СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД И РАСПОЛОЖЕННЫХ В СРЕДЕ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF ULTRASONIC CAVITATION PROCESSING OF FLUIDS AND OBJECTS PLACED THEREIN

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, обработке предметов, находящихся в обрабатываемой жидкой среде. 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 продуктов, очистки инструмента и медицинских принадлежностей 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 0,8-1,0 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.
2
Это связано с низким к.п.д. 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 накладывает целый ряд других принципиальных ограничений.
Наиболее близким по сути является способ кавитационной обработки потока жидкости и реактор для его осуществления по патенту №2246347 от 25.08.2003 компании ООО "Астор-С".
Поток жидкости пропускают сквозь резонансную ячейку кавитационного реактора, где в жидкости устанавливают стоячую акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности. Резонансная ячейка представляет из себя диафрагму с отверстием в корпусе, причем диафрагма размещена в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки.
За счет волнообразного движения жидкой среды внутри реактора возникают одна или несколько стационарных кавитационных областей.
Однако данная технология имеет ряд ограничений на использование. Это связано с тем, что жидкая среда внутри реактора имеет ограниченные кавитационные области воздействия, которые будут меняться в зависимости от гидравлического режима протекания жидкости и ее свойств. В процессе обработки, при циклическом протекании обрабатываемой жидкости через реактор, ее свойства, например вязкость эмульсий, суспензий, могут меняться в широких пределах. Затруднительным является использование данного способа для обработки объектов, помещаемых в жидкую среду извне. Кроме этого, неоднократно отмечалось, что кавитационные эффекты существенно возрастают, если жидкость обрабатывать на двух разных частотах. В работе /5, 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".
В прототипе одновременная обработка жидкости на разных частотах является проблематичной.
Целью изобретения является повышение эффективности (мощность и амплитуда акустической волны, когерентность) кавитационного воздействия на обрабатываемую жидкую среду и расположенные в среде объекты при одновременном ограничении мощности ультразвуковых излучателей.
Данная цель достигается тем, что колебательная система с жидкой средой и объектами состоит из стенок-поверхностей, каждая поверхность системы представляет собой закрепленную по контуру мембрану, например на жестком каркасе, имеющую собственную частоту колебаний с учетом присоединенной массы возбудителя колебаний, равную первой гармонике, излучение ультразвуковых волн в жидкую среду осуществляется одновременно со всех мембран колебательной системы, обеспечивая в обрабатываемом объеме эффект суперпозиции волн с образованием стоячей акустической волны или нескольких волн с разными частотами, амплитуда резонансных колебаний каждой мембраны превышает порог акустической кавитации для жидкой среды с расположенными в ней объектами, частоты колебаний и фазовые характеристики колебаний мембран подбираются так, что могут совпадать между собой или отличаться для получения максимального необходимого кавитационного воздействия с учетом характеристик обрабатываемой среды, при этом колебательная система может иметь произвольную форму, проточный или стационарный режим движения жидкой среды.
В предлагаемом способе используется принцип последовательного резонансного усиления акустической волны на заданной частоте, либо нескольких волн на заданных частотах.
Первым каскадом усиления амплитуды колебаний является резонансная характеристка мембраны, колебания которой возбуждаются внешним источником, например пьезоизлучателем.
Известно, что мембраны, в отличие от пластин, не обладают изгибной жесткостью и имеют более высокие частоты собственных колебаний. Частота колебаний мембраны не зависит от ее толщины, в отличие от пластин. Конкретный режим работы мембраны-пластины зависит от целого ряда факторов, таких как условия закрепления на краях (натяжения), величина прогиба, частота воздействия и т.д. /8/.
Для прямоугольной мембраны с закрепленными краями решение волнового уравнения по набору частот собственных колебаний в декартовой системе координат имеет вид /7/:
,
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 Ох;
y
L - длина стороны пластинки, направленной вдоль оси Оу;
x
y
j, j - целое число, равное числу пучностей волны вдоль соответствующих сторон пластинки.
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. На рисунке Фиг.1 представлена типовая резонансная характеристика мембраны размером 250×145 мм, толщиной 1,2 мм, изготовленной из нержавеюшей стали AISI 316 (аналог 12Х10НТ), имеющей скорость продольных волн ~5800 м/с. Видно, что на резонансной частоте ~23,2 кГц добротность колебательной системы-каскада составляет ~7. Это позволяет существенно увеличить амплитуду акустической волны в жидкости, контактирующей с данной поверхностью, при ограниченной мощности, подводимой к пьезоизлучателю.
Вторым каскадом усиления харакетистик акустической волны является образование стоячей волны в самой жидкости или в районе объекта обработки за счет суперпозиции отраженных и падающих волн от стенок-поверхностей.
Например, если колебательная система имеет вид прямоугольной емкости, открытой с одной стороны, то она может содержать пять излучающих поверхностей мембран. На рисунке Фиг.2 представлен реактор с 4 излучающими поверхностями (на 5 торцевой стороне - подводящие патрубки для жидкости). Частоты колебаний мембран - 23,2 кГц и 46 кГц.
Данный способ можно применить в различных областях промышленности.
На рисунке Фиг.3 и Фиг.4 показан результат ультразвукового действия на песчано-бетонную смесь (частота 23,8 кГц). Кавитационное воздействие приводит к снижению размеров твердой фазы, конечному увеличению прочности на 20-25% при снижении времени затвердевания на ~15% при равной температуре.
На рисунке Фиг.4 показан результат диспергации молока жирностью 1,5% на частоте 46 кГц. Полученная стабильная сверхтонкая молочная эмульсия (~500 нм, калибровка Фиг.7) позволяет производить продукты с увеличенным сроком хранения и повышенной питательной ценностью.
На рисунке Фиг.5 показан результат обработки ультразвуком (частота 24,8 кГц) парафинистой нефти. Проводились опыты с нефтью, где уровень парафинов составлял 10%, 17%, 26% и 50% (дополнительно парафин растворялся). Показано, что ультразвуковое воздействие приводит к частичной деструкции парафинов, реологические свойства парафинистой нефти существенно улучшаются - температура кристаллизации парафина снижается на ~15 градусов (с 43-45 градусов), вязкость снижается в 2,5-3 раза при равной температуре, время последействия, с учетом тиксотропных свойств парафинов, становится неограниченным.
На рисунке Фиг.8 показано действие кавитации на объекты, которые могут располагаться в обрабатываемой жидкой среде. При суперпозиции акустических волн от всех мембран наблюдается существенное усиление кавитационного воздействия. Для оценки относительного кавитационного воздействия использовалась металлическая фольга.
Таким образом, предлагаемый способ кавитационной обработки жидких сред и расположенных в среде объектов реализуем и позволяет поднять эффективность воздействия при минимальных энергозатратах с возможностью одновременной обработки на разных частотах.
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. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Иностранная литература, 1956.
4. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Розенберга Л.Д., 1968.
5. Маргулис М.А. Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях. - М.: Высшая школа, 1984.
6. 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.
7. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М., Изд-во Высшая школа, 1970.
8. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах, под ред. Челомея В.Н., М., Машиностроение, 1979.