СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ ПО СОСТАВУ ЖИДКИХ СРЕД
METHOD OF SIMULTANEOUS ULTRASOUND CAVITATION PROCESSING OF DIFFERENT-COMPOSITION 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/.
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%), 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. Однако данная технология имеет ряд ограничений на использование. Например, если требуется проводить одновременную кавитационную обработку различных по составу жидких сред с помощью одного канала, обрабатывать на потоке малые стационарные (непроточные) объемы жидких сред.
Затруднительно использовать один проточный канал обычных размеров, если требуется на его выходе получить уже готовый продукт. В этом случае не хватает линейной длины канала для набора требуемого времени озвучивания.
Существенными ограничениями является кавитационная обработка жидких сред и поддержание при этом ее требуемой температуры. Известно, что при кавитационной обработке выделяется большое количество тепла, идет интенсивный нагрев обрабатываемой жидкости и эффективный отвод тепла является серьезной проблемой. В целом ряде случаев температурные режимы обработки всего объема жидкости являются первостепенными.
Целью изобретения является возможность одновременной ультразвуковой кавитационной обработки различных по составу жидких сред и обеспечение при этом требуемого температурного режима.
Данная цель достигается тем, что объемы с обрабатываемыми жидкими средами разного состава размещаются в системе-канале с жидкостью, где создается плоская стоячая акустическая волна, которая проходит через обрабатываемые объемы преимущественно перпендикулярно их размещению, материал, из которого сделаны объемы, имеет удельное акустическое сопротивление, равное или близкое жидкости, заполняющей систему-канал, и сопротивлению обрабатываемой жидкой среды, амплитуда ультразвуковых резонансных колебаний превышает порог акустической кавитации для жидких сред, обрабатываемых в данный момент с учетом потерь на прохождение через стенки объема, оптимальная температуры обработки жидких сред задается с помощью жидкости в системе-канале, при этом ширина между стенками системы-канала кратно четверти длины акустической волны в жидкости канала:
h=(k/4)*(C/f), k=1, 2, 3, …
где
f - частота основной гармоники стоячей волны стенки канала, Гц;
С - скорость звука в многофазной среде, м/с;
h - расстояние между стенками канала, м.
В предлагаемом способе объемы с обрабатываемыми жидкостями могут иметь любое исполнение - это могут быть проточные каналы (трубки) или стационарные емкости (кюветы).
На Фиг.1 показан один из возможных вариантов, реализующих данный способ. Система-канал выполнен в виде прямоугольной ванны и заполнен водой. Вода в системе-канале может циркулировать и иметь необходимую температуру. Размеры боковой стенки составляют 300*130 мм, ширина между стенками системы-канала 60 мм.
3
В систему-канал могут быть помещены 4 различных объема с обрабатываемыми жидкими средами. В экспериментах обрабатываемые объемы жидкости размещались в стандартных полиэтиленовых стаканчиках объемом по 100 мл. Акустическое сопротивление полиэтилена (плотность 0,92-0,94 г/см, скорость продольных волн ~ 1900-1950 м/с) отличается от воды примерно на 16%. Отношение акустического сопротивления жидкости, которое находится в системе-канале, к акустическому сопротивлению материала, из которого выполнены объемы с обрабатываемыми жидкими средами, является мерой потерь при прохождении через стенки объема.
Жидкость в системе-канале выполняет три основные функции:
1. Является средой для прохождения акустической волны от стенки системы-канала и в которой возникает режим развитой акустической кавитации;
2. Является средой, передающей энергию акустических колебаний на объемы с обрабатываемыми жидкими средами, которые в этой среде находятся;
3. Является средой-теплоносителем, температура которой определяет температурный режим внутри объемов с обрабатываемыми жидкими средами.
Стенки системы-канала представляют собой мембраны, частота основной гармоники колебаний составляет 24,65 кГц. Расчетное значение составляет 24,4 кГц и получено по известному решению волнового уравнения, которое имеет вид /9, 10/:
где с - скорость распространения волн по пластинке;
х
y
k, k - волновые числа, значения которых определяются граничными условиями;
x
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Ох;
y
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Оy;
x
y
j, j - целое число, равное числу пучностей волны вдоль соответствующих сторон пластинки.
Для получения в жидкости системы-канала условий возникновения стоячей волны, которое минимум вдвое повышает амплитуду переменного звукового давления /5, стр.119/ и соответственно способствует возникновению режима развитой акустической кавитации, требуется, чтобы ширина системы-канала была кратной четверти длины волны, распространяющейся в жидкости. Это требование сформулировано выше. Для частоты 24,65 кГц в воде длина волны составляет 60 мм и равна ширине системы-канала экспериментальной установки.
2
Для оценки процесса возникновения режима развитой акустической кавитации как в жидкости системы-канала, так и в жидкости обрабатываемых объемов проведен классический опыт по воздействию кавитации на полоску из фольги. На Фиг.2 и Фиг.3 представлены полоски из фольги, которые были помещены внутрь пластиковых стаканчиков с водой, соответственно, до и после воздействия. В качестве обрабатываемой жидкости использовались: вода, масло подсолнечное, оливковое, моторное, трансмиссионное, спирт, глицерин, сорбитол. Время озвучивания составляло ~ 60 с, частота колебаний стенок канала 24,65 кГц, амплитуда колебаний составляла 3,5-4,0 мкм, что соответствует потоку акустической энергии 18-25 Вт/см /5/.
Хорошо известны пороговые значения акустической энергии, при которых в жидкой среде возникает режим развитой акустической кавитации, например /11/:
Параметры жидкостей и оптимальные интенсивности воздействия для каждой из них
Вид жидкости
Параметры жидкости
Оптимальная интенсивность, Вт/см<sup>2</sup>
Скорость звука, м/с
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Вязкость, 10<sup>-3</sup> Па·с
Поверх. натяжение, 10<sup>-3</sup> Н/м
Вода
1483
1000
0,82
72,88
2…3
Этиловый спирт (96%)
1165
798
1,2
22,8
3…5
Трансформаторное масло
1445
900
30
40
4…6
Оливковое масло
1381
950
85
32
5…8
Глицерин
1930
1264
-1000
59,4
20…25
Определение потока акустической энергии в экспериментах осуществлялось путем прямого измерения амплитуды и спектра колебаний стенки системы-канала. Для этого использовался измерительный тракт, состоящий из пьезоакселерометра типа 4344 и усилителя 2635 фирмы Bruel&Kjaer, цифрового осциллографа Velleman с функцией быстрого преобразования Фурье и с регистрацией сигналов на персональный компьютер.
Зная амплитуду колебаний и частоту, легко /5/ определить все характеристики потока акустической энергии и порог возникновения развитой кавитации.
На Фиг.4 и Фиг.5 показаны типовые амплитуда колебаний стенки-мембраны канала и ее спектр.
Таким образом, прямые измерения амплитуды и частоты колебаний позволяют полностью определить параметры акустических волн в жидкости как системы-канала, так и в обрабатываемых объемах.
Опыты с размещением фольги в обрабатываемых жидких средах и идентификацией возникновения режима развитой кавитации это полностью подтверждают.
Важным этапом опытов являлось обеспечение требуемого температурного режима обрабатываемых объемов жидкости. Было осуществлено одновременное приготовление 4-х объемов разных косметических кремов в пластиковых стаканчиках, с объемами по 80 мл каждая доза. При гомогенизации жировой и водной фазы в течение 10 минут обеспечивалась температура ~70 град за счет выделяемого тепла и температуры воды, находящейся в канале. Затем была осуществлена прокачка воды и понижение температуры до 43-45 градусов и ее поддержание на этом уровне. При этом вводились активные добавки и витаминный комплекс и также обеспечивалась гомогенизация в течение еще 10 минут.
На последнем этапе температура была понижена до 22-23 градусов, что обеспечило остывание косметической эмульсии и получение готового продукта. На весь цикл приготовления продуктов понадобилось примерно 30 мин.
Проверка на стабильность, кислотность, вязкость показала полное соответствие полученных продуктов требованиям нормативных документов.
Таким образом, предлагаемый способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред показал возможность одновременной обработки различных по составу сред, причем как в проточном, так и в стационарном вариантах, доказав возможность применения любого вида режимов обработки. При этом температура обрабатываемых жидких сред в выделенных объемах может поддерживаться на заданном уровне за счет использования жидкости в канале как теплоносителя. Регулированием расхода жидкости в канале и ее температурой можно обеспечить требуемый технологический цикл.
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.: Изд-во 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, 1960.
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., Изд-во 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.