超临界流体超声装置设计.docVIP

第三章　超声波试验装置的设计研究 3.1 试验装置的设计 3.1.1 超声波萃取釜的设计 超声超临界萃取技术发展和应用一个关键技术是超声超临界萃取器研制，设计超声超临界萃取器必须根据体系类型和体系介质来确定所需的频率和强度，选择适当的超声换能器以及反应器。本课题参考国内外超声探头的结构和高压超临界萃取器，并结合课题的操作条件及操作介质，委托华南理工大学化学化工学院设计了带超声波的超临界萃取器，如图(3-1)所示。　　　　　　　　 本课题是以固态除虫菊花为原料，以超临界CO2为萃取溶剂，最高操作压力达到20MPa，在满足安全操作条件下，为了节省设备投资费用及操作方便，萃取釜的设计压力为30MPa，封盖采用快开的结构型式。因课题需研究不同功率对实验的影响，所以设计了100W到350W不等的四个功率段，频率固定为20kHz。萃取釜含有双层水夹套，通过恒温水浴控制温度。为了使超临界CO2进入萃取釜时分布均匀，在料筒的底层垫有两层交错放置的带孔铁板。电源线通过一高压管道引入到萃取釜内，管道内浇注高强度树脂实现高压密封及电绝缘。 图3-1超声超临界流体萃取装置图 Fig.3-1 Schematic diagram of the ultrasonic supercritical fluid extraction apparatus 1-wiring end 2-hand handle 3-high pressure cover 4-plug 5-lead wire 6-ultrasonic horn 7-material tube 8-extraction vessel3.1.2 超声波换能器的设计 超声超临界萃取器的研制最重要的是超声波换能器的设计，只有设计合理的换能器才能使设备操作方便，安全可靠，有足够的超声强度。超声换能器就是实现机械能量或电磁能量与超声振动能量相互转换的器件，主要有机械型与机电型两种超声发生器。由于机电型超声发生器便于控制与使用，因此本课题采用基于压电效应的机电型超声换能器。 压电效应的产生是由于晶体内部的离子在外力作用下产生不对称位移，即产生新的电偶极距，从而导致晶体表面呈现电荷。而反压电效应则是由于在外电场作用下，晶体内部的离子产生相对位移，从而产生内应力，导致晶体宏观变形。 描述压电晶体有如下几个重要的参数： 1) 压电系数d与g。当压电换能器作为超声源发射超声波时，我们关心的是在单位电场作用下厚度形变的大小，此时有： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3-1) 式(3-1)中E为外加电场强度(Vm-1)，S为厚度方向应变(即相对形变，无量纲)，所以d的量纲为mV-1。d值越大，发射超声越强，故亦称d为压电发射常数。 2) 机电耦合系数K。机电耦合系数K是表征压电材料的机械能与电能相互耦合程度的一个常数。定义为： (3-2) K2只表明在输入的总电能中有多少转变为机械能，未转变的部分并不意味着损耗掉，因此K2不同于一般意义下的换能效率。例如，压电石英的换能效率高(即换能时的能量损耗小)，但其K2值低；而压电陶瓷的换能效率低，但其K2值高。 3) 谐振频率与频率常数。对于超声换能器，只有当其压电晶片的固有振动频率与外交变电场(或声压)的频率一致、发生谐振时，它才能最有效地发射或接收超声波。对于厚度为t的压电晶片，其固有振动频率f应满足： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3-3) 式(3-3)中λ为声波波长，c为声速。通常把晶片的固有振动频率与其对应的厚度乘积ft定义为频率常数N： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (3-4) 式(3-4)中f取MHz，t取mm。频率常数N是压电材料的一个常数。为了产生一定频率的超声波，N值越大，晶片厚度t亦应越大。 4) 居里点。居里点定义为压电材料的压电性能可承受的最高环境温度值。当温度高于居里点时，压电性能即行消失。因此居里点越高越好。 压电效应的主要参数，除了压电系数、机电耦合系数、谐振频率与频率常数等压电材料常数外，还有表征压电材料的参数如介质损耗、品质因素等。压电材料的性能好坏是研制超声换能器成功与否的关键之一，而良好性能的压电材料需具