[ Home ]

  В ряде современных бытовых устройств для стирки белья используются воздействие на ткань ультразвука и явление кавитации.

Известно, что звук представляет собой волну давления, распространяющуюся непрерывно в сплошной среде (воздух, газы, твердые тела). В несжимаемой среде, к которой относится и вода, звуковые волны распространяются непрерывно лишь при их малой амплитуде. При увеличении амплитуды, а следовательно отрицательного пи­ка давления, в зоне разрежения происходит сво­его рода разрыв сплошной среды: вследствие ис­парения образуются пузырьки соответствующего пара (в воде — водяного). Подсчитано, что в этой зоне давление достигает 1000 бар, а температу­ра 1000°С. Это явление называется кавитацией, оно и используется для разрушения загрязнений тканей при ультразвуковой стирке изделий.

Ультразвук (УЗ) — это звуковые волны, имею­щие частоту свыше 18 кГц, неслышимые челове­ческим ухом. В технике УЗ-очистки и стирки обычно используют волны с частотой 20... 50 кГц. Применяют два типа источников УЗ-волн: один из них основан на эффекте магнитострикции (сжа­тие и расширение среды в переменном магнит­ном поле), а другой на пьезоэлектрическом эф­фекте (сжатии и расширении среды в перемен­ном электрическом поле).

Магнитострикционные УЗ-излучатели генери­руют волны большей мощности, но в ограничен­ном частотном диапазоне. Пьезоэлектрические УЗ-источники не так мощны, но позволяют до­стичь частот мегагерцевого диапазона.

Для наиболее интенсивной кавитации необ­ходимо, чтобы в воде было мало растворенного воздуха. Эффект кавитации уменьшается от то­го, что из-за растворенного в воде воздуха часть пузырьков сжимается собственным поверхност­ным натяжением. Для эффективной стирки ре­комендуется деаэрировать воду, чтобы снизить концентрацию воздуха в ней до уровня 0,48 ммоль/л.

С точки зрения физики задача стирки ткани сводится к тому, что частицы, находящиеся на ее поверхности загрязнения, должны быть раство­рены (если они растворимы), удалены (если они нерастворимы) или одновременно и растворены, и удалены (нерастворимые частицы в смеси с растворимым носителем). Кавитация способству­ет и растворению, и удалению частиц грязи. Мик­роскопические размеры пузырьков, образовав­шихся в процессе кавитации, позволяют очищать сколь угодно мелкие элементы структуры тканей,

благодаря чему этот способ стирки не может сравниться ни с каким другим.

При взрыве не видимых глазом пузырьков од­новременно с удалением частиц грязи образует­ся озон, который убивает вирусы, болезнетвор­ные бактерии и простейшие микроорганизмы, в частности вегетативную микрофлору (кишечную палочку, золотистый стафилококк и т.д.). Кроме того, маломощные акустические волны исполня­ют при стирке роль катализатора химического процесса: они повышают активность стирального порошка в несколько раз.

Ультразвуковые стирающие устройства (УСУ) разрабатываются в течение нескольких десяти­летий, Немало усилий затрачено на поиск их оп­тимальной конструкции. Основные трудности со­здания кавитационных УСУ и недостатки УЗ-стирки:

О УЗ-колебания неблагоприятно действуют на живые существа;

О кавитационное действие пузырьков не только удаляет загрязнения, но и разрушает ос­новы стираемых тканей и их красителей;

О сложно создать конструкцию равномерно распределенной по всему объему интенсивнос­тью кавитации.

Частично эти проблемы уже решены, и на при­лавках магазинов стали появляться так называе­мые "стиральные машины на ладони" — миниа­тюрные УСУ Solana Biniclean (Болгария), "Колиб­ри" (Зеленоград), "Бионика" (Тольятти), "Ретона" (Томск) и др.

Стирка заключается в помещении этих уст­ройств на дно сосуда емкостью не более 30 л с горячей водой и стиральным порошком. Туда же помещается грязное белье. Приблизительное время стирки при массе белья до 2 кг и объеме воды 20...25 л составляет не менее 40...60 мин. В процессе стирки рекомендуется 2-3 раза пере­мешать белье.

На рис. 1.6.1 показан внешний вид УСУ "Био­ника" и Solana Biniclean.

Рис. 1.6.1. Внешний вид ультразвуковых стирающих устройств "Бионика" (а) и Solana Biniclean (б)

Основные параметры ультразвуковых стираю­щих устройств приведены в табл. 1.6.1.

Таблица 1.6.1. Параметры ультразвуковых стирающих устройств (УСУ)

УСУ, в основе работы которых лежат идеи рос­сийского изобретателя А. Е. Потоцкого, создают кавитацию, вызываемую колебаниями частоты б... 10 кГц или даже более низкой (50...60 Гц). Та­кая частота позволяет устранить недостатки, опи­санные выше. Эта низкочастотная кавитация обеспечивает существенно более щадящий режим стирки, так как для него характерна скорее пульсация микропузырьков, чем их полное схлопывание, как при "настоящей" УЗ кавитации.

На рис. 1.6.2 приведена предложенная Потоцким конструкция пьезокерамического УСУ. Про­странство между корпусом 1 и пьезокерамическим вибрационным элементом 2 заполнено эла­стичным герметиком 3. Частотным источником питания для вибрационного элемента может служить промышленная или бытовая электрическая сеть, подключение к которой производится с помощью вилки 4 со шнуром 5. Подвод тока к ви­брационному элементу происходит через токопровод 6. Имеется также блок гальванической развязки 7 устройства с питающей сетью, снабженный индикатором питания 8, например инди­каторной лампой.

б 1

з 2

Рис. 1.6.2. Конструкция пьезокерамического УСУ.

1 — корпус, 2 — пьезокерамический вибрацион­ный элемент, 3 — герметик, 4 — вилка, 5 — шнур питания, 6 — токопровод, 7 — блок гальва­нической развязки, 8 — индикатор питания

а)

Серийно выпускаемые сегодня УСУ имеют блок генерации тока с заданной рабочей частотой, которая соответствует частоте ультразвука. Возможен также вариант УСУ с электромагнит­ным вибрационным элементом.

Проблемой, возникающей при эксплуатации таких ультразвуковых устройств, является разброс их индивидуальных характеристик. Жалобы потребителей, как правило, связаны с тем, что эффективности двух УСУ одной и той же модели различаются. Эта особенность УСУ связана с тем, что при изготовлении каждого из них не про­изводится индивидуальной подстройки рабочей частоты в резонанс с собственной частотой виб­рационного элемента. При этом трудно достичь максимальной генерации УЗ-колебаний.

Для иллюстрации на рис. 1.6.3 приведен вид спектров колебаний двух однотипных УСУ. В слу­чае (а), когда рабочая частота близка к собствен­ной частоте вибрационного элемента, энергия излучения сконцентрирована на основной несу­щей частоте 1з и лишь в малой степени приходит­ся на кратные частоты fi, fg, 14, fs, и др. Владелец такого УСУ удовлетворен работой своего прибо­ра, В случае (б) рабочая частота УЗ не находится в резонансе с собственной частотой вибрацион­ного элемента и энергия излучения "размазана" по спектру, почти в равной мере приходясь на кратные частоты. Эффективность стирки при экс­плуатации такого УСУ невелика, что вызывает жалобы со стороны владельца прибора. К сожалению, конструкция УСУ не допускает возможно­сти подстройки рабочей частоты в резонанс с собственной частотой вибрационного элемента.­

f2        f3                  f5

б)

f2        f3        f4        f5

Рис. 1.6.3. Спектры излучения УСУ:

а) — рабочая частота близка к собственной ча­стоте вибрационного элемента, б) — рабочая частота УЗ не находится в резонансе с собст­венной частотой вибрационного элемента