ОТЧЕТ О ПРОВЕРКЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТИРАЛЬНОЙ МАШИНЫ "SOLANA BINICLEAN"
Цель работы - проверка физических основ работоспособности образца портативной ультразвуковой стиральной машины "SOLANA BINICLEAN" в дальнейшем, просто УСТРОЙСТВО.
Как утверждается в Инструкции по эксплуатации и рекламной информации, УСТРОЙСТВО создает в акустическом (звуковом) и ультразвуковом диапазонах частот кавитацию моющего раствора с бельем в резервуаре объемом до 25 л. При кавитации в моющем растворе образуется большое количество микроскопических пузырьков, которые взрываясь высвобождают озон, убивающий болезнетворные бактерии.
Сообщается, что УСТРОЙСТВО запатентовано в РФ, патент N0 2047676.
Изучению подверглись 2 серийных образца УСТРОЙСТВА, не имеющие заводского номера и маркировки страны-изготовителя.
Упомянутое УСТРОЙСТВО состоит из двухполупериодного выпрямителя, включаемого через ФИЛЬТР непосредственно в сеть, задающего генератора сигнала и заключенного в упругую диэлектрическую герметическую оболочку дискового пьезоэлектрического (пьезокерамического) излучателя. Выпрямитель и задающий генератор размещены в блоке питания УСТРОЙСТВА.
Блокинг-генератор вырабатывает электрический сигнал с частотами основных гармоник 7.8 кГц и 13.25 кГц, который после усиления по напряжению в трансформаторе подается на пьезо-электрический излучатель, вызывая колебания его торцевых поверхностей с частотой этого электрического сигнала.
По сути, УСТРОЙСТВО представляет собой широко известную в гидроакустике конструкцию дискового пьезоэлектрического гидрофона-излучателя, излучающего основную мощность звуковых колебаний на частоте вблизи низшей из двух (7.8 кГц и 13.25 кГц) своих резонансных частот.
1. ПРОВЕРКА УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ РЕЖИМА КАВИТАЦИИ
Проверка создаваемой излучателем величины интенсивности акустических колебаний, необходимой для возникновения режима кавитации в моющем растворе произведена двумя независимыми способами, использующими в качестве исходных данных только технические характеристики из Инструкции по эксплуатации УСТРОЙСТВА (п.1.1.) и только результаты измерений (п.1.2.).
1.1. ПРОВЕРКА ИНТЕНСИВНОСТИ КОЛЕБАНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ДАННЫМ ФИРМЫ - ИЗГОТОВИТЕЛЯ (РАЗРАБОТЧИКА)
Из п.2. Инструкции по эксплуатации следует, что УСТРОЙСТВО потребляет от источника питания полную электрическую мощность Рполн=10 Вт и работает в режиме кавитации моющего раствора.
Рассчитаем интенсивность акустических колебаний на поверхности излучателя. Суммарная площадь 2-х торцевых поверхностей излучателя составляет:
S= 2*п*r2 ;S=2*3.14*1.4*1.4=12 см2.
Мощность Рн, отдаваемая в нагрузку (излучатель) всегда меньше Рполн на величину КПД К1 электронной схемы. Пусть К1=0.9. Тогда Рн=0.9*Рполн=9 Вт. Из научно-технической литературы [1] (стр.285) известно, что максимально возможный КПД пьезоэлектрического излучателя, К2=70%.
С учетом взятых максимально возможных параметров Рполн, К1 и К2, интенсивность I акустических колебаний на поверхности излучателя не превысит
I =K2*Рн/S; I = 0.7*9/12 = 0.53 Вт/см2.
1.2. ПРОВЕРКА ИНТЕНСИВНОСТИ КОЛЕБАНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ
Фактическое измерение величин напряжения ~U на излучателе исследуемого УСТРОЙСТВА и тока ~I через него дало следующий результат: ~U=330 В; ~I=0.015 А. Тогда Рн=~U*~I; Рн=5 Вт. Рассчитаем интенсивность I:
I = 0.7*5/12; I = 0.25 Вт/см2.
Как и ожидалось, фактическая интенсивность излучателя I=0.25 Вт/см2 оказалась существенно меньше рассчитанной максимально возможной интенсивности I=0.53 Вт/см2.
2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕРОК
КАВИТАЦИЯ возникает, когда под действием чередующихся фаз разрежения и роста давления в жидкости от источника колебаний, давление в жидкости в фазе разрежения становится ниже порога прочности самой жидкости. При этом в жидкости образуются пульсирующие пузырьки, заполненные паром или газом, растворенным в этой жидкости (смотри [1], стр.156-161), а не озоном, как ошибочно указано в Инструкции по эксплуатации.
Из [1] (стр.245) известно, что при ультразвуковой очистке в жидкости используется интервал интенсивностей ультразвука 0.5-10 Вт/см2. В [1] (стр.364-365) и [2] (стр.61) отмечается, что кавитация возникает при интенсивности колебаний 2-3 Вт/см2, ненамного превосходящей кавитационный порог. В силу того, что акустические колебания экспоненциально, как r-1/2 затухают при удалении на радиус r от излучателя, а также учитывая малую интенсивность колебаний излучателя, предкавитационная амплитуда акустических колебаний давления в моющем растворе может существовать только в непосредственной близости от поверхности излучателя УСТРОЙСТВА, весьма быстро уменьшаясь при удалении от нее.
3. ПРОВЕРКА ПАТЕНТНОЙ ЧИСТОТЫ ФОРМУЛЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Патентное исследование формулы изобретения, патент РФ N0 2047676, МКИ: D 06 f 7/04 на "УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТИРКИ" показало, что существенными признаками новизны изобретения является то, что "по меньшей мере один из торцов корпуса выполнен открытым, а пространство между вибрационным элементам и корпусом заполнено эластичным герметикой". Кроме того, "устройство отличается тем, что вибрационный элемент выполнен в виде пьезокерамической пластины".
Как уже отмечалось выше, пьезокерамические гидрофоны-излучатели дискового типа, к которому принадлежит исследуемое УСТРОЙСТВО, широко используются в гидроакустике уже в течение нескольких десятков лет, в том числе с отличительными признаками из формулы изобретения (см.[1] стр.85-86, 282-285, 288-289).
4. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Интенсивность акустических колебаний на поверхности излучателя УСТРОЙСТВА недостаточна для образования кавитации в моющем растворе, обеспечивая только режим колебаний существенно ниже порога кавитации.
Кавитационный режим колебаний не может быть создан одновременно во всем объеме резервуара с моющим раствором из-за малой интенсивности колебаний излучателя и быстрого затухания акустических колебаний с удалением от него.
УСТРОЙСТВО создает основную мощность звуковых колебаний на частоте около 8 кГц, а не в ультразвуковом диапазоне.
Отличительная часть патентной формулы изобретения включает известные признаки, что снижает возможность патентной зашиты изобретения.
По-нашему мнению, субъективность оценки степени загрязненности белья и качества стирки традиционным способом и с использованием УСТРОЙСТВА, а также влияния на качество стирки количества и качества стирального порошка, температуры моющего раствора, времени замачивания и других факторов создает трудности, препятствующие достоверной оценке эффективности работы УСТРОЙСТВА. Увеличение интенсивности колебаний излучателя по меньшей мере до 2-3 Вт/см2 и некоторые другие усовершенствования позволят выделить кавитационный фактор из ряда факторов, влияющих на результат стирки.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
[1]. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред.И.П.Голяминой. М., Изд-во "Советская энциклопедия", 1979 г.
[2]. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. Г.А.Кардашев. М., Изд-во "Химия", 1990 г.
Дата: 20.06.1997 г.
