автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование процесса ультразвукового воздействия на технологические среды и повышение эффективности технологических аппаратов

На правах рукописи

Барсуков Роман Владиславович

\

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бийск - 2005

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального

образования «Алтайский им. И.И. Ползунова»

государственный технический университет

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Хмелев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, с.н.с Жаринов Юрий Борисович

кандидат технических наук, доцент Митин Александр Германович

Ведущая организация:

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН (г. Бийск, Алтайский край)

Защита состоится 28 октября 2005 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К 212.004.03 в Бийском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального сбразоьакия «Алтайский государственный технический университет им И И Ползунова» по адресу 659305, Алтайский край, [. Бийск, ул. Трофимова, 27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им И И. Ползунова».

Автореферат разослан 27 сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

#

Светлов С.А.

йвод-ч £ Я ЗУ СО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

16э9и

Актуальность темы. Повышение эффективности существующих и реализация новых химических технологий - один из путей развития современной промышленности. Одним из наиболее перспективных и прогрессивных путей развития химических производств является применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. Обусловлено это тем, что ультразвуковые колебания оказывает влияние практически на все известные процессы химических технологий. Это воздействие имеет различный характер:

- стимулирующий, в тех случаях, когда возникающая кавитация является движущей силой процесса (например, при реализации звукохимических реакций, акустическом диспергировании и удалении отложений с теплообменных поверхностей);

- интенсифицирующий, в тех случаях, когда возникающая кавитация лишь увеличивают скорость процесса (например, при акустическом растворении, эмульгировании, экстрагировании, дегазации);

- оптимизирующий, в тех случаях, когда ультразвуковые колебания в докавитационном режиме упорядочивают течение процесса (например, при стимуляции роста бактерий, кристаллизации, акустической грануляции и акустическом центрифугировании).

Эффективность ультразвукового воздействия при реализации большинства процессов химических технологий определяется степенью развитости кавитационного процесса и носит экстремальный характер (т.е. существуют оптимальные условия ультразвукового воздействия и они соответствуют режиму «развитой» кавитации)

Практически реализуемые в настоящее время с помощью ультразвуковых колебаний процессы химических технологий не характеризуются максимально возможной скоростью процесса или не обеспечивают выход максимально возможного конечного продукта, по сравнению с результатами, достигаемыми при экспериментальной отработке в лабораторных условиях.

Происходит это потому, что используемые для их реализации ультразвуковые технологические аппараты не обеспечивают автоматической оптимизации ультразвукового (УЗ) воздействия при изменении свойств технологических сред и не учитывают влияния изменений свойств этих сред и происходящих в них процессов на работу аппаратов.

Причина неоптимального ультразвукового воздействия на различные процессы химических технологий заключается в отсутствии в используемых аппаратах систем, обеспечивающих изменение режимов работы электронного генератора при возможных изменениях свойств и параметров обрабатываемых технологических сред.

В связи с этим, проблема повышения эффективности процессов химических технологий за счет создания УЗ технологических аппаратов, способных обеспечить оптимальное воздействие при возможных изменениях параметров обрабатываемых сред является актуальной.

Цель исследования - повышение э интенсифицируемых за счет применения УЗ колебаний

путем дальнейшего развития научных основ построения ультразвуковых технологических аппаратов, обеспечивающих в автоматическом режиме оптимальное воздействие на различные технологические среды при изменении их свойств.

Задачи исследований:

- обоснование возможности повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах за счет: введения нового критерия настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковой колебательной системы, обеспечения возможности контроля импеданса излучению обрабатываемыми технологическими средами, введения критерия настройки ультразвукового аппарата на режим развитой кавитации, позволяющего поддерживать оптимальный режим УЗ воздействия при изменении свойств обрабатываемых технологических сред;

- разработка модели, описывающей свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию, позволяющую определять волновое сопротивление технологических сред в зависимости от величины звукового давления и свойств обрабатываемой среды;

- экспериментальное исследование влияния обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную частоту, добро1нос]ь, входное сопротивление, импеданс) и электронных генераторов для установления диапазонов необходимой перестройки параметров электронных генераторов при обработке различных технологических сред;

- разработка методики определения основных параметров УЗ технологических аппаратов, позволяющую осуществлять выбор, необходимой и достаточной для реализации в жидких технологических средах режима развитой кавитации, акустической и электрической мощности, а также определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации);

- разработка ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации различных технологических процессов на основе предложенных метода определения импеданса излучению обрабатываемыми средами, критерия оптимальной работы ультразвуковых аппаратов и способа определения режима развитой кавитации.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются процессы в жидких средах, возникающие за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности и ультразвуковые технологические аппараты, реализующие процессы химических технологий. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем построения теоретических моделей, допускающих аналитические и численные решения.

Научная новизна:

- предложен способ исследования технологических процессов в жидких средах, основанный на измерении акустических свойств технологических сред, путем регистрации электрических параметров (тока в механической ветви и напряжения) пьезоэлектрических колебательных систем;

- выявлены зависимости электрических параметров пьезоэлектрических колебательных систем (резонансная частота, добротность, входной электрический импеданс) от акустических свойств жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию;

- предложен способ выделения сигнала обратной связи, исключающий влияние мешающих факторов при получении информации об изменениях акустических свойств технологических сред и позволивший разработать новые способы управления процессом ультразвуковой обработки:

- предложены и разработаны ультразвуковые аппараты, позволившие повысить эффективность технологических процессов, за счет оптимизации режимов их работы и ультразвукового воздействия.

Практическая значимость:

выявлены причины, снижающие эффективность ультразвуковых технологических процессов, обусловленные неточностью измерения амплитуды механических колебаний рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы, а гак же неючнос1ью настройки электронных ультразвуковых генераторов на механическую резонансную частоту колебательных систем;

- разработана методика инженерного расчета, позволившая определять основные параметры ультразвуковых технологических аппаратов, предназначенных для интенсификации процессов в жидких средах в режиме «развитой» кавитации;

- установлены оптимальные режимы ультразвукового воздействия на различные технологические среды и при изменении их свойств;

- на основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны отдельные узлы ультразвуковых технологических аппаратов, обеспечившие оптимизацию УЗ воздействия при всех возможных изменениях свойств обрабатываемых сред;

- обеспечена реализация ультразвуковых технологических процессов в режиме развитой кавитации (10-20 Вт/см2) и подтверждена эффективность созданных технологических аппаратов.

Реализация работы. Результаты работы использованы при создании ультразвукового 1ехнологического оборудования для интенсификации различных химико-технологических процессов на предприятиях в Российской Федерации, странах СНГ и за рубежом.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всероссийских научно-практических конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск), Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials (Novosibirsk).

Положения, выносимые на защиту':

- развитие теоретической модели технологических процессов в жидких средах, интенсифицируемых за счет воздействия на них ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, показавшей необходимость перестройки электронных генераторов (его рабочей частоты, выходного напряжения, выходного сопротивления) в процессе ультразвукового воздействия.

- способ контроля свойств технологических процессов основанный на измерении электрических характеристик колебательных систем:

результаты экспериментальных и теоретических исследований, позволившие выявить характер зависимостей электрических параметров пьезоэлектрической колебательной системы с грибовидными инструментами от степени развитости кавитации в различных технологических средах и установить оптимальные способы управления процессом ультразвукового воздействия;

- предложенные и разработанные схемные решения узлов выделения сигнала обратной связи, формирования управляющих сигналов, управления рабочей частотой, стабилизации амплитуды колебаний.

- обоснование эффективности созданных ультразвуковых технологических аппаратов, реализующих процессы химических технологий в жидких средах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка литературы из 115 наименований и содержит 135 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, состояние проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе рассматриваются различные процессы химических технологий, реализуемые с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. и проводится анализ эффективности ультразвуковых технологических процессов, протекающих в жидких средах.

Проведенный анализ, реализуемых в химических производствах, ультразвуковых технологических процессов показал, что под влиянием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в жидких средах развиваются вторичные явления, которые оказывают воздействие на физико-химические процессы. К основным эффектам, возникающим под действием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, относят: акустические течения, пульсации газовых пузырьков, кавитацию, поверхностные эффекты, пандеромоторные силы, радиационное давление.

Многочисленные исследования, проведенные в нашей стране (Л.Д. Розенберг, Б.А. Агранат, М.А. Моргулис, В.А. Акуличев и др.) и за рубежом (К. S. Suslick, К. N. Sollner, T.J. Mason), свидетельствуют о том, что основным

интенсифицирующим фактором химико - технологических процессов являются кавитационные явления. Кавитация возникает при переходе от ультразвуковых колебаний малой амплитуды к колебаниям с большой амплитудой, при которых сплошность жидкости нарушается, и в ней формируются парогазовые кавитационные пузырьки. В режиме «развитой» кавитации наблюдается процесс периодического распространения гидродинамического разрыва в виде фронта волны захлопывающихся пузырьков. Результаты исследований (К. S. Suslick) свидетельствуют о том, что кавитационные процессы влияют не только на механохимические процессы, но и способны обеспечить разрыв химических связей.

В этом же подразделе рассматриваются примеры интенсификации процессов массообмена, процессов диспергирования, эмульгирования, экстрагирования компонентов из растительного сырья.

Проведенный анализ процессов химических технологий показывает, что скорость протекания большинства из них ограничена, и только воздействие ультразвуковых колебаний обеспечивает их интенсификацию, причем эффективность процессов определяется степенью развитости кавитации и имеет экстремальный характер, т.е. существуют оптимальные режимы ультразвукового воздействия.

Анализ исследований, проведенных различными авторами при изучении технологических процессов, показывает, что оптимальность ультразвукового воздействия зависит не только от типа реализуемого процесса, но и от свойств сред, в которых реализуются процессы. Однако систематических исследований по оптимизации режимов ультразвукового воздействия не проводилось, поскольку большинством авторов решались задачи максимального ускорения определенных процессов. Для обеспечения ультразвукового воздействия при интенсификации различных процессов разработаны и применяются ультразвуковые технологические аппараты. Сравнительный анализ отечественных {Акустический институт РАН (г. Москва), МГТУ им. Н Э Баумана (г. Москва), НИИ ТВЧ (г. Санкт - Петербург), Северо - Западный центр ультразвуковых технологий, ООО «Александра плюс» (г.Вологда), ООО "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ"(г Санкг - Петербург), ООО «Сапфир» (г Москва)) и зарубежных (Acusonigs, DUKANE (США), Ultrasonic engineering (GB), Berchold GmbH, Hielscher (Германия), Институт технической акустики (Беларусь)) ультразвуковых аппаратов позволил установить, что практически все используемые ультразвуковые аппараты выполняются универсальными, поскольку рекомендуются для использования как в существующей (не ультразвуковой) технологической аппаратуре, так и в специальной ультразвуковой химико-технологической аппаратуре. Универсальность аппаратов не позволяет учитывать особенностей конкретных технологических процессов и влияния свойств обрабатываемых сред на работу самих аппаратов.

Анализ технических характеристик и функциональных возможностей, используемых на практике ультразвуковых аппаратов, предназначенных для интенсификации физико-химических процессов в жидких средах, позволил выявить присущие им следующие основные недостатки:

- отсутствие или несовершенство систем автоматической подстройки частоты электронного генератора при изменениях резонансной частоты ультразвуковых колебательных систем (применение ручной подстройки частоты);

- отсутствие или несовершенство систем регулирования и стабилизации амплитуды механических колебаний излучающей поверхности колебательных систем (ручная регулировка амплитуды колебаний);

- низкий коэффициент полезного действия ультразвуковых технологических аппаратов (не более 60%);

- отсутствие систем контроля свойств обрабатываемых технологических сред;

- отсутствие систем установки и поддержания режима оптимального ультразвукового воздействия, т е. режима «развитой» кавитации (ручная подстройка по косвенным признакам, типа кавитационного шума).

Необходимость повышения эффективности ультразвуковых процессов, сформулированные в первой части главы, требования к энергетическим параметрам ультразвукового воздействия, выявленные во второй части главы, недос 1 аIки используемых аппаратов, а также проведенный анализ возможных путей их устранения, позволили сформулировать основные требования к поиску путей повышения эффективности ультразвуковых технологий за счет проектирования ультразвуковых аппаратов, способных обеспечить оптимальные режимы ультразвукового воздействия и обеспечить максимальную интенсификацию процессов, протекающих в жидких средах.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям, конечным результатом которых является выработка требований к оптимальным условиям ввода ульгрс1!вуковы\ колебаний мри реализации различных технологических процессов (в различных средах) в режиме «развитой» кавитации.

Первый подраздел второй главы посвящен моделированию поведения жидкой среды, подвергаемой ультразвуковому воздействию Свойства жидких сред (волновое сопротивление), существенно изменяются при насыщении их парогазовыми пузырьками, возникающими при ультразвуковом воздействии.

Волновое сопротивление жидкой среды, насыщенной парогазовыми пузырьками определяется следующим выражением:

Из приведенного выражения следует, что волновое сопротивление

кавитирующей среды определяется средним индексом кавитации К Индекс кавитации определяется как отношение объема всех парогазовых пузырьков Л V к объему жидкости V, в которой они находятся:

Ркск ~ Ржсж

(1)

V

V

Из выражения (2) следует, что практическое использование формулы (1) затруднено в связи с тем, что количество кавитационных пузырьков N зависит от многих факторов и не является числом постоянным.

В связи с этим, для определения индекса кавитации, а также для установления зависимости волнового сопротивления кавитирующей среды от ее свойств и величины звукового давления, была предложена модель кавитирующей среды в виде одиночного парогазового газового пузырька с начальным радиусом Ко, заключенною в объеме жидкости в виде сферы радиусом .

В этом случае индекс кавитации К был определен следующим выражением:

4 з з (3)

Усф

где Я - текущий радиус парогазового пузырька, а радиус ЯШх должен соответствовать максимально возможному радиусу парогазового пузырька.

Таким образом, для определения индекса кавитации К, необходимо знать текущий радиус парогазового пузырька, максимально возможный и его начальный радиусы.

Парогазовый пузырек с максимальным радиусом называется резонансным. Он пульсирует с частотой ультразвукового поля, которая определяется следующим выражением:

2яНшх V Рж К

МАХ

Из выражения (4) было получено выражение для максимального радиуса парогазового пузырька:

(5)

где р = -

4х2рж/2 ' * 2лгРжр

Текущий радиус, парогазового пузырька был получен из уравнения, описывающего поведение парогазового пузырька в ультразвуковом поле:

(Р0 - Рп + - Ц- = Р0 - Рм 5Ш А - Рп . (6>

л0 К К

Из уравнения (6) было получено следующее выражение:

4 27 Зс

где р

4а2

3(Р0-Ризтв*-Р„)

2 ; с = Р0-Рм$тш-Рп-,

2о\ ..з

¿<т

(Р0-/>„+1Г)Я0 лп

21{Р0-Рмйпоя-Рпу Р0-Ри$тая-Рп

■Ь-=2а.

В виду того, что К0 « Ршх, принимаем = 0. Таким образом, выполнив подстановки выражений (5), (7) в (3), была получена зависимость индекса кавитации от давления Рп насыщенных паров жидкости, гидростатического давления Р0,

давления Ри звуковой волны, частоты / ультразвуковых колебаний, ко эффициента и поверхностного натяжения, плотности рж жидкости.

Выполнив подстановку (3) в (1) была получена зависимость волнового сопротивления кавитирующей среды от ее свойств и величины звукового давления, практическая ценность которой заключается в возможности расчета величины звукового давления, необходимой для достижения режима развитой кавитации.

Второй подраздел второй главы посвящен поиску нового подхода к контролю влияния изменяющихся характеристик обрабатываемых технологических сред на параметры ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов.

На основе системы электромеханических аналогий разработана физическая эквивалентная схема (рисунок 1). моделирующая работу ультразвуковой колебательной системы (УЗКС).

Рисунок 1 - Физическая эквивалентная схема ультразвуковой колебательной

системы

Разработанная модель предназначена для установления взаимосвязи между акустическими параметрами обрабатываемых сред и электрическими параметрами

колебательных систем. Она позволила разработать методику исследования ультразвуковых аппаратов, выявить пути повышения эффективности, оптимизации их работы и повышения их коэффициента полезного действия. Модель представляет собой электрический колебательный контур с собственной резонансной частотой и электрической добротностью.

В представленной схеме индуктивность 1М - эквивалентна колеблющейся массе колебательной системы, емкость - упругости материала системы, активное сопротивление ¡1МП - сопротивлению механических потерь, КГ{А/1 - сопротивлению потерь, определяющему энергетические затраты на развитие и поддержание кавитационного процесса в жидкой среде. - сопротивлению излучения,

определяющему величину мощности УЗ колебаний, излучаемых в среду, индуктивность р - эквивалентна массе технологической среды, присоединенной к • колебательной системе, емкость Сср - эквивалентна упругости среды, присоединенной к колебательной системе, Ск - электрической емкости, обусловленной геометрическими размерами пьезокерамических элементов преобразователя, /?; - сопротивлению, определяющему диэлектрические потери в материале пьезоэлементов Элементы 1М, См, Ямп, ИКАц, Яизп, 1Ср, ССр образуют, так называемую. механическую ветвь эквивалентной электрической схемы пьезоэлектрической колебательной системы

Параметры ¿о. и Сопределяются физическими свойствами обрабатываемой среды.

Элементы /?„ ,„ и Р.ц , / определяют затраты акустической энергии на развитие (поддержание) кавитации и излучение энергии в обрабатываемую технологическую среду Сумма элементов Ямв и Ящц, равная КСр ~ Ккан + Ятп), определяет полное сопротивление излучению Электрический ток, протекающий через механическую ветвь колебательной системы, является аналогом колебательной скорости и прямо пропорционально зависит от амплитуды механических колебаний излучающей поверхности Напряжение питания рассмотренного двухполюсника является аналогом механической силы, создающей ультразвуковые колебания.

Анализ физической эквивалентной схемы показал, что изменение акустических свойств обрабатываемых технологических сред, различия в режимах работы УЗ аппаратов (излучение УЗ колебаний в докавитационном режиме, на пороге зарождения кавитации, в режиме развитой кавитации) вызывает изменение отдельных элементов физической эквивалентной схемы, влияет на частотные (динамические) характеристики рассматриваемой модели. Так реактивные элементы I 1и, и Си,, имеющие разные значения для различных сред, могут влиять на резонансную частоту колебательной системы.

Кроме того, при изменении режима УЗ воздействия реактивные элементы к ¿г/, и Сер для одной и той же среды могут изменяться. Это обусловлено тем, что с развитием кавитации меняются акустические свойства озвучиваемой среда (уменьшается реакция присоединенной к излучающей поверхности инертной жидкой фазы, в связи с насыщением жидкости газовыми пузырьками)

Так элемент ¿С/>, определяющий массу присоединенной к излучающей

поверхности жидкости, зависит от эквивалентной плотности рк кавитирующей жидкой среды, площади 8ИЗЛ излучающей поверхности, толщины И присоединенного слоя обрабатываемой среды.

Активный элемент Rrp определяет сопротивление излучению Для различных технологических сред этот параметр имеет разные значения. В случае развития в обрабатываемой среде кавитационного процесса элемент RCP следует рассматривать как сумму двух элементов R^b и Rnn- В случае, когда в среде кавитация не возникает Rkab ~ 0 и выполняется следующее равенство Rcp=Rhih- В начальный момент возникновения кавитационных процессов часть энергии УЗ колебаний, вводимых в технологическую среду, начинает расходоваться на поддержание кавитации (Rkab*®) При этом сопротивление излучению начинает уменьшаться в связи с изменяющимся волновым сопротивлением, насыщенной кавитационными пузырьками, жидкости В случае развитой кавитации, когда насыщенная газовыми пузырьками жидкость имеет волновое сопротивление, близкое к волновому сопротивлению воздуха, а на поддержание кавжационною процесса расходуется максимальное количество акустической энергии, RKAB достигает максимального значения, а сопротивление излучению R[1j4 стремится к минимальному значению, соответствующему волновому сопротивлению воздушной среды.

Анализ физической эквивалентной схемы ультразвуковой колебательной системы (рисунок 1) позволил установить возможность и обосновать необходимость контроля акустических свойств обрабатываемых технологических сред путем изменения электрических параметров ультразвуковых колебательных систем и элекгронных генераторов.

Одним из условий эксплуатации ультразвуковых аппаратов является насIройка элекгронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковых колебательных систем Существенное влияние на точность настройки электронного генератора на резонансную частоту колебательной системы оказывает собственная электрическая емкость пьезокерамических элементов. При ультразвуковом воздействии на жидкие среды происходит изменение их температуры из-за поглощения энергии УЗ колебаний и выделения тепла при протекании различных реакций. Это приводит к разогреву пьезокерамических элементов и изменению их электрической емкости Повышение температуры колебательной системы происходит так же в результате механических потерь в материале колебательной системы и активных потерь в пьезоматериале.

В связи с этим в третьей части второй главы представлены графические зависимости амплитудных и частотных характеристик тока, потребляемого колебательной системой от электронного генератора, а так же тока механической ветви колебательной системы, построенные для различных значений емкости пьезокерамических элементов.

На рисунке 2 представлены частотные характеристики электрических параметров колебательных систем.

На рисунке 2.а представлены амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) тока (кривая 3), протекающего через механическую ветвь физической эквивалентной схемы (рисунок 1). фазочастотные характеристики (ФЧХ) тока (кривая 1), протекающего через механическую ветвь и тока (кривые 2), потребляемого от генератора, в зависимости от емкости пьезокерамических элементов ультразвуковой колебательной системы. Из рисунка 2.а следует, что при различных значениях емкости пьезокерамических элементов возможна настройка

электронного генератора на частоту отличную от резонансной (критерием настройки электронного генератора на резонансную частоту колебательной системы считается равенство нулю ФЧХ тока, потребляемого колебательной системой от электронного генератора).

а) частотные характеристики, полученные при различных значениях емкости пьезокерамических элементов;

б) частотные характеристики, полученные при различных значениях акустической нагрузки.

Рисунок 2 - Частотные характеристики электрических параметров колебательных

систем

Стабилизация температуры и, следовательно, электрической емкости пьезокерамических элементов не обеспечивает стабильность настройки электронного генератора на резонансную частоту колебательной системы при

работе систем автоматической подстройки частоты в случае изменения акустической нагрузки или мощности акустического излучения.

На рисунке 2.6 представлены АЧХ (кривые 3) и ФЧХ тока (кривые 1), протекающего через механическую ветвь и тока (кривые 2), потребляемого от электронного генератора при различных значениях акустической нагрузки.

Независимой от влияния электрической емкости пьезокерамических элементов, а так же возможных изменений величины акустической нагрузки остается только ФЧХ тока, протекающего через механическую ветвь физической эквивалентной схемы.

Только ее характеристики могут быть использованы для точной настройки частоты электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковых колебательных систем

Большинство ультразвуковых технологических аппаратов оснащаются системами стабилизации амплитуды механических колебаний. В качестве парамегра косвенной оценки амплитуды механических колебаний используется амплитуда тока, потребляемого колебательной системой от электронного генератора. Из анализа эквивалентной схемы следует, что более точную косвенную оценку амплитуды механических колебаний можно осуществлять, исключив из величины тока, потребляемого колебательной системой о г генератора, величину тока, протекающего по емкости пьезокерамических элементов

Таким образом, для более точной косвенной оценки амплитуды механических колебаний необходимо обеспечить измерение амплитуды тока, протекающего только через механическую ветвь эквивалентной схемы.

В результате анализа физической эквивалентной схемы пьезоэлектрической ультразвуковой колебательной системы, показана взаимосвязь электрических параметров ультразвуковой колебательной системы с ее механическими параметрами, а так же с параметрами, характериз_, юшими свойства обрабатываемых технологических сред Выявлены причины. снижающие эффективность преобразования электрической энергии в энергию упругих механических колебаний ультразвуковой частоты. Установлены новые критерии оптимальной работы электронных генераторов и критерии оптимального воздействия на жидкие среды при реализации различных технологических процессов

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния акустических свойств технологических процессов и режимов излучения ультразвуковых колебаний в жидкие среды на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов Цель -выявление и определение оптимальных условий УЗ воздействия на различные ¡ехнологические среды и определение оптимальных режимов работы УЗ аппаратов с различными рабочими инструментами.

Экспериментальные исследования заключались в воздействии ультразвуковой энергией на жидкие среды и измерении электрических параметров колебательных систем и электронных генераторов в частотном диапазоне от 15 кГц до 25 кГц при использовании различных типов излучающих инструментов.

Первая часть третьей главы посвящена методике исследования влияний акустических свойств технологических сред на электрические параметры УЗ генераторов и ультразвуковых колебательных систем. Методика предусматривает

измерение электрических параметров ультразвуковых колебательных систем, таких как электрический ток и напряжение, частота питающего напряжения, электрический импеданс. В процессе измерений определялись амплитудно-частотные характеристики тока и напряжения питания колебательной системы, электрическая добротность при излучении УЗ колебаний в различные среды при различных режимах работы.

Для практической реализации предложенной методики измерений, т.е. для исследования влияния акустических параметров обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем и генераторов, предложен и разработан специализированный измерительный стенд, схема которого представлена на рисунке 3.

И - резистивные датчики для снятия токов и напряжений; 7 - импеданс УЗКС: С - дополнительная емкость; в - генератор качающейся УЗ частоты. Рисунок 3 - Структурная схема измерения электрических параметров колебательных систем

Разработанный измерительный стенд состоит из устройства управления, осуществляющего:

- сбор текущих значений электрических параметров ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов;

- перестройку частоты электронного генератора в диапазоне от 15 кГц до 25 кГц для измерения частотных характеристик контролируемых электрических параметров колебательных систем;

- управление мощностью электронного генератора для получения зависимостей параметров ультразвуковых колебательных систем от параметров технологических сред в различных режимах (работа в докавитационном режиме, на пороге зарождения кавитации, в режиме развитой кавитации);

- формирование потока полученных данных для их последующей обработки, вычисления необходимых для анализа новых параметров и характеристик, анализа и визуализации на ЭВМ.

При проведении экспериментальных исследований в качестве источника ультразвуковых колебаний были использованы пьезоэлектрические ультразвуковые колебательные системы со сменными грибовидными рабочими инструментами с разной площадью излучающей поверхности (диаметром 25мм, 30мм, 40мм и 50мм).

В качестве обрабатываемых технологических сред были использованы дистиллированная вода, ацетон, индустриальное масло, водная среда под статическим давлением 0,7 МПа, воздушная среда.

Первичные данные были получены в виде семейства амплитудно-частотных характеристик электрических параметров колебательных систем, полученных при обработке различных технологических сред, при использовании рабочих инструментов с различной площадью поверхности излучения, при широком диапазоне энергетического воздействия.

Вторая часть главы посвящена обработке и получению вторичных данных (зависимость резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы, тока ее механической ветви, электрической добротности, импеданса от напряжения на пьезокерамических элементах ультразвуковой колебательной системы), их обработке, визуализации и проведению сравнительного анализа. На рисунке 4 представлены зависимости амплитуды тока механической ветви УЗКС от напряжения на ее пьезокерамических элементах, полученные при обработке жидких сред с использованием рабочих инструментов с различной площадью излучения.

Вода Воздух Ацетон Масло

Вода Воздух Ацетон Масло

200 4СС

Напряжение В

500 1000

Напряжение, В

а)

а) площадь излучения 8И]П ,7 см2;

б)

б) площадь излучения =3,2 см2;

Рисунок 4 - Зависимость амплитуды юка механической ветви при резонансе от напряжения питания колебательной системы

Подобные зависимости получены также для инструментов с площадью поверхности излучения 5,37см2, 11см2, 18см2.

На рисунке 5 представлены зависимости резонансной частоты колебательной системы, полученные при обработке технологических сред, от напряжения на ее пьезокерамических элементах

-•-Воздух —Вода -•-Масло —Ацетон

500 1000

Напряжение, В

Рисунок 5 - Зависимость резонансной частоты от напряжения питания УЗКС с рабочим инструментом диаметром 25мм

Кривые иллюстрируют изменение резонансной частоты по мере развития кавитации в обрабатываемых средах. Подобные зависимости были так же получены для других рабочих инструментов, используемых при проведении экспериментов.

Обработка и анализ экспериментальных данных позволили установить следующее:

- при ультразвуковом воздействии на жидкие среды, по мере увеличения вводимой мощности УЗ колебаний (увеличении напряжения на пьезокерамических элементах ультразвуковой колебательной), происходит изменение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы;

- скорость изменения резонансной частоты колебательной системы, при изменении напряжения на ее пьезокерамических элементах определяется свойствами технологических сред (рисунок 5);

-при ультразвуковой обработке различных технологических сред с использованием рабочих инструментов с развитой излучающей поверхностью, происходит существенное изменение входного электрического импеданса, резонансной частоты, электрической добротности ультразвуковой колебательной системы С уменьшением площади излучающей поверхности уменьшается влияние свойств обрабатываемых технологических сред на параметры колебательных систем и электронных генераторов;

- электрический входной импеданс ультразвуковой колебательной системы индивидуален для каждой озвучиваемой среды. По мере развития кавитации в конкретной жидкой среле электрический импеданс остается неизменным (рисунок 4);

- добротность ультразвуковой колебательной системы изменяется по мере увеличения напряжения на ее пьезокерамических элементах.

В результате проведенных экспериментальных исследований влияния свойств обрабатываемых технологических сред на электрические параметры колебательных систем были определены диапазоны их возможного изменения, а анализ полученных результатов позволил сформулировать следующие выводы.

Для повышения эффективности технологических процессов в жидких средах необходимо непрерывно осуществлять перестройку электрических параметров ультразвуковых электронных генераторов (амплитуда и частота выходного напряжения) в соответствии с изменениями электрических параметров ультразвуковых колебательных систем (ток механической ветви, резонансная частота, электрическая добротность, входной электрический импеданс), обусловленными изменениями свойств обрабатываемых технологических сред.

Увеличение вводимой в технологические среды энергии УЗ колебаний, за счет увеличения излучающей поверхности рабочих инструментов грибовидной формы, усиливает взаимосвязь параметров обрабатываемых сред с электрическими параметрами ультразвуковых колебательных систем и расширяет диапазоны необходимой перестройки параметров электронных генераторов.

При реализации режима развитой кавитации в обрабатываемых средах уменьшается влияние реактивной эквивалентной массы присоединенного объема жидкой среды, что приводит к изменению резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы и обуславливает необходимость настройки частоты электронного генератора в соответствии с изменением резонансной частоты

ультразвуковой колебательной системы. Это изменение резонансной частоты колебательной системы характеризует степень развития кавитации в обрабатываемой технологической среде и может быть использовано в качестве критерия реализации кавитационного режима для систем автоматической настройки на оптимальный режим УЗ воздействия при изменении свойств технологических сред.

Четвертая глава посвящена практической реализации ультразвуковых технологических аппаратов с учетом сформулированных требований к оптимальным режимам их работы и оптимального воздействия на жидкие среды.

Первая часть главы посвящена разработке методики расчета основных параметров ультразвуковых технологических аппаратов, которая позволяет определить энергетические характеристики ультразвуковых генераторов, необходимые для реализации режима развитой кавитации с учетом, как свойств обрабатываемых сред, так и условий протекания процесса

Кроме того, методика позволяет определя гь диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковых колебательных систем при работе ультразвуковых аппаратов в различных режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации), что является необходимым для проектирования систем автоматической подстройки частоты электронных ультразвуковых генераторов

Вторая часть главы посвящена разработке отдельных улов и элементов УЗ генераторов с учетом сформулированных новых требований, предъявляемых к ним и необходимости обеспечения оптимальных режимов ультразвукового воздействия при реализации УЗ т ехнологических процессов в жидких средах.

Для практической реализации УЗ аппаратов предложены и разработаны узлы систем автоматической подефойки частоты, систем контроля амплитуды механических колебаний ультразвуковых электронных генераторов.

Предложено и реализовано устройство выделения сигнала, АЧХ и ФЧХ которого соответствуют АЧХ и ФЧХ тока механической ветви. Принцип его действия основан на использовании свойств дифференциальной схемы, обеспечивающей вычитание из мгновенного значения полного тока, емкостного тока ультразвуковой колебательной системы. Этот узел позволяет выделять из тока, потребляемого колебательной системой от электронного генератора, электрический сигнал, параметры которого (частота, амплитуда, фаза) свободны от влияния изменяющегося реактивного тока, протекающего по пьезокерамическим элементам ультразвуковой колебательной системы, и соответствуют параметрам колебательной скорости ультразвуковой колебательной системы

Предложен способ и разработана система регулировки мощности УЗ генераторов, обладающая следующими особенностями: - возможностью плавного включения электронного генератора от нуля до требуемой мощности в пределах всего диапазона; - возможностью оперативной, ручной регулировки мощности в процессе эксплуатации УЗ технологических аппаратов; - возможностью использования в системах автоматической регулировки и стабилизации мощности. Третья часть главы посвящена созданию аппаратов и исследованию

особенностей их применения. Разработанные принципиальные схемные решения, способы и алгоритмы управления работой ультразвуковых электронных генераторов были практически реализованы в ультразвуковых аппаратах, предназначенных для реализации технологических процессы в жидких средах. Большая часть разработанных узлов, элементов и способов управления работой УЗ аппаратов защищена патентами РФ.

Четвертая часть главы посвящена исследованию функциональных возможностей созданных ультразвуковых аппаратов.

Представлены экспериментальные данные, полученные в результате исследования работы электронных генераторов при обработке технологических сред с изменяющимися свойствами на примере процесса получения в ультразвуковом поле 25% - го водного раствора ИаС1. Экспериментальные данные иллюстрируют кинетику процесса и подтверждают возможность использования зависимости электрических параметров ультразвуковых колебательных систем от свойств обрабатываемых сред для контроля протекания стадий процесса.

Кроме того, представлены экспериментальные результаты (рисунок 6), полученные в результате исследования скорости диспергирования прессованных тестовых образцов (таблеток фурацилина) в водной среде, полученные при различных интенсивностях ультразвуковой волны, а также при работе ультразвукового аппарата с системой автоматической настройки на режим развитой кавитации.

Рисунок 6 - Зависимости времени растворения тестовых образцов и резонансной частоты колебательной системы от интенсивности ультразвука

Полученные результаты подтвердили функциональность найденного критерия настройки ультразвуковых технологических аппаратов на режим развитой кавитации (прекращение роста резонансной частоты колебательной системы соответствует режиму развитой кавитации, что определяет максимальную скорость растворения тестовых образцов).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведения исследовательской работы получены следующие результаты:

- обоснована возможность повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры Для интенсификации процессов химических

технолсиий, протекающих в жидких средах за счет введения нового критерия настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковой колебательной системы, обеспечения возможности контроля импеданса излучению обрабатываемыми технологическими средами, введения критерия настройки ультразвукового аппарата на режим развитой кавитации, позволяющего поддерживать оптимальный режим УЗ воздействия при изменении свойств обрабатываемых технологических сред;

- разработана модель, описывающая свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию и позволяющая определять волновое сопротивление технологических сред в зависимости от величины звукового ; давления и свойств обрабатываемых сред;

- экспериментально исследовано влияние обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную ^ частоту, добротность, входное сопротивление, импеданс) и электронных генераторов и установлены диапазоны необходимой перестройки параметров электронных генераторов при обработке различных технологических сред;

- предложена и разработана методика определения основных параметров УЗ технологических аппаратов, позволяющая осуществлять выбор, необходимой и достаточной для реализации в жидких средах режима развитой кавитации, акустической и электрической мощности, а также определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе д..II.ф,-.ет;и-,шогл аппарата в различных режимах (докавитапионный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации)- разработана серия ультразвуковых технологических аппаратов для

интенсификации различных технологических процессов на основе предложенного метода определения импеданса излучению обрубашпаемыми средами, критерия оптимальной работы ультразвуковых аппаратов и списооа определения режима развитой кавитации;

-исследованы особенности применения разработанных ультразвуковых технологических аппаратов различной мощности, обеспечивающих повышение эффективности ультразвукового воздействия на жидкие среды.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ск - скорость звука в кавитирующей среде, м'с; сж- скорость звука в капельной жидкости, м/с, /- частота ультразвука, Гц; И - толщина, присоединенного к »

излучающей поверхности, слоя жидкости, м; к, К - индекс кавитации и средний индекс кавитации, электрический эквивалент массы обрабатываемой среды, Н; 4

N - количество кавитационных пузырьков; Р0 - гидростатическое давление, Па; Рм -давление звуковой волны, Па; Рп -давление насыщенных паров, Па; Я - радиус пузырька, м; ^ - радиус кавитационного зародыша, м; Ктх - радиус резонансного пузырька, м; - площадь поверхности излучения, м2; / - время, сек; V - объем

жидкости, м3; УСФ - объем жидкости заключенной в сфере, мч; Л V - объем кавитационных пузырьков, м3; АУСф - объем единичного сферического пузырька, м3

Рг - сжимаемость парогазовой смеси, Па"1; рж - сжимаемость капельной жидкости, Па"1; у - показатель политропы; рг - плотность парогазовой среды, кг/м3; рж - плотность капельной жидкости, кг/м3; рк - плотность кавитирующей среды, кг/м3; с - коэффициент поверхностного натяжение жидкости, Н/м; со - угловая частота, рад/с.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пат. №2141386 РФ, МПК7 6 В 06 В 3/00. Ультразвуковая колебательная система / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

№ 97120873/28; заявл. 15.12.97; опубл. 20.11.99, Бюл. №20. - 3 е.: ил.

2. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Развитие ультразвуковых технологий, разработка исследование многофункциональных и специализированных ультразвуковых аппаратов // Ползуновский альманах. -Барнаул: АлтГТУ. - 2000. - №3. - С. 193-200.

3. Khmelev V.N., Barsukov R.V., Shalunov A.V., Slivin A.N, Tchyganok S.N. The System of Checking and Operating Power of Ultrasonic Technological Apparatus // Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials FDM'2001 • Workshop Proceedings. - Novosibirsk' NSTU, 2001 - P.54-55.

4. Khmelev V.N., Barsukov R.V., Shvrn A.N., Ichyganok b.N System of Phase -Locked Loop Frequency Control of Ultrasonic Generators // Siberian Russian Student Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2001: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2001. - P.56-57.

5. Хмелев B.H., Барсуков P.B., Князев A.H., Шалунов А.В. Измерение параметров технологических сред, подвергаемых воздействию ультразвуковых колебаний высокой интенсивности // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях: межвузовский сборник. - Бийск: АлтГТУ, 2001. - С.262-267.

6. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н., Шалунов А В. Способ повышения качества работы систем ФАПЧ электронных ультразвуковых технологических аппаратов // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях- межвузовский сборник. - Бийск: АлтГТУ, 2002. - С. 178-184.

7 Khmelev V.N, Barsukov R.V, Chipurin E.V, Savin I.I, Slivin A.N., Tchyganok S.N. Development of Compact Multipurpose Ultrasonic Technological Device // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2003' Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2003. - P.217-221.

8 Khmelev V.N, Barsukov R.V, Levin S.V, Slivin A.N, Tchyganok S.N, Automation of Advanced Cavitation Mode Obtaining Process in Liquid Mediums // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2003: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2003. - P.222-226.

9. Пат. № 2224649 РФ, МПК7 В 29 В 15/10, С 08 J 7/18, В 05 С 3/12. Устройство ультразвуковой пропитки / Хмелев В.Н, Барсуков Р.В, Сливин А.Н,

Хмелев М.В., Цыганок С.Н.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». - № 2003104729; заявл. 17.02.03; опубл. 27.02.04, Бюл. №6. - 1с.: ил.

10. Khmelev V.N., Barsukov R V., Lebedev A.N., Tchyganok S.N. System Automatic Measurement Acoustic Power of Ultrasonic Plants // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2004: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2004. - P.205 - 206.

11. Khmelev V.N., Barsukov R.V., Savin I.I., Tchyganok S.N. Problems of Electrical Matching of Electronic Ultrasound Frequency Generators and Electroacoustical Transducers for Ultrasound Technological Installations // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2004: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2004 P.211-215.

12. Хмелев B.H., Барсуков P.B., Леонов Г.В., Цыганок С.Н. Развитие научных основ повышения эффективности ультразвуковых технологий, разработка и организация производства ультразвуковых аппаратов для удовлетворения потребностей производств, медицинских учреждений и сельского хозяйства // Альманах «Бийский вестник» - Бийск: ВЦ БТИ АлтГТУ. -2004. - №4. - С.49-62.

13. Пат № 2240073 Российская Федерация, МПК7 А 61 В 18/00 17/32 Способ управления процессом ультразвуковой липосакции / Хмелев В.Н, Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С Н., Шалунов А.В.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». №2003107030, заявл. 13.03.03; опубл. 20.11.04, Бюл №32.-2с.: ил.

14. Пат. № 22243039 РФ, МПК7 В 08 В 3/12. Устройство ультразвуковой очистки автомобильных инжекторов / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин A.1I., Хмелев М.В., Цыганок С.Н.; ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им ИИ Ползунова» -№ 2003104703; заявл. 17.02 03; опубл. 27.12.04, Бюл. №36. - Зс.. ил.

í

i

4.

1

■í

Подписано в печать 22.09.2005 г. Печать - ризография. Заказ 2005 - 58 Объем 1,41 п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИВЦ БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

РНБ Русский фонд

2006-4 13390

Введение.

1 Анализ состояния ультразвуковой техники и технологий.

1.1 Анализ физических эффектов, обуславливающих интенсификацию технологических процессов в жидких средах.

1.2 Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях.

1.2.1 Ультразвуковое эмульгирование и получение суспензий.

1.2.2 Экстракционные процессы.

1.2.3 Ультразвуковое диспергирование.

1.3 Ультразвуковые аппараты для интенсификации химико-технологических процессов, протекающих в жидких средах.

1.3.1 Общие сведения об ультразвуковых технологических аппаратах

1.3.2 Ультразвуковые технологические аппараты химических производств.

1.3.3 Структура ультразвукового технологического аппарата. Требования к ультразвуковым аппаратам.

1.3.4 Анализ недостатков ультразвуковых аппаратов химических технологий.

2 Теоретическое исследование ультразвуковых технологических аппаратов с целью выявления причин, снижающих эффективность их работы.

2.1 Характеристики обрабатываемых сред в технологических процессах.

2.2 Механический импеданс колебательной системы.

2.3 Эквивалентная электрическая схема ультразвуковой колебательной системы.

2.3.1 Выявление параметров модели, чувствительных к изменению свойств жидких сред подвергаемых воздействию ультразвуковой энергии.

2.3.2 Выявление причин снижающих точность настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковых колебательных систем.

2.3.3 Выявление причин снижающих точность косвенной оценки амплитуды механических колебаний ультразвуковых колебательных систем.

3 Исследование влияния свойств обрабатываемых технологических сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов.

3.1 Разработка измерительного стенда для исследования влияния свойств обрабатываемых сред на электрические параметры колебательных систем.

3.2 Выбор оборудования и материалов для проведения экспериментальных исследований.

3.3 Методика проведения экспериментов.

3.4 Исследование влияния свойств сред на частотные характеристики электрических параметров колебательных систем.

3.4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния свойств сред на параметры ультразвуковых колебательных систем.

3.4.2 Исследование влияния свойств жидких сред при излучении ультразвуковых колебаний через цилиндрические рабочие инструменты.

3.4.3 Исследование влияния свойств сред при излучении ультразвуковых колебаний через грибовидные рабочие инструменты диаметром 25, 30, 40 и 50 мм.

4 Разработка методов проектирования узлов ультразвуковых аппаратов и излучателей.

4.1 Методика определения основных параметров ультразвуковых генераторов.

4.2 Разработка узлов и элементов систем автоматической подстройки частоты и систем контроля амплитуды механических колебаний.

4.2.1 Разработка устройства выделения сигнала, пропорционального величине амплитуды механических колебаний.

4.2.2 Разработка устройства выделения сигнала с частотными характеристиками колебательной скорости ультразвуковой колебательной системы.

4.2.3 Обеспечения режима регулирования энергетического воздействия при реализации ультразвуковых технологических процессов.

4.3 Разработка электронных генераторов для реализации различных технологических процессов.

4.4 Анализ работы ультразвуковых аппаратов при обработке технологических сред с изменяющимися свойствами.

4.5 Исследование эффективности разработанных ультразвуковых аппаратов при реализации процесса диспергирования.

Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности является перспективным и прогрессивным направлением в развитии химических производств. Ультразвук оказывает влияние на все известные процессы химических производств. Это воздействие может носить различный характер:

- стимулирующий, в тех случаях, когда ультразвуковые колебания являются движущей силой процесса (например, при реализации звукохимических реакций, акустическом диспергировании и удалении отложений с теплообменных поверхностей);

- интенсифицирующий, в тех случаях, когда колебания лишь увеличивают скорость процесса (например, при акустическом растворении, эмульгировании, экстрагировании, дегазации);

- оптимизирующий, в тех случаях, когда акустические колебания упорядочивают течение процесса (например, при стимуляции роста бактерий, кристаллизации, акустической грануляции и акустическом центрифугировании, мелкодисперсном распылении).

Повышение эффективности химических производств путем применения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности может быть обеспечено только за счет совершенствования существующих и создания новых технологических аппаратов, способных обеспечить максимально эффективное ультразвуковое воздействие на различные технологические среды.

К сожалению, используемые в настоящее время на химических производствах ультразвуковые аппараты, не обеспечивают автоматической оптимизации УЗ воздействия при изменении свойств технологических сред и не учитывают влияния этих сред и происходящих в них изменений на работу аппаратов. Это обусловлено отсутствием в используемых аппаратах систем, обеспечивающих изменение режимов работы электронного генератора при всех возможных статических и динамических явлениях, происходящих в обрабатываемых технологических средах.

В связи с этим, необходимость повышения эффективности химических производств и отсутствие пригодного для этого оборудования свидетельствуют об актуальности задачи дальнейшего совершенствования УЗ технологических аппаратов.

Цель работы - повышение эффективности ультразвуковых технологических процессов за счет создания ультразвуковых технологических аппаратов, построенных по новым конструктивным и принципиальным схемам, способных обеспечивать максимально эффективное воздействие на различные технологические процессы при минимальных энергетических затратах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать возможность повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах.

2. Разработать модель, описывающую свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию и позволяющую определять волновое сопротивление технологических сред в зависимости от величины звукового давления и свойств обрабатываемой среды.

3. Экспериментально исследовать влияние обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную частоту, добротность, входное сопротивление, импеданс) и электронных генераторов для установления диапазонов необходимой перестройки параметров электронных генераторов при обработке различных технологических сред.

4. Предложить и разработать методику определения основных параметров УЗ технологических аппаратов, позволяющую осуществлять выбор, необходимой и достаточной для реализации в жидких технологических средах режима развитой кавитации, акустической и электрической мощности, а также определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации).

5. Разработать серию ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации различных технологических процессов.

6. Исследовать особенности использования разработанных ультразвуковых технологических аппаратов различной мощности, обеспечивающих повышение эффективности ультразвукового воздействия на различные жидкие среды.

Работа является продолжением исследований, проводимых в «Лаборатории акустических процессов и аппаратов» Бийского технологического института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность коллективу лаборатории, а также Хмелеву Владимиру Николаевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.

Заключение

В результате проведения исследовательской работы получены следующие результаты:

1. Показана возможность повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах за счет:

- введения нового критерия настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковой колебательной системы;

- возможности контроля импеданса излучению обрабатываемыми технологическими средами;

- введения критерия настройки ультразвукового аппарата на режим развитой кавитации, позволяющего поддерживать режим развитой кавитации при изменении свойств обрабатываемых технологических сред;

2. Разработана модель, описывающая свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию. Модель позволяет выполнять расчет волнового сопротивления технологических сред в зависимости от величины звукового давления и свойств обрабатываемой среды.

3. Экспериментально исследовано влияние обрабатываемых сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную частоту, добротность, входное сопротивление, импеданс) и электронных генераторов. Установлены диапазоны необходимой перестройки параметров электронных генераторов при работе в жидких средах, различных режимах работы.

4. Предложена методика определения основных параметров УЗ технологических аппаратов. Методика позволяет осуществлять расчет акустической и электрической мощности электронного генератора, необходимой и достаточной для реализации в жидкой технологической среде режима развитой кавитации. Методика так же позволяет определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации), что является важным при проектировании систем автоматической подстройки частоты электронных ультразвуковых генераторов.

5. Предложенные метод определения импеданса излучению обрабатываемыми средами, критерий оптимальной работы ультразвуковых аппаратов и способ определения режима развитой кавитации позволили разработать серию ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации различных технологических процессов.

6. Исследованы особенности применения разработанных ультразвуковых технологических аппаратов различной мощности, обеспечивающих ультразвуковое воздействие на различные жидкие среды.

1. Применение ультразвука в промышленности / Под ред. А.И. Маркова. -М.: Машиностроение, 1975. 366 с.

2. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. -М.: Наука, 1970. 688 с.

3. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А. Аграната. М.: Металлургия, 1974. - 505 с.'

4. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Яхимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд. АН СССР, 1962. — 274 с.

5. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. — Барнаул: АлтГТУ, 1997. 160 с.

6. Ботаки А.А., Ульянов В.Л., Шаро А.В. Ультразвуковой контроль. -М.: Машиностроение, 1983. 196 с.

7. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М.: Гос. изд. физ-мат. лит., 1963. - 206 с.

8. Физика и техника мощного ультразвука / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. - 270 с.

9. Носов В.А. Ультразвук в химической промышленности. Киев: Наука, 1963.- 156 с.

10. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Л.: Машиностроение, 1988.-288 с.

11. Уразовский С.С., Полоцкий И.Г. О диспергировании ультразвуком // Коллоидный журнал. 1940. -№9. - С. 350-356.

12. Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968.-266 с.

13. Фридман В.М. Физико-химическое действие ультразвука на гетерогенные процессы жидкостной обработки материалов // Применение ультразвука в химико-технологических процессах. М.:Наука, 1960. - 280 с.

14. Заяс Ю.Ф. Интенсификация технологических процессов при помощи ультразвука // Пищевая промышленность. М.: ЦИНТИпищепром, 1960.-№3.-С. 21-28.

15. Дьяченко П.Е., Мизрохи Ю.Н., Аверьянова В.Г. Некоторые вопросы ультразвуковой обработки // Применение ультразвука в промышленности. — М.:Наука, 1959.-С. 139-143.

16. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. — JL: Машиностроение, 1988. 314 с.

17. Лубе В.М. Опыт промышленных исследований низкочастотных упругих колебаний для получения эмульсии для сахарного печенья // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. М.: ЦИНТИпищепром, 1967. - №2. - С.23-24.

18. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов // Пищевая промышленность. М.: ЦИНТИпищепром, 1974. -№13.-С. 38-41.

19. Попов К.И. Получение маргариновых эмульсий ультразвуком // Маслобойно-жировое дело. М.: ЦИНТИпищепром, 1936. - №6. - С.397-399.

20. Твердохлеб Т.Г. Эмульгирование молочного жира ультразвуком // Молочная промышленность. М.: ЦИНТИпищепром, 1958. - Т.З. - С. 30-34.

21. Rajagapal E.S. Partacle size distributions in ultrasonic emulsification // Proc. Ind. Acad. Sci. 1957. - V. 17. - №4. - P. 333-339.

22. Китайгородский Ю.И., Яхимович Д.Ф. Инженерный расчет ультразвуковых колебательных систем. М.: Машиностроение, 1982. — 56 с.

23. Khmelev V.N., Barsukov R.V., Tchyganok S.N. Ultrasonic Installation for Regeneration of Cutting Emulsion // Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2004: Workshop Proceedings. -Novosibirsk: NSTU, 2004. -P.194-196.

24. Хмелев B.H., Барсуков P.B., Цыганок C.H. Ультразвуковая установка для регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: материалы 4-ой

25. Всероссийской научно-практической конференции. Бийск: АлтГТУ, 2004. - С.173-178.

26. Sollner К. Experiements to demonstrate vavitation caused by ultrasonic waves//Trans. Faraday Soc., 1936.- P.1537-1540.

27. Соловьева Л.П. Диспергирование металлов и жидкостей под влиянием ультразвукового поля // Коллоидный журнал. — 1939. Т.5. — №4. — С. 289-291.

28. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия, 1983. - 192 с.

29. Молчанов Г.И., Лубе В.М. Получение лекарственных форм ультразвуком в аптечных условиях // Материалы третьего Всероссийского съезда фармацевтов. М.: Наука, 1975. - С. 136-137.

30. Брух М.М., Казарновский Л.С., Каравай Н.Я. Получение лекарственных препаратов из растительного сырья под действием ультразвука // Ультразвук в физиологии и медицине. М.: Наука, 1972. -Т.1.-С.115-116.

31. Литвинова Т.П., Шилов Г.Г., Севастьянов Б.А. Использование ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов экстракции лекарственного животного сырья // Современные аспекты исследований в области фармации. Л.: Химия, 1977. - С.96-97.

32. Пономарев В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья. М.: Медицина, 1976. - 160 с.

33. Аксельруд Г.А., Лысянский В.М. Экстрагирование (система твердое тело жидкость). - Л.: Химия, 1974. - 180 с.

34. Вайсман Г.А., Гуревич М.И., Сквирская Е.С. Применение ультразвука для получения настоек и экстрактов из растительного сырья // Аптечное дело. 1962. - №6. - С.17-21.

35. Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. Л.: Химия, 1983. - 410 с.

36. Гончаренко Г.К. Экстракция лекарственных веществ израстительного сырья. -М.: Наука, 1972. 120 с.

37. Кортнев А.В. Термодинамические и статистические методы исследования ультразвуковой кавитации: Диссертация д-ра техн. наук: ГПС-528; -: Защищена 25.03.1969; Утв. 3.02.69; 04820016743. Одесса, 1969. -314 с .: ил-Библиогр.: с. 100-109.

38. Кардашов Г.А., Михайлов П.Е. Тепломассобменные акустические процессы и аппараты. М.: Машиностроение, 1973. - 223 с.

39. Багдасаров Х.С. Применения ультразвука для диспергирования // Кристаллография.-М.: Наука, 1958.-Т.З. С.110-111.

40. Кубанский П.Н. Коагулирующее действие акустических течений // ЖТФ. 1954. - №6. - С. 350 - 357.

41. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. -М.: Химия, 1986.-300 с.

42. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. — М.: Энергия, 1974. 260 с.

43. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Развитие ультразвуковых технологий, разработка исследование многофункциональных и специализированных ультразвуковых аппаратов // Ползуновский альманах. Барнаул: АлтГТУ. - 2000. - №3. - С. 193-200.

44. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин: А.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковой интенсификатор пропитки // Материалы и технологии XXI века: тезисы докладов I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. М.: ЦЭИ «Химмаш», 2000. - С.224-227.

45. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура. М.: Машиностроение, 1967. -300 с.

46. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980. - 44 с.

47. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. — М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1959.-331 с.

48. Казанцев В.Ф. Ультразвуковые преобразователи для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980. — 60 с.

49. Электронный фитомиксер (Многофункциональный ультразвуковой аппарат): Инструкция по эксплуатации. -Бийск: Алтаймедприбор, 1995.-15 с.

50. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковая колебательная система // Материалы и технологии XX I века: тезисы докладов I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. -М.: ЦЭИ «Химмаш», 2000. С.230-232.

51. ГОСТ 9865-76. Установки ультразвуковые. Ряд номинальных электрических мощностей. Введ. 1977-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1976.-II, 5 с.

52. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Аппарат для ультразвуковой липосакции // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях: межвузовский сборник. Бийск: АлтГТУ, 2002. - С.196-202.

53. Ультразвук. Малая энциклопедия. М.: Гостехиздат , 1979. - 400 с.

54. Физические основы ультразвуковой технологии: сборник работ. — М.: Изд-во АН СССР, 1969.-688с.

55. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. - 800 с.

56. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987. — 467 с.

57. Баранов Д.А., Вязьмин А.В., Гухман А.А. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Логос, 2001. - Т.1. - 254с.

58. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. Л.: Энергоиздат, 1982. - 276 с.

59. Ультразвуковые технологии и оборудование. «Александра-Плюс». - Режим доступа: http://www.alexplus.ru/.

60. Всероссийский Научно-исследовательский институт токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (ВНИИ ТВЧ). Режим доступа: http://vniitvch.spb.ru//.

61. Разработка и выпуск УЗ оборудования. ООО «Ультразвуковая техника - ИНЛАБ». - Режим доступа: http://www.itinlab,ru/.

62. Ультразвуковое оборудование. ПКФ ООО «Сапфир». - Режим доступа: http://www.sapphire.ru/.

63. Ultrasound company. BANDELIN electronic GmbH & Co. - Режим доступа: http://www.bandelin.com/.

64. Ultrasound Technology. Hielscher Gmbh. - Режим доступа: https://www.hielscher.com/.

65. Active ULTRASONICS. Innovative & Unique Ultrasonic Solutions. -Режим доступа: http://activeultrasonics.com/.

66. Пьезокерамические преобразователи. Методы измерения и расчета параметров: Справочник / Под ред. С.И. Пугачева. Л.: Судостроение, 1984.-226 с.

67. ГОСТ 12.1.002-84. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. -М.: Изд-во стандартов, 1984. 10 с.

68. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Шутов В.В. Измеритель параметров ультразвуковых колебательных систем // Общие проблемы естественных и точных наук: региональный аспект: межвузовский сборник научных статей. Бийск: НИЦБиГПИ, 1998. - с.87-91.

69. Holtingk E. A., Neppiras E.A. Cavitation produced by ultrasonics. -Proc.Phys. Soc., 1051.-200 p.

70. Flynn H. G. Physics of acoustic cavitation in liquids // Физическая акустика. М.:Мир, 1967. - 400 с.

71. Воротникова М. И., Солоухин Р. И. Расчет пульсаций газовых пузырьков в несжимаемой жидкости под действием периодически изменяющегося давления // Акустический журнал. 1964. - №10. - С.34-36.

72. Minnaret М. On musical air-bubbles and the sounds of running water // Philos. Mag. 1933. - Y. 16. - p.235-240.

73. Гутин Л.Я. Пьезокерамические излучатели и приемники // ЖТФ.1945.-№5.-c.17-21.

74. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979. -250 с.

75. Физические величины. Справочник /Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

76. Келлер O.K., Кротыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковаяочистка. JI.: Машиностроение, 1977. -325 с.

77. Семенкин С.А. Ультразвуковая очистка // Сборник статей центрального института научно-технической информации электротехнической промышленности и приборостроения. М.: ЦИНТИЭЛЕКТРОПРОМ, 1964. - с.230-233.