Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378

TITLU: Contribuţii ale cercetării ştiinţifice şi tehnologice pentru o dezvoltare durabilă.

UTILIZAREA OSCILAŢIILOR MECANICE ÎN PROCESE TEHNOLOGICE ECOLOGICE

AUTORI: Dr.Ing. Luca Mihai Alexandru

2014

CUPRINS 1 Notiunea de dezvoltare durabila 2 Situatia resurselor minerale ale pamantului si dezvoltarea durabilă 3 Resursele energetice si situatia consumului lor 4 Evaluărea indicatorilor cheie ai dezvoltării durabile în EU din 2009 şi 2011 5 Raportul de monitorizare pentru anul 2011 a Strategiei de dezvoltare durabilă a Uniunii Europene (Extras) 6 Contribuţii la îmbunătăţirea indicatorului de dezvoltare durabilă – Productivitatea resurselor 7 Necesitatea utilizarii de procese tehnologice ecologice pentru o dezvoltare durabila 8 Folosirea undelor elastice in industrie ca varianta energetica economica si ecologica 9 Notiuni generale unde elastice, caracteristicile lor.Fenomene fizice produse de propagarea undelor. Cavitatia.

10 Utilizarea cavitaţiei în procese tehnologice ecologice şi neconvenţionale 11 Spălarea, curăţarea şi degresarea cu ultrasunete 12 Dezaglomerarea şi dispersarea particulelor din suspensii 13 Producerea biogazului 14 Producerea combustibilului de tip bio-diesel 15 Omogenizarea laptelui 16 Tratamentul apei potabile 17 Cristalizarea aliajelor în prezenţa oscilaţiilor mecanice 18 Influenţa oscilaţiilor mecanice asupra procesului de sudare 19 Evaluarea caracteristicilor elastice prin analiza curbelor de rezonanţă ale epruvetelor 20 Influenţa vibraţiilor asupra straturilor rezistente la uzare realizate prin sudare 21 Concluzii privind sudarea de încărcare 22 Influenţa câmpurilor de oscilaţii mecanice asupra transformărilor produse la tratament termic 23 Detensionarea prin vibratii 24 Vibrarea în timpul sudării

Notiunea de dezvoltare durabila

Conceptul de Dezvoltare durabilă desemnează totalitatea formelor și metodelor de dezvoltare socio-economică care se axează în primul rând pe asigurarea unui echilibru între aspectele sociale, tehnico – ştiinţifice, economice, ecologice și elementele capitalului natural.

Dezvoltarea durabilă urmărește satisfacerea nevoile prezentului, fără a compromite posibilitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi.

Inițial, dezvoltarea durabilă s-a dorit a fi o soluție la criza ecologică determinată de intensa exploatare industrială a resurselor și degradarea continuă a mediului. Se căuta în primul rând prezervarea calității mediului înconjurător, dar în prezent conceptul s-a extins asupra calității vieții în complexitatea sa, atât sub aspect economic cât și social.

În 1972, Conferința privind Mediul Ambiant care a avut loc la Stockholm a pus pentru prima dată în mod serios problema deteriorării mediului înconjurător în urma activităților umane care pune în pericol însuși viitorul omenirii.

Conflictului dintre civilizația industrială și mediul ambiant are la origine : - tendința de epuizare a resurselor naturale de energie, de materii prime și de hrană; - consumarea resurselor regenerabile într-un ritm superior capacității lor de regenerare; - deteriorarea fizică și poluarea unor factori vitali de mediu: apa, aerul şi, solul. O societate durabilă este, o societate care își modelează sistemul economic și social astfel

încât resursele naturale globale și sistemele de suport ale vieții să fie menținute. Pentru dezvoltarea durabilă, un rol important îi revine şi cercetării ştiinţifice, care are

menirea de a dezvolta noi tehnologii, mici consumatoare de materii prime şi energie, prin care să fie obţinute bunuri capabile de a fi reciclate.

Situatia resurselor minerale ale pamantului si dezvoltarea durabilă

- naturale regenerabile - vii-biotice, (exemplu: habitatele, plantele, pădurile, peştii şi animalele)au capacitatea de a se reface în condiţiile în care nu sunt exploatate raţional. Odată ce aceste resursel regenerabile sunt exploatate cu o rată care depășește rata lor naturală de refacere, ele se vor diminua și în cele din urmă se vor epuiza.

- care nu sunt vii - abiotice, includ radiaţia solară, mareele, apa, vântul şi solul cultivabil.

Omenirea se bazează în general pe sistemele naturii de a le genera, reînoi şi purifica. Aceste resurse existente în natură necesită şi ele o exploatare raţională, precum şi lucrări şi investiţii efectuate cu scopul creării condiţiilor de regenerare şi prevenire a distrugerii prin poluare. - naturale neregenerabile - Minerale- sunt substanţe naturale solide (mai rar fluide) cu formă proprie cristalizată, alcătuite din unul sau mai multe elemente chimice, care intră în componența rocilor și minereurilor. După conținutul lor, ele se pot împărți în: - minerale metalifere (feroase, neferoase) - minerale nemetalifere - de regulă substanțe neomogene din punct de vedere chimic, fiind în grneral substanțe solide cristalizate în sisteme diferite de cristalizare şi care sunt localizate sub formă de straturi, lentile, filoane, sau cuiburi.

Minereul este un termen folosit în economie şi industrie, care se referă la faptul că prin existenţa unor

minerale într-un zăcământ, din punct de vedere economic acestea sunt rentabile pentru exploatare.

Prognoze privind timpul de epuizare a zăcămintelor metalifere aflate în exploatare A Sporire liniară a producţiei (Meadows) B Sporire exponenţială a producţiei (Meadows) C Sporire limitată la cantitatea rezervelor minerale nou descoperite (IFSP) D Minerale cunoscute în 1972 şi a trendului de creştere a producţiei înregistrat în ultimii 10 ani (Institutul Federal de Ştiinţa Pământului)

Investiţi ide prospectare geologică pentru identificarea unor noi zăcăminte

Resursele pământului

Resurse energetice Resurse materiale Resurse imateriale Umane

Neregenerabile - Cărbune, - Gaze naturale, - Petrol, - Uraniu

Regenerabile - Soare - Vânt - Apă - Biomasă

Minerale Chimice Plante Animale - Know-how , - Capital - Forţa de muncă

Minereuri Durata de exploatare a zăcămintelor - ani

A B C D Cupru 36 21 44 29 Plumb 26 21 22 19 Zinc 23 18 22 14 Staniu 17 15 18 15 Aluminiu 100 31 38 Nichel 150 53 32 Aur 11 9 20 Argint 16 13 16 Platină 130 47 32 Crom 420 95 101 Mangan 97 46 86 Fier 240 93 75 Cobalt 110 60 35 Molibden 79 34 23 Wolfram 40 28 18

Resursele energetice si situatia consumului lor

Resurse energetice. Sursele de energie primară cuprind: - combustibili minerali (cărbune, petrol, gaze naturale, șisturi bituminoase);

- resursele de energie ale apei (căderi de apă, maree, curenți maritimi); - energia nucleară care utilizează uraniul și în perspectivă hidrogenul; - alte surse (lemn, energia geotermică și energia eoliană).

Cărbune 38%

Gaze naturale

20%

Energie atomică

17%

Petrol 7%

Energii regenerabile

18%

Totalul energiei produse în anul 2002 (16.072 Mrd. kWh)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Hidroel.

Biomasă

Eolian

Geotermic

Energia produsă în anul 2002 din resurse regenerabile (2.893 Mrd. kWh)

„Marele motor zgomotos al schimbării este tehnologia. Pentru prima dată o civilizaţie consumă din capitalul naturii, în loc să trăiască din dobânzile pe care le dădea acest capital” (Alvin Toffler – Şocul Viitorului).

Pentru ca civilizaţia să poată continua să progreseze sunt necesare investiţii uriaşe în educaţie, învăţământ şi cercetare, astfel încât vechile tehnologii să fie înlocuite cu altele care necesită un consum mai redus de resurse naturale şi energie, iar produsele realizate să fie reciclabile.

Evaluărea indicatorilor cheie ai dezvoltării durabile în EU din 2009 şi 2011

Raportul de monitorizare pentru anul 2011 a Strategiei de dezvoltare durabilă a Uniunii Europene (Extras)

Dezvoltarea durabilă este un obiectiv fundamental şi amplu al Uniunii Europene, având ca scop îmbunătăţirea continuă a calităţii vieţii şi bunăstării pentru generaţiile prezente şi viitoare, prin crearea unei legături între dezvoltarea economică, protecţia mediului şi justiţia socială. Între 2000 şi 2009, emisiile de gaze cu efect de seră din UE au scăzut considerabil, făcând posibilă îndeplinirea atât a angajamentelor de la Kyoto ale UE15 (referitoare la o reducere de 8% pânăîn 2008 – 2012), cât şi a obiectivului UE27 de reducere a emisiilor cu 20% pânăîn 2020, comparativ cu nivelurile din 1990. Deşi creşterile înregistrate în productivitatea resurselor indică faptul că UE a devenit mai eficientă în privinţa modului în care îşi utilizează resursele, cererea de materiale au continuat să crească. În perioada cuprinsă între 2000 şi 2007, consumul intern de materiale a înregistrat o creştere moderată, în termeni absoluţi şi pe cap de locuitor. Aceasta a fost generată de o creştere relativ redusă a extracţiei interne şi a importurilor, determinată de creşterea cererii de minerale. Consumul de materiale şi de energie electrică, precum şi generarea de deşeuri periculoase sunt încă în creştere. Pe de altăparte, consumul final de energie şi cantitatea de deşeuri neminerale generate în UE s-au redus, iar proporţia deşeurilor reciclate sau compostate a crescut. Între 2000 şi 2009 intensitatea energetică a EU a fost în scădere constantă, în anumiţi ani cu peste 2,5%, ceea ce a dus la o decuplarea consumului de energie de creşterea PIB-ului. Pe ansamblul UE, în perioada 2000 – 2008, ponderea cheltuielilor pentru cercetare şi dezvoltare a rămas destul de stabilă, între 1,8 şi 1,9%. În 2008 şi 2009, cheltuielile pentru cercetare şi dezvoltare au crescut uşor.

Necesitatea utilizarii de procese tehnologice ecologice pentru o dezvoltare durabila

Prin continuarea finanţării şi dezvoltării cercetării ştiinţifice în toate domeniile ştiinţei şi tehnicii sunt create condiţii pentru armonizarea tuturor activităţilor sociale, economice, industriale, de învăţământ şi sănătate.

Notiuni generale. Unde elastice si caracteristicile lor. Diversele medii, solide, lichide sau gazoase, sunt formate din particule (atomi, molecule sau ioni)

care interacționează între ele. De aceea, dacă una dintre particule oscilează (vibrează), atunci particulele din vecinătate vor oscila şi ele. În felul acesta oscilațiile se propagă prin diversele medii de la o particulă la alta sub forma unor unde elastice.

Perturbaţia care produce unda elastică poate fi produsă printr-un şoc, un impuls sau de o forţă care variază în timp. Ceea ce se propagă prin mediul elastic este mişcarea oscilatorie şi nu particulele materiale care efectueazã oscilaţii locale, respectiv unda elasticã transmite în mediul elastic energie şi impuls. Tipuri de unde elastice

unde plane unde sferice Modurile de propagare a undelor sunt definite în funcţie de două direcţii: - direcţia de oscilaţie a particulelor din care este format mediul - direcţia de propagare a undelor elastice.

Unde longitudinale Direcția de propagare a undei coincide cu direcția de oscilație a particulelor mediulu Unde longitudinale se pot propaga în toate tipurile de medii, solid, lichid şi gazos.

Unde transversale Direcția de propagare a undei este perpendiculară pe direcția de oscilație a particulelor mediului şi sunt caracteristice numai mediilor solide.

Necesitatea utilizarii de procese tehnologice ecologice pentru o dezvoltare durabila Contribuţii la îmbunătăţirea indicatorului de dezvoltare durabilă – Productivitatea resurselor

Folosirea undelor elastice in industrie ca varianta energetica economica si ecologica

Propagarea undelor longitudinale

Propagarea undelor transversale în medii solide

Unde de placă (unde Lamb)apar şi se propagă în plăci în locul undelor transversale, atunci când grosimea plăcii este comparabilă cu lungimea de undă.

Unde de suprafaţă (unde Rayleigh)se propagă la suprafaţa mediului elastic fără a pătrunde în profunzimea acestuia.

Propagarea undelor de placă Propagarea undelor de suprafaţă

Caracteristicile undelor elastice

Perioada (T) este timpul necesar unei particule pentru descrierea unei oscilaţii complete, [s]. Frecventa (f=1/T). este numărul de oscilaţii efectuate în unitatea de timp (secunda), [Hz]. Amplitudinea oscilaţei este valoarea absolută a distanţei maxime parcurse de particulă în jurul pozitţiei de

echilibru. Lungimea de undă este distanţa dintre două maxime sau dintre două puncte succesive aflate in aceeaşi

fază de oscilaţie. Viteza de propagare exprimă distanţa parcursă de undă în unitatea de timp [m/s]. Este dependentă de

densitatea ;i elasticitatea mediului. •pentru undele longitudinale în mediu solid :

•pentru undele transversale în mediu solid :

•pentru undele longitudinale în mediu lichid :

în care β reprezintă coeficientul de compresibilitate al lichidului.

Presiunea undei. La trecerea undei prin mediul elastic se produce o creşterea locală de presiune, ∆p=ps, numită presiunea sonoră. Presiune sonoră efectivă este:

Energia undelor elastice. Propagarea undelor mecanice într-un mediu elastic presupune un transfer continuu de energie de la sursă spre mediu. Astfel, propagarea undei va fi însoţită de un transfer de energie în direcţia şi sensul propagării acesteia.

Puterea undei elastice (Pac) este o mărime mecanică care caracterizează energia generată de sursa de oscilaţii. Ea caracterizează intensitatea oscilaţiilor produse de sursă şi nu cea a undei.

Impedanţa acustică a mediului Impedanţa acustică (Z) reprezintă rezistenţa mediului la propagarea undelor elastice şi este influenţată

de proprietăţile fizice ale mediului. Ea este defintă prin raportul dintre presiunea undei şi viteza de oscilaţie a particulelor mediului.

Materialul E [GPa] ρ [kg/m3] vl [ m/s] Z·106 [Ns/m3]

Alamă 80-120 ≈8500 3500 27,6

Oţel 210 7850 5850-5920 ≈45 Fontă 64-170 ≈7200 4000-4900 ≈30 Cauciuc 0,01-0,1 ≈950 ≈150 ≈0,14 Plexiglas 1,5-3,0 1190 2670 3,1 PVC-P 0,003- 1300 80 ≈0,14 PVC-U(dur) 0,01 1400 2250 3,1 Sticlă 50-90 ≈2550 4430-5900 ≈11,5 Alcol etilic - 790 1168 0,9 Apă (20⁰C) - 998,2 1480 1,480 Apă marină - 1020 1500 1,530 Benzol - 880 1326 1,2 Ulei (20/30) - 910 1340 1,2 Aer - 1,204 343 413

Fenomene fizice produse de propagarea undelor

Reflexia undelor

Refracţia undelor Difracţia undelor Cavitaţia

În absenţa undelor elastice sunt înregistrate mărimile peste care în prezenţa undelor se suprapun componentele

În zonele în care la un moment dat se înregistrează o scădere suficient de mare a presiunii şi densităţii, se formează mici cavităţi (bule de cavitaţie). Dacă undele care străbat mediul lichid generează variaţii mari de presiune, atunci apare posibilitatea de creştere a dimensiunilor bulelor până la o valoare critică. Raza critică la care se produce implozia bulelor de cavitaţie este dependentă de

- temperatura şi natura mediului, - de diferenţa de presiune dintre bula de cavitaţie şi lichid, - de tensiunea superficială la limita bulă-lichid, - de frecvenţa oscilaţiilor.

În bula care s-a dezvoltat şi care a depăşit o dimensiune critică, se găsesc predominant vapori ai lichidului. Presiunea din interiorul bulei este extrem de mică, şi suprafaţa de separaţie faţă de mediu, nu mai poate rezista presiunii exterioare şi astfel se produce colapsul, implozia bulei.

Influenţa frecvenţei oscilaţiilor asupra pragului de intensitate a undei la care se produce cavitaţia în apă

Implozia bulelor de cavitaţie provoacă şocuri hidraulice. Energia acestor şocuri se propagă sub forma unor unde de presiune care se manifestă în exterior prin vibraţii puternice şi zgomote caracteristice. Prin filmări cu viteză înaltă şi prin analiza fotogramelor a putut fi evaluată viteza de ejectare şi presiunea exercitată de jetul lichid eliberat în urma imploziei. Presiunea maximă înregistrată este de peste 1000 bar şi temperaturi de cca. 2000 grd.C

Jetul care ia naştere în urma colapsului bulelor de cavitaţie, atinge o viteză de 100 m/s, are un diametru de cca.100 μm şi durează cca. 30ns.

Ultima fază a imploziei unei bule de cavitaţie produsă la 25 kHz în apă degazată

Utilizarea cavitaţiei în procese tehnologice ecologice şi neconvenţionale

- curăţirea, bazată pe fenomenul de cavitatie. Curăţirea cu ultrasunete este mult utilizată datorită calităţii operaţiei efectuate, a timpului scurt de lucru, a diversităţii materialelor care pot fi supuse acestei operatii; - dispersarea, procesul fizic de răspândire a particulelor unei substanţe printre cele ale altei substante; - sedimentarea, bazată pe aglomerarea particulelor fine, solide sau lichide, in zona nodurilor unui câmp stationar produs de propagarea ultrasunetelor; - filtrarea, operaţia de separare a unei substanţe (particule) solide dintr-un lichid; - emulsionarea, bazată pe dispersarea particulelor unui lichid în altul în care este miscibil, sau a unei substanţe solide într-un lichid în care nu se dizolvă; - extractia, operaţia de separare a uneia sau a mai multor substanţe dintr-un amestec; - stimularea unor reacţii chimice (ex. cele de polimerizare); - uscarea, procesul de eliminare a apei dintr-un material; - cristalizarea, bazată pe diferenţa de solubilitate a componentelor unui amestec; - sterilizarea, bazată pe acţiunea distructivă a ultrasunetelor asupra microorganismelor (ex. în industria alimentară); etc.

Spălarea, curăţarea şi degresarea cu ultrasunete Pe diferitele fluxuri tehnologice de fabricaţie este necesară aplicarea unor operaţii de spălare, curăţare

sau degresare a produselor. Astfel de operaţii sunt aplicate înaintea operaţiilor de montaj a diverselor echipamente, a unor lucrări de mentenanţă sau înaintea dezasamblării efectuate cu scopul reparaţiilor.

Rezultatele acestor operaţii sunt influenţate de compoziţia chimică, de temperatura şi de agitaţia mecanică a mediului, precum şi de timpul în care se desfăşoară operaţia respectivă. Componenta chimică a proceselor se referă la tipul de soluţie utilizat: apoasă sau solvenţi organici, fiecare pentru domeniul de utilizare specific. Astfel, spălarea şi curăţarea cu soluţii apoase are un spectru mai larg de aplicare şi un efect mecanic mai pronunţat, cea cu solvenţi organici, ca triclor - sau percloretilenă, este dedicată degresării pieselor.

La suprafaţa pieselor cufundate în lichidul prin care se propagă unde ultrasonice cu energie ridicată, se manifestă fenomenul de cavitaţie.

Surse de oscilaţii ultrasonice

Excitatorul de tip difuzor (mai frecvent utilizat)

• frecvenţa de lucru: 0...40 kHz;

•;

• înălţimea 50...80 mm; • diametrul radiant: 20...75 mm; • puterea: 50...120 W; • radiaţie ultrasonică direcţionată.

• temperatura băii : max.90ºC

Elementul de bază al excitatorului se fixează de obicei prin lipire pe peretele exterior al cuvei instalaţiei. Prin alimentarea cu un curent de frecvenţă înaltă, grosimea elementelor piezoceramice variază în conformitate cu variaţia tensiunii de alimentare. Vibraţiile produse în pereţii cuvei sunt transmise lichidului şi de aici ajung la suprafaţa pieselor supuse curăţirii.

Excitatorul tip baghetă

Datorită emisiei nedirijate a undelor ultraacustice, reflectarea undelor de către pereţii cuvei şi de către suprafeţele pieselor, se produce pe cele mai diferite direcţii. În aceste condiţii este asigurată uniformizarea curăţirii tuturor suprafeţelor pieselor imersate în cuva instalaţiei de curăţare.

•frecvenţa de lucru 20...40 kHz; •temperatura băii max 90ºC; •diametrul 20...75 mm; •lungimea 200...1200 mm; •purerea 500...1200 W; •carcasa oţel inoxidabil

Linie de curăţare în băi cu ultrasunete

Caracteristicile undelor care se propagă prin mediul de lucru şi ajung la suprafaţa obiectelor supuse diferitelor operaţii sunt determinate de: • frecvenţă • amplitudine; • felul semnalului (sinusoidal, în trepte, impuls); • timpul de expunere a obiectului; • geometria obiectului; • distanţa de la sursa de oscilaţii, la obiect; • dispunerea obiectelor faţă de sursa de oscilaţii; • mişcarea obiectelor în mediul lichid.

Caracteristicile mediului prin care se propagă undele: • conţinutul de gaze; • densitatea; • temperatura; • vâscozitatea; • tensiunea superficială; • impedanţa acustică; • coeficientul de absorbţie; • conductibilitatea termică; • presiunea; • gradul de impurificare; • agitaţia mediului.

Caracteristicile obiectelor solide cufundate în mediul lichid:

•rugozitatea suprafeţei; •caracteristicile mecanice (duritate, rezistenţă mecanică, plasticitate); •impedanţa acustică; •coeficientul de absorbţie; •conductibilitatea termică; •geometria; •mişcarea în mediul de lucru.

Influenţa puterii sursei de oscilaţii Pentru curăţarea suprafeţelor oxidate sau care prezintă cruste de materii organice grase impregnate cu diverse pulberi sunt necesare surse de oscilaţie cu putere relativ ridicată. Puterea sursei este exprimară în general, în raport cu volumul bazinului în care se desfăşoară operaţia. Pentru operaţii grele de curăţare este necesară o putere a sursei de oscilaţie de până la 50Watt/litru, în cazul bazinelor mici cu volumul de până la cca. 20 litri. În cazul bazinelor mari, cu un volum util de 2000 litri, efecte similare pot fi obţinute la densităţi de energie mult mai mici, respectiv la cca. 2 watt/litru.

Bazin cu mai multe surse de generare a câmpului de oscilaţii

În situaţia în care energia câmpului de oscilaţii este prea ridicată, poate să se producă o eroziune a suprafeţei piesei, datorată cavitaţiei intense. Deteriorări ale suprafeţelor produse prin cavitaţie pot să se producă în special la piese din aluminiu, cupru, alame şi alte aliaje cu duritate redusă, care sunt plasate în apropierea suprafeţelor surselor de generare a câmpului de oscilaţii. Pentru prevenirea degradării suprafeţelor pieselor se efectuează testul foliei de aluminiu.

Efectele cavitaţiei asupra suprafeţei unei folii de aluminiu

Influenţa frecvenţei oscilaţiilor Dimensiunile bulelor de cavitaţie sunt condiţionate în primul rând de frecvenţa undelor care se propagă prin mediul lichid . La frecvenţe mai mari, bulele de cavitaţie sunt mai mici şi efectul undelor-jet de cavitaţie se manifestă pe distanţe mai reduse, astfel încât presiunea exercitată asupra suprafeţelor solide este mai redusă, datorită atenuării prin dispersie, şi în aceste condiţii riscul degradării suprafeţelor pieselor este mai redus.

Frecvenţa oscilaţiilor are o influenţă şi asupra formei câmpului de unde. Prin utilizarea unor frecvenţe mari rezultă un fascicul concentrat de unde cu intensitate ridicată, fascicul care poate fi direcţionat spre suprafeţele care necesită un tratament mai energic. La frecvenţe mai reduse fasciculul de unde are o deschidere mai mare şi astfel poate fi micşorat numărul traductorilor care generează câmpul de unde.

La alegerea frecvenţei de lucru este necesar să se ţină seama de calitatea suprafeţelor expuse efectelor cavitaţiei, precum şi de geometria pieselor. Piese mari cu geometrie simplă, fără canale înguste şi găuri înfundate cu diametru mic, executate din materiale relativ dure, pot fi procesate la frecvenţe mai reduse (16 – 80 kHz). În aceste condiţii se formează bule de cavitaţie mai mari, care prin implozie formează jeturi de înaltă presiune care se deplasează pe distanţe mai lungi, lovesc cu o energie mare suprafaţa şi astfel operaţiile se desfăşoară mai rapid. Pentru curăţarea sau degresarea suprafeţelor lustruite executate din materiale metalice moi, din materiale plastice sau din fibre textile, sunt utilizate frecvenţe de oscilaţie mai mari (100 kHz – 1 MHz).

Influenţa amplitudinii oscilaţiilor Mărimea amplitudinii oscilaţiilor particulelor din mediul de lucru este determinată în primul rând de puterea şi frecvenţa sursei de oscilaţii. Cu cât puterea sursei este mai mare, cu atât suprafaţa traductorului - sursă de oscilaţii, este mai mare. La o putere constantă, odată cu creşterea frecvenţei scade însă amplitudinea oscilaţiilor, scade diametrul bulelor de cavitaţie, dar creşte numărul acestora.

Operaţia Amplitudine [μm] Spălare, curăţare, degresare 0,5 – 2

Curăţare intensivă, eliminare strat de oxizi 10 - 20 Dispersare, dezaglomerare 10 - 30

Emulsionare, 20 - 60 Fragmentare particule 40 - 120

Amplitudinea oscilaţiilor recomandată pentru diverse operaţii

Pentru urmărirea efectelor pe care le produce cavitaţia la aplicarea diverselor operaţii, este util testul cu folia de aluminiu. Menţinând o folie de aluminiu în mediul de lucru, la o anumită intensitate a undelor, la o anumită distanţă de sursa de oscilaţii şi pe o durată prestabilită, se vor înregistra sau nu deteriorări ale suprafeţei. În funcţie de rezultatele obţinute şi de cele dorite, pot fi luate măsuri de mărire sau micşorare a puterii, respectiv a amplitudinii oscilaţiilor.

Influenţa temperaturii mediului de lucru În cazul utilizării apei pentru operaţiile de spălare şi curăţare, au fost obţinute condiţii optime de cavitaţie, la temperatura de 71⁰C. Pot fi utilizate însă, soluţii apoase cu diverse compoziţii, cu scopul intensificării şi accelerării curăţirii suprafeţelor pieselor. În funcţie de natura impurităţilor aflate pe suprafaţa obiectelor, pot fi utilizate soluţii slab acide sau bazice, sau detergenţi biodegradabili care nu spumează. Efectul chimic al acestor soluţii este maxim la divese temperaturi din intervalul de 60 - 80⁰C, respectiv în jurul temperaturii la care cavitaţia produsă în apă, este şi ea ridicată. Trebuie remarcat faptul că în condiţiile generării de oscilaţii mecanice în soluţiile apoase, poate fi redusă concentraţia substanţelor de adaos iar durata de utilizare a soluţiei este mai ridicată, rezultând astfel o diminuare a cheltuielilor materiale.

1.Instalaţii de spălare, curăţare, degresare

La ora actuală sunt utilizate instalaţii de spălare, curăţare, degresare cu ultrasunete cu diverse capacităti, de la 1 litru la – 5000 litri. Ele sunt folosite atât ca aparatură electrocasnică cât şi în domenii industriale: industria constructoare de maşini, industria chimică, textilă, farmaceutică, in medicină, precum şi în laboratoare de cercetare.

Bateriile de traductori sunt alimentate de un generator de semnal electric de înaltă frecvenţă, care asigură puterea necesară pentru alimentarea întregului ansamblu de traductori. Unele generatoare au posibilitatea de a emite semnale sinusoidale pe două sau trei frecvenţe diferite, iar traductorii alimentaţi cu aceste frecvenţe generează câmpuri de oscilaţii care prin interferenţă produc perturbaţii mult mai mari în mediul de lucru. În aceste condiţii creşte eficienţa operaţiei prin care se efectuează, spălarea, curăţarea sau degresarea.

Panou emiţător de ultrasunete în mediul lichid, montat pe pereţii laterali sau fundul cuveii

Casete mobile radiante a ultrasunetelor în cuva instalaţiei de curăţare

https://www.youtube.com/watch?v=ydrCPtU2atU

https://www.youtube.com/watch?v=ohs2BS1MrLI

https://www.youtube.com/watch?v=5GdTFwmnoDY https://www.youtube.com/watch?v=e5Ec7dCZSto

Dezaglomerarea şi dispersarea particulelor din suspensii Particulele prezente în diverse suspensii sunt supuse unor forţe de atracţie de natură chimică sau

fizică, inclusiv forţelor Van-der-Waals sau a tensiunii superficiale, care favorizează fenomenul de aglomerare. Aceste efecte se manifestă cu atât mai intens, cu cât vâscozitatea suspensiei este mai mare. Pentru reducerea vâscozităţii prin dezaglomerarea şi dispersarea paticulelor din suspensii este necesară înlăturarea, sau cel puţin reducerea forţelor de atracţie dintre particulele existente în mediul lichid.

Prin generarea unor forţe mecanice în suspensii, se realizează fragmentarea aglomerărilor de particule şi astfel este facilitată pătrunderea lichidului în spaţiile dintre fragmentele cu dimensiuni mai reduse, realizându-se un grad de dispersie mai avansat.

Dezaglomerarea şi dispersarea particulelor sub acţiunea undelor

mecanice

Echipament de laborator folosit pentru stabilirea parametrilor tehnologici de: - dezaglomerare, dispersare; - omogenizare şi stabilizare a emulsiilor; - dezintegrarea celulară; - degazare a lichidelor; - aplicaţii în sonochimie.

UIP 4000 (4000W, 20kHz) echipament industrial cu debit continuu utilizat pentru: •omogenizare, 1...3m3/h; •emulsionare, 0,4...2m3/h; •dispersare, 0,02...0,4m3/h; •extragere celule, (ex. alge), 0,1...0,8m3/h; măcinare umedă, 0,01...0,02m3/h.

Producerea biogazului

Biogazul este obţinut prin descompunerea sau gazeificarea reziduurilor organice biodegradabile. Prin procese de fermentaţie anaerobă a materiilor biodegradabile rezultă metan (50...75%), bioxid de carbon (25...50%) şi mici cantităţi de hidrogen şi hidrogen sulfurat, gaze care în urma unor prelucrări efectuate cu scopul eliminării bioxidului de carbon şi purificării, sunt utilizate drept combustibili. În medie, la o staţie de fermentare, dintr-o tonă de amestec de deşeuri se poate obţine cca. 400...600 m3N de biogaz din care 50-70% este metan. Procesul de fermentare presupune parcurgerea a patru faze principale de descompunere a biomasei. Sub acţiunea undelor ultrasonice toate reacţiile sunt accelerate şi astfel timpul de producere a biogazului se reduce la mai puţin de jumătate.

Hidroliza: microorganismele hidrolitice transformă moleculele organice grele în particule mai mici cum sunt zaharidele, acizii graşi, aminoacizii şi apă. Acidogeneza: particulele formate în prima fază sunt destrămate în acizi organici, amoniac, sulfit de hidrogen şi CO2 Acetogeneza: formarea hidrogenului şi a bioxidului de carbon în rezultatul transformării amestecul complex de acizi graşi în acid acetic. Metanogeneza: formarea metanului, bioxidului de carbon şi a apei. Procesul de formare a metanului este accentuat la începutul fermentării şi se încetineşte pe parcurs.

Producerea combustibilului de tip bio-diesel În condiţiile diminuării resurselor de materii prime neregenerabile, biocombustibilii pot oferi pe

termen scurt şi mediu, o alternativă importantă la cei fosili. Dintre combustibilii sintetici, bio-dieselul este un combustibil care poate fi produs direct din uleiuri vegetale, grăsimi animale, seu sau ulei de gătit uzat.

Bio-dieselul poate fi utilizat în orice motor diesel convenţional nemodificat şi prin utilizarea lui se reduce emisia de bioxid de carbon. Bio-dieselul poate fi utilizat ca atare sau în amestec, în orice proporţie cu dieselul fosil, este biodegradabil şi netoxic.

Cea mai des aplicată tehnologie de producere a bio-dieselului este cea de obţinere din uleiuri vegetale sau animale care conţin uleiuri şi grăsimi de calitate. Principala tehnologie pentru producerea bio-dieselului constă în:

- trans-esterificarea; - separarea bio-diesel/glicerină; - spălarea bio-diesel; - uscare bio-diesel; - procesarea glicerinei.

În prezenţa câmpului de oscilaţii mecanice, cantitatea de metanol recuperat creşte cu până la 50% şi se realizează: - creşterea gradului de valorificare a materiilor prime; - scăderea consumului de metanol; - creşte eficienţa catalizatorilor şi scade consumul acestora cu până la 50%; - creşte calitatea glicerinei, obţinută ca subprodus; - creşte productivitatea şi scad costurile de producţie.

Omogenizarea laptelui

Laptele este o emulsie coloidală în care particule de grăsime formează o suspensie într-o masă apoasă în care sunt dizolvate minerale, proteine şi carbohidraţi. La propagarea undelor elastice prin lapte se realizează dispersarea, finisarea şi omogenizarea distribuţiei particulelor de grăsimi.

Influenţa intensităţii oscilaţiilor asupra dimensiunilor particulelor grase din iaurt

Tratamentul apei potabile Metodele convenţionale de tratare a apei sunt : sitarea, sedimentarea, coagularea, filtrarea, iar în final

dezinfecţia. Pentru micro-filtrare sunt utilizate cartuşe filtrante care cuprind mai multe membrane poroase (0,1 – 1

μm). Acestea reţin particule solide şi bacterii care au o mărime mai mare, sau de acest ordin. Pe parcursul exploatării, pe suprafaţa acestor membrane se aglomerează impurităţile reţinute şi se formează straturi compacte care împiedică curgerea apei. Astfel, devine necesară schimbarea periodică a ansamblului de membrane filtrante.

Sporirea timpului de utilizare între două curăţiri a cartuşelor filtrante poate fi realizată prin generarea de unde elastice în apa supusă filtrării. De asemenea, în prezenţa undelor elastice, scad mult consumurile de substanţe chimice folosite pe întreg fluxul tehnologic de producere a apei potabile. Astfel, rezultă o reducere a cheltuielilor cu substanţele chimice ajutătoare, iar în final se obţine o apă potabilă de calitate superioară, cu reziduuri chimice mai puţine.

Dezinfecţia se realizează prin clorizare, ozonizare, cu lumină ultravioletă şi cu ultrasunete. Ultrasunetele de înaltă frecvenţă şi intensitate pot ucide microorganismele care eventual au scăpat în cursul efectuării celorlalte faze de purificare a apei potabile.

Instalaţiile de dezinfectate de acest fel au în componenţa lor o serie de lămpi care radiază lumină în spectrul ultraviolet. Aceste lămpi sunt plasate în interiorul unor tuburi de protecţie din cuaţ care permit penetrarea spre exterior a radiaţiei ultaviolete.

În spaţiul dintre tuburile exterioare este introdusă apa destinată dezinfectării, apă în care sunt generate unde ultrasonice. Prin efectele cavitaţiei, ultimii germeni patogeni viabili sunt dezintegraţi. În aceste condiţii întreg volumul de apă existent în instalaţie este străbătut de unde ultrasonore şi de rariaţii UV, efectul de dezinfecţie fiind maxim.

Astfel, este diminuat, iar în unele cazuri chiar eliminat consumul de clor, lucru care conduce la creşterea calităţii apei.

Cristalizarea aliajelor în prezenţa oscilaţiilor mecanice Formarea grăunţilor cristalini în timpul procesului de

solidificare este rezultatul a două procese: - formarea în topitură a unor germeni de cristalizare; - dezvoltarea (creşterea) germenilor formaţi. Ambele procese sunt puternic influenţate prin

generarea unor oscilaţii mecanice în topitura aflată în curs de cristalizare.

Curbe de răcire ale aliajului AlSi7Mg,

Prin vibrarea topiturii metalice pe toată durata cristalizării se înregistrează: - creşterea numărului de germeni de cristalizare; - fragmentarea dendritelor în curs de dezvoltare; - reducerea volumului incluziunilor de gaze; - finisarea şi omogenizarea granulaţiei ; - reducerea tensiunilor interne reziduale ; - creşterea caracteristicilor mecanice (Rm, Rc, A, KV)

Influenţa oscilaţiilor mecanice asupra procesului de sudare

Pr US [V]

IS [A]

vs [cm/min

]

vas [m/min]

El [kJ/cm]

Q [l/min]

f [Hz]

Uex [V]

az [m/s2]

ax [m/s2]

A 17,6 175 28 5,2 5,6 13,5 - - - - B 17,0 200 28 5,2 6,2 13,5 - - - - C 17,3 172 28 5,2 5,4 13,5 40 5 0,8 2,9 D 17,4 174 28 5,2 5,5 13,5 40 10 1,2 4,9 F 17,6 204 28 5,2 6,5 13,5 40 20 2,2 7,3 G 17,8 207 28 5,2 6,7 13,5 80 20 0,4 2,7 H 15,4 185 15 4,5 9,7 15,5 - - - - I 15,8 186 15 4,5 10 15,5 750 10 10,4 2,9 J 15,4 185 15 4,5 9,7 15,5 750 15 13,6 4,3 K 15,8 178 15 4,5 9,6 15,5 750 20 5,2 7,1

Procedeu de sudare – MIG •echipament Digi Plus SAF-PRO 320 •material de bază - C45 (sudabilitate strict condiţionată); •material adaos - SG2; •gaz protecţie - CORGON 18; •epruvete - 160x50x8mm.

Epruvetele A şi H – fără preîncălzire Epruveta B – cu pre-şi postîncălzire •Tpre = 300 ⁰C; •Tpost = 600 ⁰C; •tmenţ = 20 min.; •vrăc = 50 ⁰C/h. Epruvetele C,D,F,G,I,J,K – vibrate cu diferiţi parametri

A B C D F G H I J K

7,32

7,62 7,66 7,71 7,68 7,72 7,74 7,8 7,82

7,76

Densitate g/cm3

Aspectul sudurilor Macrostrucra – penetraţie maximă epr. J Variaţia densităţii – maximă la regimul J (reducere maximă a porozităţii)

Evaluarea caracteristicilor elastice prin analiza curbelor de rezonanţă ale epruvetelor

Schema sistemului de măsurare mărimilor necesare determinării modulului de elasticitate dinamic şi al decrementului logaritmic, prin analiza curbelor de rezonanţă Montaj pentru determinarea decrementului logaritmic şi

a modulului de elasticitate longitudinal dinamic

Epruveta A B C D F G H I J K

Sudare Arc scurt Regim intermediar f [Hz] - - 40 40 40 80 - 750 750 750

az [m/s2] - - 0,8 1.2 2,2 0,4 - 10,4 13,6 5,2 ax [m/s2] - - 2,9 4,9 7,3 2,7 - 2,9 4,3 7,1

Ed*103 [N/mm2] 208,1 210,1 212,2 212,8 212,6 212,9 211,2 213,1 214,4 213,3

δ x10-2 6,41 4,13 5,53 4,75 5,11 6,24 7,72 6,18 4,21 7,02

Influenţa vibraţiilor asupra straturilor rezistente la uzare realizate prin sudare

Sudare WIG •material de bază - 42CrMo4 •material de adaos - VTCr25W4TiLa, d=3mm •preîncălzire - 250ºC •postîncălzire - 600ºC / 20 minute •frecvenţa vibraţiilor - 50Hz •acceleraţie - ax=60m/s2 , az=42m/s2 •presiunea undei

•intensitatea undei

•energia undei

Tratament termic după sudare •călire în ulei de la 840ºC •revenire la 200ºC (scule tăiere la rece)şi 600ºC (matriţe de forjare)

Microstructura stratului rezistent la uzare (atac nital 5%+Muracami)

Interpătrunderea în zona de tranziţie(atac nital 6%)

Microstructura zonei de tranzitie (atac nital 5%+Muracami)

Microstructura MB in ZIT, după sudare (nital 5% A – fara vibratii (300-325µHV2N);

Microstructura MB in ZIT, după sudare (nital 5% B – cu vibratii (280-305µHV2N)

Concluzii privind sudarea de încărcare

•Sudarea în prezenţa unui câmp de oscilaţii mecanice determină formarea unei microstructuri cu granulaţie mai fină şi uniformă. •In ZT se remarcă o interpătrundere mecanică şi o difuzie mai avansată. •În stratul rezistent la uzare granulaţia este mai fină şi dispersia carburilor de wolfram este mai mare. •În ZIT rezultă o structură Widmannstatten mai redusă. •Prin aplicarea stratului dur pe un suport din oţelul de îmbunătăţire 42CrMo4 preîncălzit şi prin efectuarea unei căliri urmate de o revenire la 200⁰C, pot fi realizate scule bimetal pentru deformare la rece care au o suprafaţă cu duritatea de 600-640μHV2N şi un miez cu R0,2≈970N/mm2

, Rm≈1950N/mm2, A≈7,5%, KV≈35J/cm2. •Dacă revenirea se realizează la 600⁰C, pot fi obţinute scule bimetal pentru scule de deformare la cald solicitate dinamic care au o suprafaţă cu duritatea de 510-540μHV2N şi un miez cu R0,2≈970N/mm2, Rm≈1150N/mm2, A≈14%, KV≈80J/cm2 .

Sudarea prin frictiune liniară https://www.youtube.com/watch?v=XfLI72Mi0Bs Sudarea lemnului https://www.youtube.com/watch?v=X0k04hjdYuQ http://www.directindustry.com/prod/fischer-kunststoff-schweisstechnik/friction-welding-machines-wood-52910-485660.html Sudarea cu ultrasunete https://www.youtube.com/watch?v=KTe8FBNAREA https://www.youtube.com/watch?v=nEWKmBhsX8I https://www.youtube.com/watch?v=wbAFxhesLkk

INFLUENŢA CÂMPURILOR DE OSCILAŢII MECANICE ASUPRA TRANSFORMĂRILOR PRODUSE LA TRATAMENT TERMIC

Influenţe asupra călibilităţii Călibiltatea = proprietatea unui oţel de a se căli în profunzime; se determină prin adâncimea de pătrundere a călirii (grosimea stratului călit). Metoda călirii frontale - Jomini.

•creşte călibilitatea; •creşte duritarea suprafeţei frontale; •creşte duritatea şi în profunzime.

•creşte călibilitatea; •creşte duritarea suprafeţei frontale; •creşte duritatea în profunzime la frecvenţe mici •scade duritatea în profunzime la frecvenţe mari prin relaxarea tensiunilor interne.

Baie de revenire vibrată cu o bară de rezonanţă Capătul barei cufundat în baia caldă oscilează sinusoidal (f=50Hz, U=220V) cu amplitudinea A max = ± 2,4 mm. În condiţiile: U=118V, I=68mA, P=8W amplitudinea de oscilaţie este A=±1,7mm şi din baie nu sunt împrăştiaţi stropi

Influenţe la revenirea oţelurilor

Călire RUL 1 •Tînc1=550˚C •tmenţ1la 550˚C=10min •T înc2=T încfinal=850˚C •tmenţ2la 850˚C=10min •duritate = 63- 64 HRC •Revenire •Trev=190ºC±5ºC

Sub acţiunea câmpului de oscilaţii mecanice transformările care se produc la revenire sunt accelerate, reducându-se durata tratamentului.

La oţelurile care prezintă după călire austenită reziduală, sub acţiunea vibraţiilor conţinutul acestui constituent se reduce substanţial.

Detensionarea prin vibratii Vibratory stress relief (VSR) este o metodă de detensionare utilizată în industria de prelucrare a metalelor pentru a spori stabilitatea dimensională, integritatea mecanică a pieselor turnate , forjate , asamblate prin sudare . Procedeul este aplicabil componentelor de precizie , care au toleranţe dimensionale şi geometrice mici, pieselor care sunt proiectate şi construite pentru a suporta sarcini mari. Piesa este supusă vibraţiilor la o frecvenţă joasă, de rezonanţă şi amplitudine mare , pentru o anumită perioadă de timp raportatăla greutatea piesei , eliminand astfel , o mare parte a tensiunilor interne . Unul dintre cele mai importante beneficii ale utilizării metodei VSR este posibilitatea aplicării in orice fază de fabricaţie , chiar şi în timpul sudării .

Vibrarea în timpul sudării Vibrarea construcţiilor în timpul sudării este cel mai avantajos mod de prevenire a formării unor tensiuni periculoase. Datorită vibrării în timpul sudării se constată o reducere a durităţii materialului în ZITM, unde de regulă se înregistrează cele mai mari tensiuni remanente. Prin vibrare după sudare se reduc substanţial deformaţiile. Relaxarea, redistribuirea şi scăderea tensiunilor în timpul sudării în câmp vibrator este datorată creşterii mobilităţii dislocaţiilor , precum şi prin accelerarea proceselor de difuzie.

Construcţii sudate https://www.youtube.com/watch?v=44L16eNqG00 https://www.youtube.com/watch?v=vXj91DTM2l0 https://www.youtube.com/watch?v=tCoVnNUgeiw Sudarea pieselor din fontă https://www.youtube.com/watch?v=hzbJLrK8eO4

Vă mulţumesc şi vă doresc o zi bună !