СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД И РАСПОЛОЖЕННЫХ В СРЕДЕ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR ULTRASONIC CAVITATIONAL PROCESSING OF LIQUID MEDIA AND OBJECTS LOCATED IN MEDIUM

Изобретение относится к области кавитационной обработки жидких сред а также сред, где удельное содержание воды или иной жидкой фазы превышает -40-50% от общей массы, обработке предметов, находящихся в обрабатываемой жидкой среде. Акустическая ультразвуковая кавитация эффективно применяется в целом ряде 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 1,0 мкм практически невозможно, уровень гомогенности не превышает 15%-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 10-15%. 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), суспензий, содержащих твердые включения и целый ряд других принципиальных ограничений.
Наиболее близким по сути является способ получения эмульсионного косметического средства по патенту №2422129 от 27.05.2009.
Принципиальным отличием данного способа от других является использование для возбуждения акустической волны в жидких средах резонансных свойств механической колебательной системы-канала, имеющего собственную частоту колебаний.
Наиболее широко применяются вибрационные каналы прямоугольного профиля, для которых могут быть определены собственные частоты колебаний. Эти решения известны /7-10/ и зависят от многих параметров: толщины стенки системы-канала (режимы прогиба - пластины, гибкие пластины, мембраны), амплитуды, условий колебаний (демпфирование), граничных условий закрепления, характеристик материала и ряда других параметров. Амплитуды прогибов носят существенно нелинейный характер от силы воздействия /9-12/. Это ограничивает амплитуду вынужденных колебаний, которую, как правило, выбирают близкой или равной первой собственной частоте колебаний /9 /. На Фиг. 1. представлен качественный вид резонансных кривых и скелетных линий для случая нелинейных и линейных колебаний с демпфированием, взятый из работы 19, стр. 144/. В зависимости от вида резонансной кривой и скелетной линии можно однозначно интерпретировать удельный вес каждого из нелинейных факторов (нелинейная упругость, нелинейное демпфирование, нелинейная инерционность) в общей динамике движения /11, стр. 68/. Например, если мы видим резонансную характеристику мембраны (имеющую собственную частоту ~34 кГц) вида Фиг. 2., с характерной несимметричностью в правую сторону (сторону больших частот) - это прямое следствие существенного вклада нелинейной упругости, за счет чего скелетная линия имеет жесткий характер /9,11/. Данная характеристика получена на одной из действующих промышленных установок для обработки эмульсий. Нелинейная упругость в изучении колебаний должна занимать приоритетное значение, поскольку эта величина является источником для роста амплитуды колебаний (частный случай уравнения Матье-Хилла) пластин и мембран. Примером может служить генерация параметрических колебаний с кратными частотами /13/, что, в ряде случаев, приводит к генерации максимальных амплитуд колебаний и динамических прогибов даже при действии одной возбуждающей частоты. В приведенном выше примере очевидно, что изменение частоты колебаний от прогиба крайне негативно сказывается на энергопередаче в системе «возбудитель колебаний - мембрана» /14/. Возбудители ультразвуковых колебаний любого типа имеют довольно узкую резонансную характеристику. Для примера, на Фиг. 3 представлены типовые паспортные резонансные характеристики излучателей из пъезокерамики компании UCE ultrasonic со.,Ltd(Китай), которые широко используются на практике. Ширина резонансной кривой излучателей составляет ~2 кГц. При большей разнице в частоте возбудителя и собственной нелинейной резонансной частоты мембраны будет наблюдаться резкое снижение эффективности колебательной системы, что видно и по представленной Фиг. 2.
Без детального знания резонансных свойств системы-канала, которые напрямую определяют уровень акустической волны в жидкой среде и уровень кавитационного воздействия, невозможно их эффективное применение. Ведь дальнейшее увеличение мощности силовых возбудителей на резонансной частоте будет крайне неэффективно и энергозатратно. Принципиальное ограничение по росту амплитуды колебаний механической колебательной системы-канала за счет нелинейных факторов, что ограничивает амплитуду акустической волны в жидкой среде /3-6,11/, является главным недостатком данных систем.
Целью изобретения является повышение эффективности (увеличение мощности акустической волны) кавитационного воздействия на обрабатываемую жидкую среду и расположенные в среде объекты за счет увеличения амплитуды колебаний гибкой мембраны(пластины).
Данная цель достигается тем, что для максимального совмещения резонансных кривых возбудителя ультразвуковых колебаний и нелинейной резонансной кривой самой системы-канала с учетом ее реальных конструктивных характеристик с элементами присоединенной массы, первоначально экспериментальным методом определяют нелинейную резонансную кривую системы-канала как зависимость амплитуды механических колебаний от частоты, далее определяют разницу между частотой возбудителя и резонансной частотой системы-канала при необходимой амплитуде колебаний, исходя из этой разницы изменяют резонансную частоту системы-канала путем изменения геометрических размеров сторон, либо, если разница в частотах превышает ~1,5-2,0 ширины резонансной характеристики возбудителя, применяют возбуждение колебаний на двух или более разных частотах.
Как известно, нелинейность колебаний мембран и гибких пластин - это увеличение частоты колебаний при увеличении прогиба (амплитуды колебаний). Такой эффект увеличения характерен для колебательных систем с сильной восстанавливающей силой, в этом случае говорят о наличии жесткой скелетной линии. Фиг. 2. На Фиг. 4 показана экспериментальная зависимость, определяющая отклонение частоты от расчетного значения Fo для типовых конструкций систем-каналов прямоугольного сечения длиной 1-1,2 метра, изготовленных из нержавеющей стали марок AISI 304, AISI 316 (толщина листа 0,70-1,50 мм) в диапазоне частот Fo от ~22 кГц до 46 кГц. Видно, что с увеличением амплитуды колебаний (прогиба) мембраны отклонение частоты dF от первоначально рассчитанного значения растет, что полностью соответствует положениям теории /9,11/. Видно, что при больших прогибах изменение частоты составляет 2,5-3 кГц. Такое изменение частоты сопоставимо с шириной резонансной кривой типового возбудителя УЗ колебаний Фиг. 3. Оптимальный режим будет наблюдаться в том случае, если нелинейная резонансная кривая системы-канала будет перекрыта резонансной характеристикой возбудителя колебаний. На Фиг. 5 показана экспериментальная резонансная кривая системы-канала и серийно выпускаемых ультразвуковых возбудителей с резонансными частотами 28 кГц и 30 кГц. В случае, когда возбуждение колебаний будет формироваться на частотах 28 кГц и 30 кГц, будет наблюдаться максимальная амплитуда колебаний и соответственно максимальный кавитационный эффект в жидкости. Однако это требует применения возбудителей УЗ частоты с разными частотами и генераторов с быстрой автоподстройкой частоты, что не всегда возможно и экономически оправдано.
Также из Фиг. 5 видно, что амплитуда колебаний на частоте 28 кГц и 30 кГц отличается на ~25%, что для амплитуды акустической волны в жидкости и потока мощности очень существенно. В этом случае можно понизить частоту канала путем изменения его геометрических размеров, в частности ширины канала. В таблице 1 представлены рекомендуемые минимальные поправки на увеличение ширины канала, полученные в экспериментах.
Поправки приведены для типовых амплитуд колебаний(~2-5 мкм), характерных для данных частот. Каналы изготовлены из нержавеющей стали AISI 304, AISI 316. Ширина без поправки определяется из известного соотношения /7/:
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><msqrt><mrow><msubsup><mi>k</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>k</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo></mrow></msqrt><mi>c</mi><msup><mrow><msqrt><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>J</mi><mi>x</mi></msub><mfrac><mi>π</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>J</mi><mi>y</mi></msub><mfrac><mi>π</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mi>y</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
где с - скорость распространения упругих волн;
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 1 для первой гармоники колебаний.
Для снятия резонансной характеристики используется экспериментальная установка, изображенная на Фиг. 6.
Установка состоит из: 1-колебательная система-канал; 2 - силовые возбудители ультразвуковых колебаний любого типа (пъезокерамические, магнитострикционные и т.д); 3 - акселерометр; 4 - усилитель заряда акселерометра; 5 - цифровой осциллограф; 6 - регистратор (компьютер); 7 - делитель с гальванической развязкой; 8 - цифровой осциллограф - частотомер; 9 - генератор ультразвуковых колебаний.
Силовые возбудители пъезокерамического типа с разными резонансными частотами во всем исследуемом диапазоне частот (обычно от 22 кГц до ~50 кГц).
Измерительный тракт (3-6) состоит из пъезоакселерометра типа 4344, типа АР-12, АР-33 усилителя 2635 фирмы Bruel&Kjaer, цифрового осциллографа Velleman с регистрацией сигналов на персональный компьютер.
В качестве генератора 9 используются типовые генераторы Г3-109 с высоковольтным выходом для питания пъезокерамических возбудителей и генераторы УЗГ2-22, серийно выпускаемые рядом предприятий. Генератор УЗГ2-22 позволяет вручную установить необходимую частоту колебаний, либо сделать сканирование с временной задержкой, необходимой для фиксации результатов, при этом имеет указатели частоты, потребляемой мощности и ряда других параметров. Делитель 7 и цифровой осциллограф-частотомер 8 АКТАКОМ являются вспомогательными измерительными приборами, позволяющими контролировать сигнал непосредственно на силовых возбудителях 2 с учетом обратной механической связи от системы-канала на пъезокерамику. Общий вид экспериментальной установки и ряда исследуемых каналов представлен на Фиг. 7.
Методика определения резонансной кривой заключается в снятии зависимости амплитуды колебаний, которые фиксируются измерительным трактом с акселерометром от частоты. Типовая картина показаний представлена на Фиг. 8.
Полученная экспериментальным методом резонансная кривая сравнивается с резонансной кривой УЗ возбудителя (паспортные данные). В случае, если изменение частоты системы-канала, для получения максимальной амплитуды превышает ~1,5-2 ширины резонансной характеристики возбудителя, то рекомендуется перекрывать резонансную кривую несколькими возбудителями и производить возбуждение колебаний с разными частотами.
В этом случае могут наблюдаться разные режимы колебаний:
- параметрические колебания /9,11,13/;
- режим биений;
- режим модуляции частот.
В приведенных режимах всегда будет наблюдаться увеличение амплитуды колебаний системы-канала, но в спектре колебаний будут появляться дополнительные гармоники. Типовые осциллограммы для режимов параметрических колебаний и режима биений представлены на Фиг. 9 и Фиг. 10 соответственно.
Для целого ряда технологических процессов одновременная обработка на нескольких частотах  появление дополнительных гармоник является положительным фактором. Так в работе /5, стр. 60/ отмечается, 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″.
На Фиг. 11 представлена фотография промышленной установки с каналами, реализующими режим биений и показания индикаторов частоты.
Один из генераторов работает на частоте 29,7 кГц, второй - на частоте 28,8 кГц.
Данный режим позволил получить не только мелкодисперсную косметическую эмульсию, но и высокую гомогенность. На Фиг. 12 представлены микрофотографии структуры косметической эмульсии одного из крупнейших мировых производителей продукции (А) и компании DERMANIKA (Б).
Улучшение структуры эмульсии обеспечено не только для прямых эмульсий, но и обратных, в которых содержание липидной(жировой) компоненты может достигать 70%. Улучшение структуры эмульсии позволило снизить удельный расход ингредиентов на единицу массы выпускаемой продукции на 20-25%).
Аналогичные результаты получены в интересах пищевой промышленности при обеззараживании молока при температурах не выше 45 градусов, при одновременной диспергации до уровня 0,7-1,0 мкм (исходное натуральное молоко имеет дисперсность 3-4 мкм). Высокую эффективность показала кавитационная обработка воды, которая в дальнейшем используется для восстановления сухого молока, соков и других продуктов. Таким образом, предложенный способ ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред и расположенных в среде объектов позволяет получать максимальную резонансных амплитуду колебаний системы-канала и обеспечивать максимальное кавитационное воздействие, учитывая нелинейный характер колебаний, когда частота колебаний зависит от амплитуды колебаний (прогиба).
ЛИТЕРАТУРА
1. Бронин Ф.А. Исследование кавитационного разрушения и диспергирования твердых 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.
9. Вольмир А.С. Нелинейная динамика пластин и оболочек. М.: Наука, 1972.
10. Тимошенко СП., Войновский-Кригер С. Пластины и оболочки. М., серия Физико-Математическое наследие, Изд-во URSS, 2009.
11. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем. Гостехиздат, М., 1956.
12. Биргер И.А. Стержни, пластинки, оболочки, ВО ″Наука″, М., 1992.
13. Шмидт Г. Параметрические колебания, Изд-во Мир, М., 1978.
14. Алифов А.А., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источниками энергии. Изд-во Наука, М., 1985.