầu sôi tại các vị trí tạo lỗ. Cường độ tạo khoang có liên quan trực tiếp đến Công suất siêu âm ở các mức công suất thường được sử dụng trong hệ thống làm sạch bằng sóng siêu âm. Khi công suất được tăng lên đáng kể trên ngưỡng xâm thực, cường độ xâm thực sẽ giảm dần và chỉ có thể được tăng thêm thông qua việc sử dụng các kỹ thuật lấy nét. Cường độ tạo khoang có quan hệ tỷ lệ nghịch với Tần số siêu âm. Khi tần số siêu âm tăng lên, cường độ tạo lỗ hổng giảm do kích thước nhỏ hơn của bong bóng tạo lỗ hổng và dẫn đến sự nổ ít dữ dội hơn của chúng.

Tầm quan trọng của việc giảm thiểu khí hòa tan

Trong phần áp suất âm của sóng âm, chất lỏng bị xé ra và bọt khí bắt đầu hình thành. Khi áp suất âm phát triển trong bong bóng, các khí hòa tan trong chất lỏng bay lên bắt đầu khuếch tán qua ranh giới vào bong bóng. Khi áp suất âm giảm do sự truyền đi của phần hiếm của sóng âm và đạt đến áp suất khí quyển, bong bóng lỗ hổng bắt đầu sụp đổ do sức căng bề mặt của chính nó. Trong phần nén của sóng âm thanh, bất kỳ khí nào khuếch tán vào bong bóng sẽ bị nén lại và cuối cùng bắt đầu khuếch tán qua ranh giới một lần nữa để vào lại chất lỏng. Tuy nhiên, quá trình này không bao giờ hoàn thành miễn là bong bóng có chứa khí vì sự khuếch tán ra khỏi bong bóng không bắt đầu cho đến khi bong bóng được nén lại. Và khi bong bóng được nén, bề mặt ranh giới có sẵn cho sự khuếch tán bị giảm. Kết quả là, các bong bóng tạo lỗ hổng hình thành trong chất lỏng chứa khí không xẹp xuống hoàn toàn để nổ mà tạo ra một túi khí nén nhỏ trong chất lỏng. Hiện tượng này có thể hữu ích trong việc khử khí chất lỏng. Các bong bóng khí nhỏ nhóm lại với nhau cho đến khi chúng trở nên đủ nổi để nổi lên bề mặt chất lỏng.

Tối đa hóa hiệu quả làm sạch tổng thể

Làm sạch

Lựa chọn hóa chất là vô cùng quan trọng đối với sự thành công chung của quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm. Hóa chất được chọn phải tương thích với kim loại cơ bản đang được làm sạch và có khả năng loại bỏ các loại đất bám trên bề mặt. Nó cũng phải hoạt động tốt. Hầu hết các hóa chất tẩy rửa có thể được sử dụng tốt với sóng siêu âm. Một số được pha chế đặc biệt để sử dụng với sóng siêu âm. Tuy nhiên, tránh các công thức không tạo bọt thường được sử dụng trong các ứng dụng giặt phun. Các công thức được làm ướt cao được ưu tiên. Nhiều chất tẩy rửa dầu mỏ mới, cũng như chất tẩy rửa bán nước gốc dầu mỏ và terpene, tương thích với sóng siêu âm. Việc sử dụng các công thức này có thể yêu cầu một số cân nhắc về thiết bị đặc biệt, bao gồm cả việc tăng cường công suất siêu âm, để có hiệu quả.

Nhiệt độ đã được đề cập trước đó là quan trọng để đạt được sự xâm thực tối đa. Hiệu quả của hóa chất tẩy rửa cũng liên quan đến nhiệt độ. Mặc dù hiệu ứng tạo bọt khí đạt tối đa trong nước tinh khiết ở nhiệt độ xấp xỉ 160 ° F, việc làm sạch tối ưu thường thấy ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn do ảnh hưởng của nhiệt độ lên hóa chất tẩy rửa. Theo nguyên tắc chung, mỗi hóa chất sẽ hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ quy trình được khuyến nghị của nó bất kể ảnh hưởng của nhiệt độ lên sóng siêu âm. Ví dụ, mặc dù hiệu ứng siêu âm tối đa đạt được ở 160 ° F, hầu hết các chất tẩy rửa có tính ăn da cao được sử dụng ở nhiệt độ từ 180 ° F đến 190 ° F vì hiệu ứng hóa học được tăng cường đáng kể bởi nhiệt độ bổ sung. Các chất tẩy rửa khác có thể bị hỏng và mất tác dụng nếu được sử dụng ở nhiệt độ thấp hơn 140 ° F. Cách tốt nhất là sử dụng hóa chất ở nhiệt độ khuyến nghị tối đa không quá 190 ° F Khử khí cho dung dịch tẩy rửa là cực kỳ quan trọng để đạt được kết quả làm sạch như ý. Dung dịch mới hoặc dung dịch đã nguội phải được khử khí trước khi tiến hành làm sạch. Quá trình khử khí được thực hiện sau khi hóa chất được thêm vào và được thực hiện bằng cách vận hành năng lượng siêu âm và tăng nhiệt độ dung dịch. Thời gian cần thiết để khử khí thay đổi đáng kể, dựa trên dung tích bể và nhiệt độ dung dịch, và có thể dao động từ vài phút đối với bể nhỏ đến một giờ hoặc hơn đối với bể lớn. Bể chưa được làm nóng có thể cần vài giờ để tẩy dầu mỡ.

Công suất siêu âm được cung cấp cho bể làm sạch phải đủ để hút toàn bộ thể tích chất lỏng với khối lượng công việc tại chỗ. Watts trên gallon là một đơn vị đo lường thường được sử dụng để đo mức công suất siêu âm trong bể làm sạch. Khi thể tích bể tăng lên, số watt trên mỗi gallon cần thiết để đạt được hiệu suất cần thiết sẽ giảm xuống. Làm sạch các bộ phận rất lớn hoặc có tỷ lệ bề mặt trên khối lượng cao có thể yêu cầu thêm nguồn siêu âm. Công suất quá cao có thể gây xói mòn lỗ hổng hoặc “cháy” trên các bộ phận kim loại mềm. Nếu nhiều bộ phận được làm sạch trong một hệ thống làm sạch duy nhất, thì nên điều khiển công suất bằng sóng siêu âm để cho phép điều chỉnh công suất theo yêu cầu cho các nhu cầu làm sạch khác nhau. Phần Tiếp xúc với cả hóa chất tẩy rửa và năng lượng siêu âm là rất quan trọng để làm sạch hiệu quả. Cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng tất cả các khu vực của các bộ phận được làm sạch đều ngập trong dung dịch tẩy rửa. Các giỏ và đồ đạc linh kiện phải được thiết kế để cho phép năng lượng siêu âm xâm nhập và định vị các bộ phận để đảm bảo rằng chúng tiếp xúc với năng lượng siêu âm. Thông thường cần phải gá các bộ phận riêng lẻ theo một hướng cụ thể hoặc xoay chúng trong quá trình làm sạch để làm sạch triệt để các đoạn bên trong và các lỗ mù.

Phần kết luận

Được sử dụng đúng cách, năng lượng siêu âm có thể góp phần đáng kể vào tốc độ và hiệu quả của nhiều quy trình làm sạch và tráng ngâm. Nó đặc biệt có lợi trong việc tăng hiệu quả của các hóa chất tẩy rửa dạng nước được ưa chuộng hiện nay và trên thực tế, nó cần thiết trong nhiều ứng dụng để đạt được mức độ sạch mong muốn. Với sóng siêu âm, các chất hóa học dạng nước thường có thể cho kết quả vượt trội hơn so với kết quả đạt được trước đó khi sử dụng dung môi. Siêu âm không phải là công nghệ của tương lai – nó là công nghệ của ngày nay.