СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД
METHOD OF ULTRASOUND CAVITATION TREATMENT OF FLUID MEDIA

Изобретение относится к области кавитационной обработки жидких сред а также сред, где удельное содержание воды или иной жидкой фазы превышает 65-70% от общей массы.
Известно, что акустическая ультразвуковая кавитация может эффективно применяться для различных областей хозяйства, где реализуются следующие технологические процессы /1-6/:
- диспергирование;
- гомогенизация и эмульгирование;
- смешивание;
- дезинтеграция;
- деагломерация.
На практике это охватывает процессы получения многокомпонентных сред (эмульсий, суспензий, водных растворов и систем), ультразвуковой стерилизации(обеззараживание) воды, молока, других жидких продуктов и т.д.
Способ обработки жидких сред, который реализован в схеме ультразвукового реактора может быть принят за прототип /1/. Он заключается в том, что ультразвуковую волну в объеме жидкости создают с помощью стержневого излучателя, на торце которого расположен источник колебаний, как правило, пьезоэлекрический излучатель. Существует много вариантов расчетов формы стержневого излучателя и возможности крепления на его торце нескольких пьезоизлучателей, но все они направлены на увеличение амплитуды колебаний стержня на нижнем торце и на боковых стенках /8/. Это связано с тем, что зона развитой кавитации на практике измеряется размерами в несколько сантиметров от поверхности колебаний. Поэтому донная часть стержня считается самой эффективной зоной, так как между плоским торцом излучателя и плоским дном формируется стоячая волна в обрабатываемой жидкости. При этом отмечается, что диаметр торца трудно сделать в размерах больше 50-70 мм. Излучение с цилиндрической поверхности стержня имеет существенно меньшую амплитуду колебаний и цилиндрическую расходимость. С учетом отраженных акустических волн от стенок внешнего цилиндра-стакана можно оценить, что оптимального режима стабильной стоячей плоской когерентной ультразвуковой волны в обрабатываемой жидкой среде, по аналогии с незначительной областью между торцом излучателя и дном цилиндра-стакана, получить практически невозможно. Сложная картина проходящих и отраженных ультразвуковых волн в среде, отсутствие когерентности волны и концентрации энергии на одной частоте приводит к тому, что получить эмульсии с размером дисперсной фазы менее ~1,0 мкм практически невозможно, уровень гомогенности не превышает 20% на основной моде. При этом объем обрабатываемой жидкости ограничен.
Другой, альтернативный, способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред реализован в роторно-пульсационных гомогенизаторах /2/.
В камере озвучивания, за счет периодически возникающих знакопеременных движений жидкости из вращающейся системы статор-ротор, возникает ультразвуковая волна с кавитационными эффектами. Это промежуточный вариант между акустической и гидродинамической кавитацией. Такие гомогенизаторы получили в настоящее время наибольшее распространение. Они достаточно просты, позволяют обрабатывать большие объемы жидкости существенно дешевле, чем ультразвуковые аналоги. Хорошие скоростные гомогенизаторы позволяют делать эмульсии с размером дисперсной фазы ~1,5 мкм на основной моде, уровень гомогенности не превышает 12-15%. Тем не менее и этот способ имеет ряд принципиальных ограничений.
Это связано с низким кпд электромеханических систем (до 10%),
2
Что ограничивает мощность ультразвуковой волны до 1,5-2 Вт/см, не позволяет работать с вязкими средами, с обработкой статических объемов жидкости (в объеме статор-ротор) и целый ряд других принципиальных ограничений.
Наиболее близким по сути является способ получения эмульсионного косметического средства по патенту №2427362 (заявка №2010137176 от 08.09.2010 г, положительное решение РОСПАТЕНТа от 22.03.2011 г. №2010137176/15 (052870)). Увеличение амплитуды колебаний акустической волны в обрабатываемой жидкой среде осуществляется за счет резонансных синфазных колебаний каждой из больших сторон системы - канала прямоугольного сечения - и дополнительной суперпозиции волн внутри канала, при этом внутреннее расстояние равно малой стороне канала и кратно четверти длины акустической волны в обрабатываемой среде. Это позволяет на резонансной частоте колебаний большой стенки канала сосредоточить максимум энергии и получить внутри канала стоячую акустическую волну высокой интенсивности.
Проведенные в компании "DERMANIKA" исследования показали что, основная мода дисперсности при таком режиме обработки может составлять ~500 нанометров и менее, эмульсия практически не содержит дисперсную фазу размером более 1000 нанометров (1 мкм), эмульсия содержит в 2-3 раза меньше эмульгатора, чем обычно. При этом роторно-пульсационные гомогенизаторы позволяют получить эмульсии, где размер дисперсной фазы только начинается с 1000 нанометров (1 мкм) при большем количестве эмульгатора /2/.
Часть исследований докладывалась на XIV Международной конференции - Научно-Практической Конференции "Косметические средства и сырье: безопасность и эффективность" в октябре 2009 года, где отмечены вторым местом и дипломом, имеются публикации в специализированных журналах /6/.
Однако данная технология имеет ряд ограничений на использование. Например, если использовать ее для обработки объектов, помещаемых в жидкую среду, где возбуждаются акустические волны. На практике ширина зазора между стенками канала, если требуется получить высокую интенсивность, не должна превышать половины длины волны. Если средой является вода, то это соответствует расстоянию ~3,4 см для частоты 22 кГц. Кроме этого неоднократно отмечалось, что кавитационные эффекты существенно возрастают, если жидкость обрабатывать на двух разных частотах.
В работе /7, стр.60/ указывается, что "при одновременном воздействии ультразвуковых волн двух различных частот (22-44 кГц) наблюдается значительное повышение эффективности кавитации, гораздо большее, чем при линейном суммировании действия каждого из полей различных частот".
Целью изобретения является повышение эффективности кавитационного воздействия на обрабатываемую жидкую среду при одновременном ограничении мощности ультразвуковых излучателей
Данная цель достигается тем, что режим акустической кавитации формируется одновременно на двух или нескольких разных частотах, при этом механическая колебательная система - канал прямоугольного сечения, по которой протекает обрабатываемая жидкая среда, выполнена в виде последовательно расположенных мембран, имеющих разные частоты основной гармоники колебаний, генерирование звуковых колебаний с образованием стоячей волны осуществляется синфазно на противоположных сторонах канала, которые в свою очередь формируют в зазоре между стенками канала квазиплоские стоячие волны, соответствующие частотам колебаний мембран, при этом ширина зазора канала h выбирается кратной четверти длины волны, возбуждаемой в данной обрабатываемой жидкой среде для используемых частот:
h=(k/4)·(C/fi), k=1, 2, 3, …
где fi - частоты основных гармоник стоячей волны мембран канала, Гц;
С - скорость звука в жидкой среде, м/с;
h - расстояние между стенками канала, м;
причем амплитуда колебаний стенки канала подбирается оптимальной для различных этапов обработки жидкой среды и превышает порог акустической кавитации.
В основе предлагаемого способа используется принцип одновременной обработки жидкой среды разными частотами при ее протекании по каналу прямоугольного сечения.
На Фиг.1 представлен вариант реализации данного способа. Прямоугольный канал выполнен в виде двух последовательных мембран размерами 400·130 мм и 90·130 мм соответственно. Толщина между стенками канала (мембранами) составляет ~17 мм. В месте соединения мембран в канале предусмотрена прямоугольная жесткая вставка из металла толщиной 2-3 мм для выполнения сварочного соединения. Для примера толщина мембраны составляет 0,8-1,0 мм. Таким образом, канал состоит, из последовательности прямоугольных проточных участков, при этом частоты колебаний на каждом участке разные. Для получения максимальной отдачи от мембраны необходимо реализовать режим колебаний на первой моде, когда количество пучностей равно 1 по обеим осям. В этом случае все точки мембраны совершают колебания на одной частоте и фазе с максимальным прогибом в центре мембраны.
Для прямоугольной мембраны с закрепленными краями решение волнового уравнения по набору частот собственных колебаний в декартовой системе координат имеет вид /9, 10/:
где с - скорость распространения волн по пластинке;
x
y
k, k - волновые числа, значения которых определяются граничными условиями;
x,
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Ox;
y
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Oy;
x
y
j, j - целое число, равное числу пучностей волны вдоль соответствующих сторон пластинки.
На Фиг.2 представлена резонансная характеристика колебательной системы - канала, изображенная на Фиг.1. Резонансная характеристика снималась по измерению амплитуды колебаний мембраны вблизи центра, измерительный тракт состоял из пъезоакселерометра типа 4344 и усилителя 2635 фирмы Bruel&Kjaer, цифрового осциллографа Velleman с регистрацией сигналов на персональный компьютер.
2
Видно, что на резонансной частоте ~23,2 кГц добротность колебательной системы - канала составляет ~7. На Фиг.3 представлена типовая амплитуда колебаний мембраны на частоте ~23,2 кГц, при этом амплитуда смещений составляет ~3 мкм, что в водной среде соответствует потоку акустической энергии на уровне 14 Вт/см /5/. Вторая мембрана настроена на частоту ~40 кГц и имеет добротность ~6. Для оценки эффективности обработки жидкости на двух частотах по отношению к обработке жидкости на одной частоте проведена серия экспериментов по получению косметической эмульсии.
За основу взята типовая доработанная формула, аналог рецептуры компании COGNIS (Optimal Face Cream), состоящая:
№ п/п
Наименование сырья
Содерж., масс.%
Торговое название (производитель)
INCI
1
ДС 9045 (DC, Бельгия)
Cyclomethicone, dimethicone crosspolymer
0,7
2
DC 345 (DC, Бельгия)
Cyclomethicone
3
3
Ланетте O (Lanette O, Cognis, Германия)
Cetearyl alcohol
1,8
4
Grindox 109 (Danisco, Финляндия)
E320, E321, E310, Е330, Е471, propylenglycol, vegetable oil
0,05
5
Трилон Б (Basf, Германия)
Disodium EDTA
0,05
6
Мочевина
ГОСТ 6691.77
3
7
Глицерин (Bayer, Германия)
Glycerin,
3
8
Метилпарабен (Bayer, Германия)
Methylparaben
0,3
9
Пропилпарабен (Bayer, Германия)
Propilparaben
0,1
10
Катон (Kathon CG, R&Hcompany, USA)
Methylchloroisothiazolinone, methylisothiazolinone
0,05
11
Соевое масло
Soyabean oil
2
12
Отдушка
Fragrance
0,4
14
Цетиол CC (Cognis, Германия)
Dicaprylyl carbonate
2
15
Сквалан (Pripure 3759) (Bong & Bons., Бельгия)
Squalane
0,5
16
Эмульгейт SE-PF (Cognis, Германия)
Glyceryl stearate, ceteareth-20, ceteareth-12, cetearyl alcohol, cetyl palmitate
1,2
17
Эденор ST-1 (Cognis, Германия)
Palmetic acid, stearic acid
0,7
18
ДС 200\100 (DC, Бельгия)
Dimethicone
1
19
Вода деионизированная
ГОСТ Р 5123-98
80,15
Такой состав косметического крема характерен для массового потребительского ценового сегмента.
Оценка эффективности предлагаемого способа оценивалась по следующим параметрам:
1. Структура косметической эмульсии по дифференциальному распределению липидной (жировой фазы).
2. По времени приготовления косметической эмульсии до получения необходимых стандартов по стабильности, вязкости, pH характеристики.
2
2
2
3. По подводимой к пьезоизлучателям мощности от ультразвукового генератора (использовались генераторы типа УЗГ 22 с индикацией мощности в нагрузке). Известно, что для жидких сред, где содержание воды более 60-70%, развитая акустическая кавитация наступает при потоках акустической энергии больше 2-3 Вт/см, при увеличении жировой основы, например при приготовлении обратных эмульсий в косметике или обработке майонеза типа "Провансаль" (содержание подсолнечного масла ~67%), требуются потоки акустической энергии ~8-10 Вт/см, а в глицерине развитая акустическая кавитация наступает при потоках более 25 Вт/см /11, стр.321/. На Фиг.4. представлена зависимость размеров дисперсной фазы для косметической эмульсии, полученная при использовании канала с 2 мембранами, настроенными, соответственно, на частоты ~23,2 кГц и ~40 кГц. По отношению к дисперсности, которая получена на частоте ~24 кГц с основной модой дисперсной фазы около 700 нм, произошло снижение размеров до 500 нм, при этом уровень гомогенности вырос до 30-35% на шаге дискретизации 100 нм. При обработке на одной частоте ~40 кГц основная мода распределения составляла ~650 нм при уровне гомогенности 15-20%. Таким образом, при последовательном протекании жидкой среды через участки кавитационного воздействия с разными частотами зафиксировано повышение эффективности действия кавитационного воздействия, что соответствует выводам других авторов /7, стр.60/.
На Фиг.5 представлено сравнение распределения по размерам дисперсной фазы косметической эмульсии, полученной разными видами гомогенизации - классическая, с помощью роторных гомогенизаторов, ультразвуковая кавитация в канале на 1 частоте (прототип), ультразвуковая кавитация на 2 частотах (заявляемый способ). Время приготовления косметической эмульсии в экспериментах снизилось на ~30-35%, И, при условии, что этот показатель не является приоритетным, например, по отношению к энергопотреблению, была снижена мощность, которая подводилась в нагрузку - к пьезоизлучателям. Если при приготовлении косметической эмульсии на одной частоте мощность, приходящаяся на 1 излучатель, близка к максимальной и составляла 80-100 Вт, то в предлагаемом способе удалось ее снизить до 50-60 Вт. Важным является вопрос создания стоячей волны внутри канала на разных частотах, что дополнительно повышает амплитуду переменного звукового давления /5, стр.119/.
Исходя из этого вытекает условие, которое можно сформулировать следующим образом: ширина зазора канала должна быть кратна четверти длины волн, которые в жидкой среде создаются на разных частотах. Это математически может быть записано так
h=(k/4)*(C/fi), k=1, 2, 3, …
где fi - частоты основных гармоник стоячей волны мембран канала, Гц;
С - скорость звука в жидкой среде, м/с;
h - расстояние между стенками канала, м;
В предлагаемом примере ширина зазора составляет 17 мм и получена исходя из следующих расчетов. Для воды (в косметической эмульсии доля воды больше 80%) на частоте ~23,2 кГц длина волны составляет ~64 мм, а для частоты ~40 кГц составляет ~37 мм. Для того, чтобы в зазоре канала укладывалось целое число четвертей длин волн, нетрудно получить два размера, а именно 16 мм (четверть длины волны) для частоты ~23,2 кГц и 18,5 мм (половина длины волны) для частоты ~40 кГц. Округление двух величин с достаточной для практики точностью дает значение ~17 мм, которое реализовано в экспериментальном канале.
Приведенные результаты позволяют сделать вывод о том, что последовательная кавитационная обработка протекающей жидкой среды на разных частотах является более эффективной, чем на одной частоте, при этом можно уменьшить энергозатраты, при важности этого показателя, примерно в ~1,5 раза при идентичности времени обработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бронин Ф.А. Исследование кавитационного разрушения и диспергирования твердых тел в ультразвуковом поле высокой интенсивности. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, МИСИС, 1967.
2.Червяков В.М., Однолько В.Г. Использование гидродинамических и кавитационных явлений в роторных аппаратах. - М.: Машиностроение, 2008.
3. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Розенберга Л.Д., 1968.
4. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. - М.: Физматгиз, I960.
5. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1956.
6. В.И.Деменко, А.А.Геталов, Т.В.Пучкова, Е.А.Хотеенкова. Эффективный метод снижения содержания эмульгатора при производстве косметической эмульсии, журнал "Сырье и упаковка" №10(101), стр.12.
7. Маргулис М.А. Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях. - М.: Высшая школа, 1984.
8. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография. Алт. Гос. Техн. Ун-т им И.И.Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ.
9. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970.
10. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. Изд. Второе, М.: Наука, 1969.
11. Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Голых Р.Н., Барсуков Р.В. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной обработки вязких и дисперсных жидких сред. Ползуновский Вестник №3, Барнаул, 2010.