Лекция 1:ультразвуковые колебания - экологически безопасный способ повышения эффективности технологических процессов

БЛОК 1

УЗ - упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц. Нижняя граница УЗ частот определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница УЗ частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться только лишь в материальной среде, то есть при условии что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах [1].

Распространение УЗ подчиняется законам, общим для акустических волн любого диапазона частот. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к дисперсии скорости звука [1-4].

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты [1,2]: нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов; изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение; при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация.

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М = v/c<< 1, где М - число Маха, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны [1].

УЗ обладает рядом специфических особенностей, обусловленных его относительно высокой частотой и мощностью, это ударные волны, радиационное давление, акустические течения, кавитация, сонолюминесценция и др.[1].

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.

Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер [1]. В конечном счете, воздействие кавитации на водные растворы сводится к единственному процессу – расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках. Независимо от природы растворенных веществ, звук действует на одно вещество – на воду, что приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул [5, 6-8].

Акустическая кавитация в жидкостях инициирует различные физико-химические явления; сонолюминесценцию; химические эффекты; эрозию твердого тела; диспергирование и эмульгирование [1, 6-8, 9-37].

Выдвигаемые многочисленные гипотезы, объясняющие природу сонолюминесценции, звукохимических реакций позволяют сделать вывод, о том, что природа первичной активации молекул внутри кавитационного пузырька является либо тепловой, либо электрической [6-8]. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла: стоячая УЗ волна в фазе разрежения создаёт в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька. В настоящее время все больше исследователей склоняются к тепловой природе сонолюминесценции [34-37]. Некоторые авторы считают[29-31], что сонолюминесценция это явление, в котором энергия, поступающая в непрерывную среду на макроскопическом уровне, спонтанно фокусируется на молекулярно-атомно-электронных степенях свободы так, чтобы генерировать свет.

На процесс УЗ диспергирования оказывают влияние все основные эффекты, возникающие в мощных УЗ полях: кавитация, акустические течения, радиационное давление, ударные волны [9]. Наибольшее влияние на процесс диспергирования оказывает УЗ кавитация. Под действием звукокапиллярного эффекта и интенсивных микропотоков жидкость проникает в поры и трещины, где при захлопывании квитанционных пузырьков возникает ударная волна, разрушающая материалы [38].

Как показывают результаты исследований [39], при захлопывании пузырька возможно образование мощных микропотоков типа кумулятивных струй. В мощных УЗ полях вихревые движения жидкости создают растягивающие напряжения, способствующие также искривлению поверхности пузырька, образованию углублений, впадин. В конечной стадии захлопывания кавитационного пузырька жидкость проникает в образовавшиеся углубления в виде микроструй и пронизывает пузырек со скоростью от сотен до нескольких тысяч метров в секунду [40]. Ударное действие микроструй приводит к разрушению поверхности твердых тел, находящихся в зоне захлопывания кавитационных пузырьков.

УЗ диспергирование проходит успешно при условии, что напряжение, действующее на частицу при захлопывании кавитационной полости, выше реальной прочности измельчаемых материалов. Таким образом, с помощью УЗ метода можно, за небольшим исключением, достигнуть высокой дисперсности практически любых твердых материалов.

В работе [9] отмечают, что при кратковременной УЗ обработке происходит недостаточное измельчение, а при слишком длительной обработке возникает агрегация тонкодисперсных частиц с образованием крупных конгломератов. На процесс измельчения твёрдых тел в УЗ поле существенное влияние оказывают акустические потоки, под действием которых происходят перемещение частиц, их взаимное трение и соударение. В зависимости от прочностных характеристик и структурных дефектов происходит разрушение частиц и прежде всего острых кромок и неровностей на их поверхности [41].

Результаты экспериментальных исследований показали [42], что процесс УЗ диспергирования происходит в две фазы: первая фаза из-за наличия на поверхности исходных частиц большого количества микродефектов, трение и взаимное соударение увеличивает скорость измельчения; затем наступает вторая фаза, когда частицы принимают округлую форму и процесс измельчения замедляется.

В 30-40-х годах 20-го века под руководством Л.Д. Розенберга были проведены систематические исследования физики воздействия интенсивных УЗ колебаний на вещество [43]. Согласно [48] за рубежом работы, связанные с исследованием особенностей распространения УЗ в веществе, успешно развивают T. Mason [44] и Price [45] (Англия), J. Gallego (Испания), T. Ando (Япония), А.Gedanken (Израиль), L.Crum и K. Suslick (США) [46], W. Lautenborn и U. Neis [47] (Германия), С.Petrie (Франция) и др.

Типовая УЗ установка технологического назначения обычно состоит из следующих блоков, представленных на рис. 1.1 [48, 49].

УЗ генераторы предназначены питания электроакустических преобразователей (ЭАП), в которых ток промышленной частоты (50 Гц) преобразуется в ток УЗ частоты (15-30 кГц).

В качестве электроакустических преобразователей (ЭАП) широкое распространение получили пьезокерамические и магнитострикционные преобразователи (МСП), каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Создаваемые в ЭАП преобразователях механические колебания УЗ частоты по волноводной системе (ВС) передаются в нагрузку, которой является обрабатываемая среда, которая находится в специальном реакторе. Реактор снабжен дополнительными датчиками (термопары, уровнемерами, ph-метрами и др.), которые соединены с блоком контрольно-измерительной системой (КИС). Обычно установка включает в себя вспомогательный блок (ВБ), обеспечивающий необходимые параметры процесса (температура, давление, скорость потока обрабатываемой жидкости и т.д.) в системе. Вся полученная информация о происходящем технологическом процессе, стекается в персональный компьютер (ПК).

Рис. 1.1. Типовая блок-схема УЗ комплекса:

УЗГ – УЗ генератор; ЭАП – электроакустический преобразователь; ВС – волноводная система; ВБ – вспомогательный блок, КИС – контрольно-измерительная система; ПК – компьютер;Þ - направление потока энергии;Û - акустический контакт междуэлементы колебательной системы и нагрузкой; >—< - акустическая развязка в местахсоединения колеблющихся и неподвижных элементов.

Широкому внедрению УЗ в промышленность препятствует отсутствие надежных в эксплуатации и достаточно экономичных УЗ генераторов с современной системой управления [42].

Огромный вклад в разработку электроакустических преобразователей (ЭАП) и волноводно-излучающих систем внёс В.Ф. Казанцев [50].

За рубежом в промышленных установках в качестве ЭАП используют в основном ПКП и мощность установок как правило не превышает 1-2 кВт. К преимуществам ПКП относятся их высокая эффективность (до 80%) и добротность. В настоящее время разработаны новые композиции пьезокерамических материалов на основе системы манганатов-титанатов свинца, обладающих более высоким комплексом электрофизических свойств [51, 52]. К недостаткам ПКП можно отнести низкий уровень пластичности (хрупкостью), трудности охлаждения и старение материала.

Достоинствами МСП являются высокие механические свойства, техническая простота охлаждения, возможность создания преобразователей высокой единичной мощности. Недостатками МСП являются низкий КПД и необходимость принудительного охлаждения. В настоящее время разработаны новые композиции материалов на основе соединений редкоземельных элементов с металлами группы железа, обладающих высоким комплексом электрофизических свойств [53, 54].

Для того чтобы волновод служил каналом для распространения волн одного какого-либо типа, он должен удовлетворять определённым требованиям [58]. Методы расчета волноводных систем достаточно полно отражены в работах Л.Г. Меркулова [55, 56], И.И. Теумина [57, 58], E.A.Neppiras [59, 60], В.Ф. Казанцева [61], Ю.И. Китайгородского [62].

На практике чаще представляют интерес волноводные звенья с изменяющимся вдоль продольной оси поперечным сечением – концентраторы, которые позволяет увеличить интенсивность излучаемых колебаний. Подбирая коэффициент трансформации, можно добиться оптимального согласования нагрузки с преобразователем. В УЗ установках применяют концентраторы различных видов: экспоненциальные, конические, катеноидальные, ампульные и ступенчатые концентраторы [62]. Наиболее часто используются следующие типы волноводов: сонотроды, концентраторы, цилиндрический стержень с присоединённой массой, излучатель трубчатого типа, мембраны [61-63].

Для изготовления волноводных систем часто используется титановый сплав ВТ-9, обладающий весьма низкими акустическими потерями [61].

Для создания современной УЗ установки, обеспечивающей регистрацию акустических параметров и возможность управления этим процессом по заданной программе с использованием компьютера необходимо оснастить ее контрольно-измерительной системой [64, 65].

К настоящему времени в области виброметрии разработано достаточно много методов измерения параметров механических колебаний твёрдых тел [65], которые могут быть применены для измерений в области УЗ частот.

Измерение амплитуды смещения на торце излучателя может быть осуществлено с использованием бесконтактный параметрический виброметр, работающий на принципе преобразования изменения магнитного сопротивления зазора между датчиком и излучающей поверхностью при ее колебаниях в изменение частоты автогенератора и затем тока, фиксируемого индикатором [66].

Определённое место среди бесконтактных методов измерения амплитуд смещения занимают технические решения, основанные на использовании электродинамических датчиков - “накладного” или “проходного” типов [66, 67].

Развитие УЗ технологий, включающие создание новых источников колебаний, конструирование сложных УЗ систем и разработку эффективных методов для введения колебаний в различные среды, является чрезвычайно перспективной областью техники. От их прогресса в значительной степени зависит возможность использования УЗ для решения экологических проблем. Анализ современного уровня знаний в этой области исследований показывает, что они недостаточны для решения задач, различных областей науки и техники (химия, экология, акустика, электроника и автоматизация).

Необходимо разработать блочно-модульные установки комплексной очистки производственных, поверхностных и подземных вод в контейнерном исполнении, обладающие следующими эксплуатационными преимуществами:

· универсальность и надёжность (возможность эффективной очистки загрязнённых вод при значительных колебаниях концентрации вредных примесей и любых значениях водородного показателя без предварительной коррекции).

· пониженное солесодержание очищенной воды, возможность ее использования на технологические и хозяйственные нужды

· компактность аппаратурного оформления, существенное сокращение объемов производственных помещений

· резкое сокращение капитальных затрат на выполнение строительно-монтажных работ и оснащение технологическим оборудованием, контейнер с оборудованием должен легко устанавливаться на специальный фундамент.

· пониженные эксплуатационные затраты за счёт энергосбережения и сокращения потребления химических реактивов

· уменьшение объёмов твёрдых отходов, возможность их утилизации и повышенная экологическая безопасность очистных сооружений в целом

Для успешного внедрения УЗ в комплексы инженерной защиты окружающей среды требуются новые научные исследования и инженерно-технические решения, в том числе:

· анализ механизмов очистки воды и разделения гетерогенных смесей в условиях ультразвукового воздействия с использованием химических реагентов и при наличии сонохимических превращений;

· изучение влияния физических и физико-химических свойств компонентов смесей на кинетику и эффективность их разделения;

· подбор наиболее эффективных реагентов;

· отработка рациональных режимных параметров соноплазменных реакторов;

· разработка отдельных стадий очистки загрязнённых вод, их аппаратурного оформления (включая ультразвуковое оборудование) и методов технологического расчёта;

· решение проблем масштабного перехода и отработка оптимальных технологических решений в укрупнённом масштабе.

Дата добавления: 2014-12-24