автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности химико-технологических процессов в гетерогенных системах методами высокоинтенсивных ультразвуковых воздействий

На правах рукописи

Шалунов Андрей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ МЕТОДАМИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Бийск —2013

г 1 МАР 2013

005050906

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (БТИ АлтГТУ)

Научный консультант: Хмелев Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Овчаренко Александр Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, БТИ АлтГТУ, заведующий кафедрой производственной безопасности и управления качеством

Веригин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), заведующий кафедрой машин и аппаратов химических производств

Бакин Игорь Алексеевич, доктор технических наук, доцент, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, профессор кафедры процессов и аппаратов пищевых производств

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук» (ИПХЭТ СО РАН)

Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 11Ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

Автореферат разослан «12» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шалунов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди процессов химических технологий, протекающих в гетерогенных системах, особое значение имеют процессы образования и разделения газодисперсных систем. Так, перевод жидкости в дисперсное состояние является наиболее эффективным способом увеличения поверхности межфазного взаимодействия для получения новых материалов. Процессы разделения газодисперсных систем являются основой технологических систем газоочистки, выделения наноразмерных материалов, разрушения пен для исключения потерь производимого продукта, сушки материалов - заключительной стадии большинства технологических процессов, определяющей качество конечного продукта.

Применение ультразвуковых (УЗ) колебаний, передаваемых в гетерогенные системы для интенсифицирующего воздействия на различные технологические процессы, обеспечивает не только значительное ускорение этих процессов, увеличение выхода производимого продукта, но и придает уникальные особенности получаемым продуктам.

Известно, что УЗ воздействие на тонкий слой жидкости обеспечивает мелкодисперсное и монодисперсное распыление, формирование факела распыления заданной формы, исключает необходимость в распыливающем агенте, позволяет распылять высоковязкие жидкости без использования растворителей.

Коагуляция газодисперсных систем при УЗ воздействии обеспечивает укрупнение и ускоренное осаждение дисперсных частиц различного происхождения и дисперсности, применяется во взрывоопасных и агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях. Основное достоинство сушки с применением интенсифицирующего ультразвукового воздействия заключается в обеспечении качественной (без разрушения структуры) сушки при низких температурах или без существенного повышения температуры при сушке горючих, взрывоопасных и легкоокисляемых материалов. Разрушение пен УЗ колебаниями позволяет исключить нарушение стерильности конечного продукта, возможность воспламенения специальных жидкостей, не требует применения дополнительных расходных материалов (в сравнении с химическими способами).

Однако, несмотря на указанные преимущества, процессы распыления, коагуляции, сушки и разрушения пен, основанные на интенсифицирующем УЗ воздействии, не нашли повсеместного распространения в промышленности.

Причина заключается в том, что нет специализированного оборудования, способного обеспечить максимальную эффективность (т.е. скорость протекания процесса и/или качество конечного продукта) процессов. Это обусловлено:

- отсутствием теоретических и экспериментальных исследований, способных предоставить достоверные данные, объясняющие механизмы протекания рассматриваемых процессов под действием УЗ колебаний высокой интенсивности с учетом различных влияющих факторов, и позволяющих определить необходимые и достаточные режимы и условия воздействия (уровень звукового давления, частоту, время воздействия, размеры областей воздействия, толщины распыляемых слоев);

- недостаточной эффективностью излучателей, предназначенных для распыления жидкостей различной вязкости с заданной дисперсностью и произво-

дительностью при условии формирования факела распыления заданной формы, отсутствием высокочастотных распылителей вязких жидкостей;

— несовершенством излучателей для формирования УЗ колебаний высокой интенсивности в газовых и газодисперсных средах, отсутствием исследований их технических характеристик и возможностей применительно к реализации, процессов коагуляции, сушки и разрушения пен.

Таким образом, задача теоретического и экспериментального определения оптимальных режимов и условий УЗ воздействия и создания технологического оборудования, обеспечивающего повышение эффективности химико-технологических процессов в гетерогенных системах методами высокоинтенсивных УЗ воздействий, является актуальной.

Диссертационная работа выполнена в рамках двух Грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук: МК-383.2008.8 «Разработка и исследование новых технологий генерации и коагуляции мелкодисперсных аэрозолей ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности для получения перспективных материалов и подавления вредных техногенных выбросов» и МК-369.2011.8 «Разработка и исследование мелкодисперсных распылителей вязких жидкостей на основе новых физических принципов многократного поверхностного и высокочастотного ультразвукового воздействия»; двух Государственных контрактов: № 02.515.11.5100 «Разработка и испытания экспериментального образца установки электрофизического воздействия на природные и техногенные воздушно-капельные дисперсии» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (ответственный исполнитель) и № П2518 «Разработка и создание высокоэффективных электроакустических преобразователей для интенсификации процессов в газовых средах» в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» {руководитель работы); при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 9278р/15064 и 11094р/15064 «Разработка и организация производства серии ультразвуковых мелкодисперсных распылителей для оснащения высокотехнологичных отраслей промышленности» {руководитель работ)-, НИОКР - регистрационный номер № 01.02.0509063 {ответственный исполнитель) и ряда хоздоговорных НИР.

Цель работы - создание специализированного УЗ оборудования для повышения эффективности химико-технологических процессов в гетерогенных системах за счет реализации оптимальных режимов и условий УЗ воздействия, выявленных в результате математического моделирования и экспериментального исследования влияния на процессы не изученных ранее факторов.

Задачи исследований:

1. Выявить причины, ограничивающие эффективность процессов, происходящих при формировании и распространении УЗ колебаний в газодисперсных системах, на примерах наиболее представительных технологических процессов распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, сушки и разрушения пен.

2. Установить основные закономерности процессов, происходящих на границе раздела жидкость-газовая среда при воздействии УЗ колебаниями высокой интенсивности, методами математического моделирования с учетом не изученных ранее влияющих факторов, выявить режимы и условия УЗ воздействия, способные обеспечить формирование капель жидкости с заданными размерами и производительностью.

3. Исследовать методами математического моделирования физические явления, происходящие в газовых средах с дисперсными частицами под действием акустических колебаний высокой интенсивности расширенного частотного диапазона для выявления режимов воздействия (по частоте и уровню звукового давления), способных обеспечить максимальное повышение эффективности процесса коагуляции.

4. Разработать колебательные системы ультразвуковых аппаратов для воздействия на химико-технологические процессы в гетерогенных системах способные обеспечить ультразвуковое воздействие (по частоте и уровню звукового давления) в теоретически выявленных оптимальных режимах.

5. Экспериментально подтвердить возможность повышения эффективности процессов распыления жидкостей, коагуляции дисперсных частиц сушки и разрушения пен при помощи разработанных УЗ колебательных систем.

6. Предложить способы УЗ воздействия, обеспечивающие повышение эффективности процессов, протекающих в гетерогенных системах, за счет установления теоретически выявленных оптимальных режимов УЗ воздействия

7."Разработать практические конструкции УЗ оборудования, способного обеспечивать повышение эффективности химико-технологических процессов за счет воздействия в выявленных оптимальных режимах на примере процессов распыления жидкостей, коагуляции газодисперсных систем, сушки капиллярно-пористых материалов и разрушения пен.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются процессы распыления, коагуляции, разрушения пены и сушки материалов, протекающие в гетерогенных системах под воздействием ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. 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:

1. Предложена математическая модель процесса ультразвукового кавита-ционного распыления, основанная на учете взаимодействия ударных волн, образующихся при захлопывании кавитационных пузырьков со свободной' поверхностью жидкости, позволившая впервые установить значения частоты и амплитуды УЗ воздействия, необходимые для формирования капель жидкости с требуемыми характеристиками по дисперсности и производительности.

2. Разработаны новые критерии формирования управляющих воздействий для автоматического установления и поддержания требуемой амплитуды колебании распылительной поверхности для обеспечения заданной производительности распыления.

3. Разработана методика расчета размеров распылительной поверхности,

обеспечивающей формирование факела распыла с заданными характеристиками по форме и производительности.

4. Предложена математическая модель процесса УЗ коагуляции аэрозолей, учитывающая влияние вязкости газовой среды и позволившая впервые определить оптимальные режимы УЗ воздействия в зависимости от характеристик газодисперсной системы (концентрация, дисперсный состав).

5. Впервые теоретически установлена и экспериментально подтверждена необходимость применения УЗ диапазона частот (выше 20 кГц) для коагуляции мелкодисперсного аэрозоля, даны обоснования возможных вариантов практического применения процессов ультразвуковой коагуляции.

6. Предложены новые способы управления процессами распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, основанные на практической реализации выявленных оптимальных режимов УЗ воздействия.

Практическая значимость: заключается в дальнейшем совершенствовании и открытии новых направлений развития химических технологий, включающих процессы УЗ распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, сушки материалов и разрушения пен за счет:

1. Получения новых знаний о процессах, протекающих под воздействием УЗ колебаний высокой интенсивности на границе раздела жидкость—газовая среда, в газовых средах с мелкодисперсными частицами, путем разработки математических моделей процессов распыления и коагуляции аэрозолей, позволяющих определять оптимальные значения частоты и уровня звукового давления в зависимости от характеристик газодисперсной системы.

2. Разработки новых конструктивных схем УЗ колебательных систем для распыления жидкостей: во всем низкочастотном УЗ диапазоне (22-80 кГц), с излучающими поверхностями для формирования факела заданной формы; высокочастотных (130 кГц и более), для высокопроизводительного распыления в ранее не доступном диапазоне частот; для распыления высоковязких жидкостей (до 80 мПа-с) с двукратным УЗ воздействием.

3. Разработки нового класса излучателей различного диаметра (от 100 мм до 420 мм) для воздействия на гетерогенные системы с частотами более 20 кГц и уровнем звукового давления до 166 дБ, основанного на преобразовании продольных колебаний пьезопреобразователей в изгибные колебания дисков ступенчато-переменной формы.

4. Создания ультразвуковых аппаратов для интенсификации процессов распыления жидкостей, коагуляции, разрушения пены и сушки материалов, нашедших широкое практическое применение.

Созданное оборудование прошло успешную эксплуатацию на предприятиях страны и зарубежья: Sudo Premium Engineering (подразделение корпорации Samsung, Республика Корея); LG Electronics (Республика Корея); Dooson со., Ltd (Республика Корея); PHARMATECH A.S (Норвегия); Сибирский научно-исследовательский, проектный институт рационального природопользования (г. Нижневартовск); ЗАО «НПП «Электронное, специальное технологическое оборудование» (г. Зеленоград); ЗАО «Электронсервис» (г. Зеленоград); ООО «Диагностические технологии» (г. Иркутск); ФГУП «Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт Физики Высоких Энергий»

(г. Протвино); ООО «Ангиолайн (г. Новосибирск); ООО «ДРЕКО» (г. Дрезна); ООО «СУАЛ-ПМ» (г. Шелехов); ООО НПК «Тихоокеанские биотехнологии» (г. Владивосток); ООО «Аналитхимавтоматика» (г. Москва); Новосибирский институт органической химии им. H.H. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук»; Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН (г. Казань) и др.

Личный вклад автора: формулировка основных научных положений и идей работы, разработка теоретических моделей ультразвукового распыления и коагуляции аэрозолей, позволяющих определять оптимальные режимы и условия ультразвукового воздействия; разработка и создание экспериментальных стендов; планирование и обработка результатов экспериментальных исследований; создание конструкций ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов для их питания; создание практических конструкций распылителей, коагуляторов, сушильных установок, аппаратов для разрушения пен.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались: на Всероссийской научно-технической и методической конференции «Современные проблемы технической химии» (г. Казань, 2009 г.); Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН) 2005, 2011 гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (г. Бийск, 2009 г.); Второй международной конференции «Пылегазоочистка-2009» (г. Москва, 2009 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2002-2012 гг.); на конференциях Siberian Russian Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials (Novosibirsk, 20042012 гг.); Второй международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника» (Тула, 2003, 2004 гг.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности» (г. Бийск, 2008, 2009, 2011 гг.); Всероссийской научно-технической конференция с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2005, 2009 гг.).

IIa защиту выносятся:

1. Установленные на основании анализа предложенной модели распыления зависимости производительности процесса и размеров формируемых капель от физических свойств и толщины слоя распыляемой жидкости, амплитуды и частоты ультразвукового воздействия.

2. Результаты теоретических исследований процесса коагуляции аэрозоля акустическими колебаниями высокой интенсивности, обеспечившие выбор оптимальных режимов и условий воздействия, позволившие установить необходимость использования для коагуляции мелкодисперсных (менее 10 мкм) аэрозолей колебаний УЗ частоты (более 20 кГц).

3. Результаты экспериментальных исследований, подтвердившие оптимальность теоретически выявленных режимов ультразвукового воздействия для распыления жидкостей и коагуляции аэрозолей и позволившие разработать

способы управления указанными процессами.

4. Методики проектирования предложенных и разработанных ультразвуковых колебательных систем, обеспечивающих воздействия в установленных оптимальных режимах при реализации процессов распыления, коагуляции аэрозолей, сушки материалов и разрушения пен.

5. Предложенные способы реализации процессов, конструктивные решения колебательных систем и рабочих инструментов (излучателей), позволившие создать практические конструкции УЗ аппаратов.

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 159 печатных работах, в том числе в 4 монографиях, 25 статьях в изданиях, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий (в том числе 1 статья в зарубежном журнале, входящем в системы цитирования Web of Science, Scopus), 10 патентах РФ, 1 патенте на полезную модель РФ, 1 патенте Германии, 4 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и результатов, списка литературы из 299 наименований, приложения и содержит 357 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведено краткое описание состояния проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований.

В первом разделе выполнен анализ причин, ограничивающих эффективность химико-технологических процессов, протекающих в гетерогенных системах под воздействием высокоинтенсивных УЗ колебаний. Показано, что несмотря на все многообразие процессов, интенсифицируемых или осуществляемых под действием УЗ колебаний, можно выделить общие подходы, реализуемые при организации УЗ воздействия. Всегда излучатель осуществляет непосредственный ввод механических колебаний УЗ частоты в обрабатываемую среду с целью обеспечения влияния на объект воздействия.

Между излучателем и обрабатываемой средой могут находиться различные переходные слои, наличие которых может быть необходимо для реализации самого процесса, например, УЗ распыление. При этом переходной слой или сама обрабатываемая среда (в случае его отсутствия) может оказывать влияние на основные параметры излучателя, что позволяет осуществлять контроль протекания процессов, интенсифицируемых УЗ колебаниями.

Далее УЗ колебания, распространяясь в обрабатываемых средах, взаимодействуют с объектами воздействия непосредственно или также через переходный слой. Таким образом, все процессы, связанные с УЗ воздействием, обеспечивающим изменение структуры и свойств веществ, реализуются в гетерогенных системах, при этом большинство из них являются дисперсными.

И если в настоящее время в изучении процессов, реализуемых в жидких дисперсионных средах, достигнуты значительные успехи и создано достаточно эффективное оборудование для их осуществления, то процессы в газовых дисперсионных средах (распыление жидкостей, коагуляция дисперсных частиц) и протекающие при передаче УЗ колебаний через газовые среды (сушка пористых материалов, разрушение пен) изучены значительно меньше.

Причина этого заключается как в относительной сложности физической сущности явлений, протекающих в газовых дисперсионных средах под УЗ воздействием, так и в сложности создания в газовых средах УЗ колебаний с уровнем звукового давления, достаточным для реализации процессов (поскольку известно, что до определенных интенсивностей УЗ воздействия повышение эффективности процессов не наблюдается).

Известно, что УЗ воздействие на тонкий слой жидкости находящийся на поверхности излучателя обеспечивает мелкодисперсное и монодисперсное распыление. При этом обеспечивается формирование факела заданной формы, исключается необходимость в распыливающем агенте, распыляются высоковязкие жидкости без использования растворителей.

Однако анализ исследований, проведенных в нашей стране (Л.Д. Розен-берг, О.К. Экнадиосянц, Ю.Я. Богуславский, О.В. Абрамов, Б.Г. Новицкий) и за рубежом (H.L. Berger, Н. Amaveda, A. Lozano, Shirley С. Tsai, Chen S. Tsai), показывает, что на сегодняшний день не существует единой теории, которая описывает процессы, происходящие границе раздела жидкость-газовая среда при воздействии на тонкий слой жидкости УЗ колебаниями, и позволяет определять оптимальные режимы воздействия.

Кроме того, проведенный сравнительный анализ отечественных (различные модификации аппаратов типа РУЗ) и зарубежных (Sono-Tek, Sonics, Sonaer (США), Misonix (Швейцария)) УЗ распылителей показал, что установление требуемой величины УЗ воздействия осуществляется вручную, что вызывает ухудшение дисперсных характеристик образующихся капель.

На основе анализа исследований, проведенных в нашей стране (Л.Д. Розенберг, X. Грин, Н.А. Фукс, Е.П. Медников, Р.Ш. Школьникова! В.И.Тимошенко, Н.Н. Чернов) и за рубежом (С.А. Stokes, О. Brandy E.Hiedeman, J.A. Gallego-Juares, E. Riera-Franco De Sarabia, G. Rodríguez-Corral), показано наличие интенсифицирующего воздействия ультразвуковых колебаний на процесс улавливания дисперсных частиц, что позволяет определить ультразвуковую коагуляцию как перспективное средство для повышения эффективности процесса очистки газовых сред. При этом было установлено отсутствие теоретического обоснования, позволяющего определять оптимальные режимы УЗ воздействия в зависимости от характеристик дисперсной фазы и условий протекания процесса.

Далее рассмотрены процессы, реализуемые при передаче колебаний на дисперсные среды через газовые промежутки. Анализ исследований различных авторов (Л.Д. Розенберг, Г.А. Кардашев, Ю.Я. Борисов, Н.Н. Долгополов, Н.М. Гынкина, R.M.G. Boucher) позволил выявить следующие преимущества УЗ бесконтактной сушки материалов: высокая интенсивность процесса; возможность обеспечения качественной и эффективной сушки при низких температурах или принципиально без повышения температуры. Благодаря этому УЗ сушка является наиболее перспективным способом сушки термочувствительных, термолабильных и легкоокисляющихся продуктов. Показано, что на сегодняшний день проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие определять частотные и мощностные диапазоны УЗ воздействия.'

Далее рассмотрен процесс пенообразования, который в большинстве тех-

нологических процессов имеет негативные последствия. Установлено, что разрушение пены УЗ колебаниями имеет ряд преимуществ по сравнению с известными способами. К сожалению, системы УЗ разрушения пены до настоящего времени не получили широкого распространения. Обусловлено это отсутствием УЗ излучателей, доступных для производственного применения.

Проведенный анализ оборудования (аэродинамические, электродинамические, электростатические, электромагнитные, магнитострикционные излучатели), предназначенного для создания акустических колебаний в воздушной среде, показал, что наибольшее распространение в практике получили аэродинамические излучатели. Однако их применение для осуществления процессов в гетерогенных системах не эффективно: из-за малой мощности (не более 10 Вт) на частотах выше 20 кГц; больших габаритных размеров; низкого КПД (достигающего в лучших образцах 39 %, но, как правило, не превышающего 20 %); быстрого износа механических узлов; необходимости защиты обслуживающего персонала от акустического излучения широкого спектра.

В заключительной части первого раздела показывается, что:

1) для повышения эффективности процесса ультразвукового распыления и создания специализированного УЗ оборудования необходимо проведение комплексных исследований, заключающихся в теоретическом и экспериментальном исследовании процессов, происходящих при УЗ воздействии на тонкий слой жидкости с учетом ее физических свойств;

2) повышение эффективности процесса коагуляции газодисперсных систем акустическими колебаниями возможно за счет определения и обеспечения оптимальных условий акустического воздействия и применения эффективных излучателей акустических колебаний;

3) для повышения эффективности процессов сушки и разрушения пен необходим отказ от использующихся в настоящее время аэродинамических излучателей, работающих в звуковом диапазоне частот;

4) наиболее перспективным вариантом замены аэродинамических излучателей являются пьезоэлектрические преобразователи с излучающими элементами, выполненными в виде дисков, изгибно-колеблющихся на частотах, кратных основной моде колебаний.

Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям процесса ультразвукового воздействия на тонкие жидкостные пленки, расположенные на колеблющейся поверхности и имеющие границу раздела с газовой средой. Исследования проводятся методами математического моделирования с учетом не изученных ранее влияющих факторов и направлены на установление режимов УЗ воздействия, обеспечивающих распыление жидкости с заданными производительностью и дисперсными характеристиками формируемых капель.

Для этого предложена и разработана математическая модель кавитацион-ного распыления жидкостей. Модель включает в себя рассмотрение процесса формирования капель жидкости на колеблющейся поверхности ультразвукового преобразователя, покрытой слоем распыляемой жидкости конечной толщины 11. В этой жидкости на границе с УЗ преобразователем формируются кави-тационные пузырьки, взрывы которых образуют ударные волны и вызывают образование капиллярных волн на поверхности жидкости.

Поскольку практический интерес представляет развитие кавитации на границе с поверхностью УЗ преобразователя, то было получено следующее выражение для амплитуды УЗ давления непосредственно на распылительной поверхности:

\рЩ = ра>гЛК (1)

где |Р(0| - амплитуда звукового давления; р - плотность жидкости; т - круговая частота акустических колебаний; А - амплитуда колебаний распылительной поверхности; А - толщина слоя жидкости.

Полученное значение использовалось для определения максимального радиуса кавитационного пузырька при помощи уравнения Кирквуда-Бете:

(2)

I СЫ)д1г 2\ 3Сд1Кд1) \ С д1) с{ С 81) 81 где С - локальная скорость звука в жидкости; Я - энтальпия жидкости; Я - радиус пузырька.

Энтальпия жидкости определялась с учётом полученного выражения для амплитуды звукового давления и того, что давление и плотность жидкости связаны между собой уравнением состояния Тэта:

н _ п (р„ + Д)"

Л-1 Ра

(р0 - р0й)2Лй$т((м)+ в) " -

1 я I я л а/

(3)

где л- постоянная, равная 7; В - постоянная, равная 3000-105 Па; р„ - равновесное давление жидкости; р„— равновесное давление газа; - радиус кавитационного зародыша; Я - текущий радиус кавитационного пузырька; // - динамическая вязкость; Р„— давление насыщенных паров; г — время с начала воздействия; а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; у - показатель адиабаты для воздуха.

Для определения величины амплитуды давления во фронте ударной волны, образующейся при захлопывании кавитационного пузырька и распространяющейся в жидкости, были использованы результаты исследования явления подводного взрыва, выполненного Р. Коулом.

В соответствии с таким рассмотрением, амплитуда во фронте ударной волны на расстоянии к от центра кавитационного пузырька равна: РцС\. 1п . . 1

р п " I тт.___' /л\

ЛГв(п-1) А1п(Л/0' ( )

где Рт - давление ударной волны; с - скорость звука в жидкости; 6 - время расширения кавитационного пузырька; Рх ~ максимальное давление, при захлопывании кавитационнного пузырька; - минимальный радйус кавитационного пузырька при захлопывании.

Значения Рх, и 0 были определены из решения уравнения (2).

Энергия ударной волны формирует на поверхности жидкости капиллярные волны. На основе системы уравнений Навье-Стокса с учетом граничных условий и промежуточных преобразований было получено следующее выражения для профиля капиллярной волны:

ф, /) ~ Л - ((Ак/3)со!,{2кх)+2Ак)со^ш)), (5)

где А - амплитуда колебаний капиллярной волны; к - волновое число капиллярной волны; х — расстояние от оси симметрии волны.

Волновое число капиллярной волны к определяется с помощью следующего выражения:

~А<г>+Р)

2/А2

/А

Лсо-'Ф)

2Ц '

(6)

где р — декремент затухания.

Определение диаметра капель, на которые распадается капиллярная волна, основывалось на теории распада струй Релея. Известно, что при вязкостях распыляемых жидкостей до 30 мПа'с, диаметр капель можно считать зависящим только от средней толщины капиллярной волны и определять согласно следующему выражению:

где Отг1ср — диаметр по высоте локального подъёма жидкости.

Полученные зависимости диаметров формируемых капель от физических свойств жидкости и амплитуды УЗ воздействия показаны на рисунке 1.

120

S 100

I

£ 80

s

в г 60

40

X

X 20

ч

N ч

Й

ff- ■

J>

1 4 7 10 13 16 19 12 25 28 31 Вязкость, мПас

— 22 кГц - -44 кГц

• • 60 кГц — 130 кГц -- 180 кГц ...... 250 кГц

22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 Поверхностное натяжение, мДж/м1

-22 кГц •60 кГц • 180 кГц

■ 44 кГц ' 130 кГц

• 250 кГц

3 8 13 18 23 28 33 38 43

Амплитуда колебаний, мкм

— 22кГц - "44 кГц

• — 60 кГц ......130 кГц

а)

б)

в)

Рисунок 1 - Зависимости диаметра формируемых капель жидкости от вязкости (а), поверхностного натяжения (б) и амплитуды колебаний (в)

Анализ приведенных зависимостей показал, что амплитуда колебаний распылительной поверхности существенным образом влияет на диаметр формируемых капель жидкости (увеличивая его), а повышение вязкости или снижение поверхностного натяжения жидкости приводит к его уменьшению.

Полученная зависимость диаметра формируемых капель жидкости от частоты УЗ колебаний (рисунок 2) свидетельствует о перспективности применения исследуемого метода УЗ 0 25 50 75 100 125 150 175 200225 250 раСПЫЛвНИЯ ЖИДКОСТей, В облаСТИ ВЫ-Частота колебаний, кГц С0КИХ ЧаСТ0Т И Необходимости разра-

Рисунок 2 - Зависимость диаметра ботки новых конструкций высокочас-формируемых капель тотных УЗ колебательных систем для

жидкости от частоты УЗ воздействия распыления жидкостей.

Это позволит формировать аэрозоли со средним диаметром 10 мкм и менее.

На следующем этапе анализа рассматриваемой модели была рассчитана производительность распыления. При этом учитывалось, что с одной капиллярной волны может образовываться несколько капель. Точное количество жидкости, перешедшее в капли с одной капиллярной волны, учитывается путем введения поправочного коэффициента а.

Удельная производительность вычислялась по формуле

П = У/Ы5 = а{лгА/2к\ {я1/2 - 2, (8)

где А - амплитуда капиллярной волны; X - длина капиллярной волны; а - поправочный коэффициент, учитывающий долю объёма капиллярной волны, распадающейся на капли; Ы5- количество капиллярных волн на единицы площади поверхности; / - частота колебаний рабочего инструмента; V - объем жидкости, отделившийся от капиллярной волны.

Последним фактором, влияющим на эффективность процесса, является толщина слоя распыляемой жидкости (рисунок 3).

1,2 -г

. 0,8 л

0 0,6 5 0,4

4 0,2 ю

5 О %. < с

1.4

и

1Л

1 1

г о,8

и

= 0,6 л

5 0,4 и

ч 0,2

о

й о

7 IV 1 — •

1 / / ], —и2чГ

1 /I 1

1—1_ 1 1 !

10 мкм 15 мкм '20 мкм

1,2 I 1 [ 0,8 ; 0,6 0,4

I 0.2

: о

-

/ 4

/ ,

//'"

' ' /

// , >

1 мПас ЮмПас 15 мПас 30мПа-с

0,5 1 1,5

Толшина слоя, мм

а)

0,5 1 1,5

Толщина слоя, мм

б)

- г

ч

22 мДж/мА2 '38 мДж/мА2 50 мДж/мл2 70 мДж/мл2

"г 1,2

и 1

5 0,8

й о 0,6

5 0,4

0,2

ю 0

1

А _____ \ 1 _

11 х________

»/ч А

1

-22 кГц •44 кГЦ

• 60 кГц

■ 130 кГц -180 кГц

• 250 кГц

0,5 1 1,5 Толщина слоя, мм

0,5 1 1,5 Толщина слоя, мм

В) Г)

Рисунок 3 - Зависимости производительности распыления от толщины слоя при различных: амплитудах УЗ колебаний (а); вязкостях (б) и поверхностных натяжениях (в) распыляемой жидкости; частотах УЗ воздействия (г)

Из представленных зависимостей следует, что при различных значениях физических свойств жидкости существует оптимальная толщина слоя, при которой производительность максимальна. Наибольшее влияние на ее величину оказывают амплитуда колебаний и вязкость распыляемой жидкости.

При дальнейших исследованиях были получены зависимости производительности распыления (при оптимальных толщинах распыляемой жидкости) от амплитуды колебаний и от частоты УЗ воздействия (рисунок 4).

Установлено, что при увеличении амплитуды колебаний производительность распыления возрастает до некоторого предела, после чего рост прекращается. Это обусловлено конечным числом кавитационных пузырьков в распыляемом слое жидкости.

1,2

1

s 5

0,2 о

J

/ /

r¡J

:|i ir 1

-22 кГц

—• »44 кГц — — 60 кГц

--- 130 кГц

===•180 кГц ...... 250 кГц

3 6 9 12 15 Амплтуда, мкм

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Частота колебаний, кГц

а) б)

Рисунок 4 - Зависимость производительности распыления от амплитуды (а) и частоты (б) УЗ колебаний

В заключение второго раздела приводятся полученные выражения для скорости отрыва капель и высоты получаемого факела распыления.

При вычислении скорости отрыва капли жидкости (необходимой для расчета характеристик формы факела) осуществлялось определение времени роста возмущения, кинетической энергии и скорости движения жидкости:

V = со $\(0^рЛ3/б4ст), (9)

где Л - длина капиллярной волны.

Для экспериментального подтверждения полученных результатов и определения зависимости оптимальной толщины слоя распыляемой жидкости от параметров УЗ воздействия и свойств самой жидкости необходим параметр, обеспечивающий наибольшую простоту и наглядность измерения.

Таким параметром является высота формируемого факела, обеспечиваемая при распылении, направленном вертикально вверх, ее измерение сопряжено с наименьшими практическими трудностями. Ниже представлено полученное выражение для определения высоты факела распыления.

Я =

2 D

3 crs

ln

1 +

3 CySu„

2D_(9CxSaU\ 3CrS і 2>2pgD )

(10)

Айв ) зсхг • ~ ~ ■'

где Н- высота вертикального подъема капли; Сх - коэффициент обтекаемости, равный для сферы 0,3; g - ускорение свободного падения; и, - скорость отрыва капли; 8 = р,1 р - отношение плотности воздуха к плотности жидкости.

Из анализа полученных результатов было установлено совпадение толщин слоя жидкости, при которых достигается максимальная высота факела распыления, с максимумом производительности распыления. При этом указанное совпадение сохраняется при различных частотах и амплитудах УЗ воздействия, а также во всем исследуемом диапазоне изменения вязкости и поверхностного натяжения распыляемых жидкостей.

Третий раздел работы посвящен теоретическому исследованию процессов, происходящих при распространении и взаимодействии УЗ колебаний с мелко-

дисперсными частицами в газовых средах с целью установления оптимальных режимов воздействия для коагуляции дисперсных частиц.

Для анализа исследуемого процесса была предложена модель, позволяющая описать процесс ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц под действием упругих колебаний в газовой среде. Модель основывается на системе уравнений Смолуховского, описывающей кинетику процесса коагуляции и развиваемой исследователями процесса коагуляции. Основным отличием предложенной модели от ранее известных (например, разработанных Changdong БЬе^, Xianglin БЬеп) является учет вязкости газовой дисперсионной среды при определении компоненты вероятности парного столкновения дисперсных частиц. Учет вязкости газа обусловлен необходимостью решения проблемы коагуляции мелкодисперсных аэрозолей (менее 10 мкм), при улавливании которых возникают трудности с применением известных способов. При столь малых размерах частиц в силу малости числа Рейнольдса вязкость газа оказывает существенное влияние на протекание процесса коагуляции. Более того, при коагуляции аэрозолей с размерами частиц до 1-2 мкм число Рейнольдса остаётся малым даже при очень высоких уровнях звукового давления (до 165 дБ), что делает невозможным анализ процесса коагуляции без учета вязкости.

Сущность применяемого подхода к построению модели коагуляции заключается в следующем. Предполагается, что масса каждой частицы пропорциональна т0, то есть каждая отдельно взятая частица имеет массу кт0, где к- целое число, больше либо равное 1. Далее вводятся функции щ(г), каждая из которых 'есть концентрация частиц, имеющих массу кт0, или Ус-мер. Кинетика коагуляции в предположении, что коагуляция происходит, главным образом, за счёт парных столкновений, описывается системой уравнений Смолуховского:

где к - натуральное число, изменяющееся от 1 до бесконечности (система состоит из уравнений при различных значениях к); Д*- ядро коагуляции, не зависящее от времени, характеризующее интенсивность столкновения /-мер и к-мер; щ -концентрация ¿-мер в момент времени Л Первое слагаемое правой части характеризует интенсивность увеличения концентрации А-мер за счёт столкновения /-мер и А-мер, а второе - убыль концентрации /с-мер за счёт столкновения к-мер с любыми другими частицами.

Для вычисления вероятности столкновения частиц в ряде известных работ (Changdong Sheng, Xiangl ш БЬеп) во внимание принимались два механизма взаимодействия частиц: ортокинетический и механизм гидродинамического взаимодействия. При выполнении исследования ортокинетическая компонента ядра коагуляции определялась способом, аналогичным описанному в работах авторов С. БЬегщ, X. 8Ьеп.

Для определения гидродинамической компоненты ядра коагуляции использовалось выражение

дп 1 1-1 "

а

(И)

А(/2.) =

И(/21) = 0,если/гі>0

(13)

1;,(/2|) = 1 ,если/2, <0

где 6 - угол между волновым вектором акустической волны и линией центров частиц; /21 — сила взаимодействия частиц. В отличие от известной модели, при вычислении силы взаимодействия учитывается вязкость газовой среды, определяемая следующим образом:

/21 =(Ра-К,Ь> (14)

где / - единичный вектор линии центров частиц; РА ,РВ - силы, действующие на частицы А и В в вязкой среде, определяемые следующими выражениями:

Ра,

ди, | диі дх, дх,

ди,

ди, | дх) дх, )

п,

ЛЭ, (16)

¿5,(15) ^ = #

где &'А , Бв - поверхности сфер А и В; р - давление газа на частицу; п, и п, - ¡-я и У-я компоненты вектора нормали к поверхностям сфер А и В в формулах (15) и (16) соответственно; 7 - динамическая вязкость газовой среды; и, и и: - 1-я и_/-я компоненты скорости газовой среды соответственно; х, и х; - /я и у-я координаты поверхности сферы, по которой берётся интеграл. Для определения сил, действующих на частицы, было рассчитано поле обтекания для каждой из них. После нахождения силы взаимодействия частиц/г; и подстановки ее в выражение (12), определялась гидродинамическая компонента.

На первом этапе был проведен анализ зависимости эффективности процесса коагуляции от частоты акустического воздействия (рисунок 5). Расчёты проводились при постоянном уровне звукового давления 135 дБ. При расчетах принималось допущение, что изначально аэрозоль монодисперсный. 0,14 0,12 0,1

5 10 15 20 25 30 35 Частота, кГц

а)

15 25 35 45 55 Частота, кГц

В)

10 15 20 25 30 35 Частота, кГц

б)

а) - размер частиц 9 мкм; б) - размер частиц 5 мкм; в) - размер частиц 1 мкм Рисунок 5 - Зависимость эффективности коагуляции от частоты воздействия для аэрозолей с различными размерами частиц

Обобщение представленных на рисунке 5 зависимостей позволяет сделать вывод о возрастании оптимальной частоты с увеличением дисперсности аэрозоля. Оптимальная частота для аэрозоля с начальными размерами частиц порядка 10 мкм лежит ниже границы УЗ диапазона (рисунок 5,а), в то время как аэрозоли с размерами частиц 5 мкм и менее наиболее эффективно коагулируются при воздействии в УЗ диапазоне частот (рисунок 5,б,в).

Анализ полученных зависимостей времени коагуляции от уровня звукового давления позволил подтвердить рост скорости коагуляции при увеличении уровня звукового давления и повышении начальной счетной концентрации дисперсных частиц. Так, повышение уровня звукового давления с 135 до 140 дБ позволяет сократить время коагуляции более чем в 3 раза.

В результате проведенных теоретических исследований были установлены зависимости эффективности коагуляции газодисперсных систем от параметров ультразвукового воздействия (частота, уровень звукового давления). Установлено, что для мелкодисперсных аэрозолей наиболее эффективно воздействие в УЗ диапазоне частот. Полученные зависимости могут служить основой для определения технических требований к УЗ аппаратам для коагуляции мелкодисперсных аэрозолей.

Четвертый раздел посвящен разработке УЗ колебательных систем и элементов электронных генераторов для реализации химико-технологических процессов в гетерогенных системах методами высокоинтенсивных УЗ воздействий в теоретически выявленных оптимальных режимах.

Для эффективного преобразования электрической энергии в механические колебания была применена полуволновая УЗКС, объединяющая в себе пьезоэлектрический преобразователь, концентратор с высоким коэффициентом усиления и любым по форме рабочим инструментом. Разработанная УЗКС система позволяет осуществлять УЗ воздействие на обрабатываемые среды, однако имеет существенный недостаток, связанный с ограниченной подводимой электрической (не более 150 Вт) и, следовательно, Излучаемой акустической мощностью. При этом высокий уровень звукового давления, необходимый для реализации ряда процессов (в частности, для коагуляции аэрозолей, сушки материалов, разрушения пены), требует увеличения энергии, подводимой к УЗКС.

Для решения этой задачи была разработана конструкция многоэлементного преобразователя, показанная на рисунке 6. УЗКС на основе многоэлементного преобразователя в сборе с бустером (предназначенном для крепления системы в корпусе) и концентратором УЗ колебаний показана на рисунке 7.

ШлШ

ail# Ж

Рисунок 6 - Многоэлементный

преобразователь Рисунок 7 - УЗКС в сборе

Разработанная конструкция может использоваться для работы при мощности до 300 Вт без принудительного охлаждения и до 3000 Вт с применением принудительного охлаждения. Следующим этапом явилась разработка излучающих элементов для непосредственного введения УЗ колебаний в среды.

Для эффективного УЗ распыления обязательными условиями являются:

- обеспечение на излучателе (распылительной поверхности) равномерного слоя жидкости оптимальной толщины (см. раздел 2);

Угол распылителя, град Расход, мл/С

Рисунок 9 - Увеличение радиуса Рисунок 10 - Радиус растекания

факела распыления жидкости из отверстия

- выполнение излучателя специальной формы, обеспечивающей размеры факела распыления, необходимые по требованиям технологического процесса.

Для выполнения этих условий была разработана новая конструкция распылительной поверхности с дополнительными каналами, показанная на рисунке 8, и создана методика ее расчета.

Для нахождения угла при вершине распылительной поверхности у была предложена методика расчета, использующая уравнение (9) и позволяющая определять траекторию движения капель, а следовательно, и диаметр формируемого факела.

а) V б) в) (Vх г)

Рисунок 8 - Расположение дополнительных каналов для подачи жидкости Определено, что при проектировании распылителей этот угол следует выбирать из диапазона 60°-180°, т.к. уменьшение угла менее 60° уже не приводит к дальнейшему увеличению факела распыления. На рисунке 9 показана экспериментально уточненная зависимость приращения радиуса факела от угла при вершине распылительной поверхности для различных частот колебаний.

80 : " -|-- 6

« 70 —---—------5

60

50

40 Г —---— 22 кГц

30 і....... " !......................— — 44 «I "и *

ї I

і •>" і........ ...........Т V............— — 44 кГц

| 20 ---------------------60 кГц 1

£ 10 !.....1.....Г.....і0

0 I------! Г- ' *----Н --О — ММ'ЇІП^СГ-ОС^О — М^іЧ"1-

Затем было экспериментально установлено, что жидкость, вытекающая из отверстия, растекается по распылительной поверхности в виде круга радиусом, не превышающем Я0, который зависит от расхода жидкости (рисунок 10).

Дополнительные отверстия выполняются на расстоянии 2Я0 ДРУГ от друга вдоль образующей конуса (см. рисунок 8,6). Поскольку распылительная поверхность, как правило, выполняется в виде конуса, то наиболее рациональным является размещение дополнительных отверстий (помимо центрального отверстия, выполненного в вершине конуса) на окружностях (см. рисунок 8,в). Центры каналов для подачи жидкости на каждой из окружностей также равномерно располагаются на расстоянии 2Я0 друг от друга по длине окружности.

Таким образом, были получены зависимости и математические выражения, необходимые для расчета формы распылительной поверхности.

Во второй части четвертого раздела описываются результаты разработки нового типа излучателей для воздействия на газовые среды.

Как было показано в первом разделе, наиболее перспективной конструкцией излучателя для газовых сред является излучатель в виде диска, колеблющий-

18

ся на некоторой гармонике, кратной основной частоте колебаний. Известно, что различные точки поверхности диска излучают колебания в противоположных фазах, что приводит к тому, что на некотором расстоянии от диска акустическое излучение взаимно компенсируется. Чтобы исключить это явление, можно уменьшить амплитуду колебаний участков дискового излучателя с одной фазой и увеличить амплитуду участков с противоположной фазой, например, изменив толщину соответствующих участков. Для этого необходимо определить количество и границы участков дискового излучателя, колеблющихся в одной фазе. Эти участки будут разделены «узловыми окружностями», в которых амплитуда колебаний равна нулю. После изменения толщины чередующихся участков диска форма его колебаний и, следовательно, расположение узловых окружностей также изменится. Это отрицательно сказывается на эффективности излучения. Поэтому возникает задача нахождения оптимальных ширины и толщины участков диска. Для этого диск ступенчато-переменной формы представляется в виде набора плоских участков (колец) простой формы, колебания каждого из которых уже исследованы и описаны в виде математических уравнений. Зная эти уравнения и определив граничные условия в местах соединения участков разной толщины, можно аналитически описать колебания всего ступенчато-переменного диска.

В качестве критерия эффективности рассчитываемого дискового излучателя использовалась величина удельной эффективности излучения, которая оценивалась по выражению:

= —1)-100%," (17)'

и.

пластины

гДе к,фф - относительная эффективность излучения; - суммарная амплитуда колебаний поверхности диска ступенчато-переменной толщины; ~ суммарная амплитуда колебаний поверхности плоского диска.

Таким образом, задачей оптимизации излучателя являлось нахождение размеров участков пластины, соответствующих максимальному значению удельной эффективности излучения и, как следствие, максимальному уровню звукового давления, обеспечиваемого излучателем. Так же при помощи предложенного метода расчета было проанализировано влияние толщины кольцевых элементов на эффективность излучения диска (рисунок 11).

При выполнении расчетов (зависимость 1 на рисунке 11) было установлено, что чем больше отношения между толщинами соседних участков, тем выше амплитуда тонких участков и меньше амплитуда толстых участков, причем величина эффективности неограниченно возрастает. Однако имеющийся опыт изготовления дисковых излучателей показывает, что выполнение кольцевых элементов значительной толщины приводит к снижению

5? 40 ¿35 & 30 в 25 § 20 £ 15 ■е- 10

■е- *

(Г! 5 0

"1

1 /"

1 1 /

\2

/ /

/7

— _

1

1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 Отношение толщин элементов Рисунок 11 - Зависимость эффективности излучения от отношения толщин соседних кольцевых элементов

амплитуды колебаний поверхности такого излучателя, увеличению потерь, а в ряде случаев и к механической поломке диска.

Причина различия теоретических и экспериментальных результатов заключается в отсутствии учета потерь в разработанной методике. Для исключения дальнейшего усложнения методики расчета было принято решение оценку эффективности излучения дисков проводить в системе СОМБОЬ, позволяющей учитывать потери на внутреннее трение. При этом ширина кольцевых элементов дискового излучателя рассчитывалась по уже описанной методике.

Результаты расчетов представлены в виде зависимости 2 на рисунке 11. Из полученной зависимости следует, что существует максимум эффективности излучения, достигаемый при соотношении толщин «тонких» и «толстых» участков 1,75. Причем указанное соотношение сохраняется для всех исследованных рабочих частот излучателей (от 20 кГц до 44 кГц).

Полученные по результатам моделирования диаграммы направленности излучения рассчитанных дисков показывают увеличение формируемого уровня звукового давления на 35-45 % по сравнению с излучением плоского диска.

На основе разработанной конструкции были изготовлены ультразвуковые излучатели с диаметрами дисков от 100 до 420 мм. Установлено, что в ближней зоне изготовленных излучателей существует интерференционный максимум (фокус) колебаний, расположенный на оси симметрии колебаний на расстоянии от излучателя 75-110 мм, в зависимости от диаметра излучателя. Уровень звукового давления в фокусе колебаний составляет 155-170 дБ в зависимости от диаметра излучателя.

Анализ полученных диаграмм направленности показывает, что величина звукового давления монотонно убывает с увеличением расстояния от плоскости излучающей поверхности от 140-145 дБ (на расстоянии 0,5 м) до 120-125 дБ (на расстоянии 4,5 м). Характер распределения звукового давления показал, что около 95 % акустической энергии сосредоточено в пределах основного лепестка поля излучения, угол раскрытия которого равен от 30° до 60° в зависимости от диаметра диска.

Дальнейшая часть четвертого раздела посвящена описанию конструкций разработанных специализированных УЗКС для распыления жидкостей.

Проведенное исследование разработанной конструкции УЗКС для распыления жидкости показало ее работоспособность на частотах до 80 кГц. При более высоких частотах толщина пьезоэлектрических элементов оказывается чрезмерно малой (менее 1 мм), что не позволяет обеспечить достаточную для расцыления амплитуду колебаний. Кроме того, необходимость подачи на пье-зоэлемент толщиной в 1 мм напряжения порядка 1000 В и снижение добротности пьезоматериала при столь высоких напряжениях обусловливают низкую эксплуатационную надежность колебательной системы.

Для создания высокочастотной УЗКС была разработана новая конструкция составного преобразователя, показанного на рисунке 12.

Разработанная УЗКС состоит из последовательно установленных и акустически связанных между собой торцевой стягивающей накладки, двух пьезоэлектрических кольцевых элементов, рабочей накладки в виде стержня переменного сечения, заканчивающегося торцевой распылительной поверхностью.

При этом толщина каждого пьезоэлемента выбрана равной четверти длины волны формируемых колебаний в пьезоматериале, т.е. суммарная длина двух пьезоэлементов соответствует половине длины волны и два этих пьезоэлемента представляют собой самостоятельный электроакустический преобразователь, обеспечивающий формирование ультразвуковых колебаний с необходимой рабочей частотой. По результатам конечно-элементного моделирования установлено, что разработанная УЗКС обеспечивает амплитуду колебаний, необходимую для распыления жидкостей на частотах до 250 кГц.

а) б)

1 - концентратор; 2 - пьезоэлемента; 3 - отражающая накладка; 4 - канал для

подачи жидкости;

Рисунок 12 - Высокочастотная ультразвуковая колебательная система для распыления жидкостей: а) эскиз; б) модель в системе АК8У8

Принцип работы разработанной УЗКС заключается в следующем. Жидкость через штуцер 6 подается в распылительную камеру 2, где распыляется с колеблющейся поверхности дна и стенок камеры. Сформированный в результате первичного распыления аэрозоль выносится из камеры при помощи сжатого воздуха, подаваемого через штуцер 7, через внутренний канал распылительной трубки 1, которая механически соединена со стенкой колеблющейся камеры и совершает сложные колебания с максимальной амплитудой на свободном конце трубки. На внутренних стенках трубки и на ее свободном конце (торцевом срезе) происходит вторичное распыление жидкости. Вторичное распыление обеспечивает дополнительное уменьшение размера получаемого аэрозоля.

Разработанная УЗКС обеспечивает распыление жидкостей с вязкостью до 80 мПас со средним диаметром 20 мкм.

Далее приводится описание УЗКС для мелкодисперсного распыления высоковязких жидкостей, конструкция которой показана на рисунке 13.

а) б)

I — распылительная трубка; 2 - распылительная камера; 3 - концентратор; 4 - пьезоэлемента; 5 - отражающая накладка; 6 - канал для подачи жидкости; 7 - канал для подачи транспортирующего газа Рисунок 13 - Ультразвуковая колебательная система для распыления высоковязких жидкостей: а) эскиз; б) фото)

чающая поверхность ультразвукового распылителя. Экспериментальные исследования проводились в аналитической лаборатории фирмы SAMSUNG (Корея).

Далее приведены результаты экспериментов, направленных на подтверждение выявленных оптимальных толщин слоя распыляемой жидкости и режимов УЗ воздействия. Результаты представлены на рисунке 16.

X

і/ л

// л

// ч

//

1 Ґ 7 2

/

/

/

0,4 0,8 1,2 Толщина сл

2,4

а)

0,8 1,2 1,6 Толщина слоя, мм

б)

i 1,2 і 1 і 0,8

і 0,6

і

і 0,4 і. 0,2 0

— ■ г ' т~.....т~т......-

/П. _

//........L .

П 1

Л...............!...............

S i 0,8

5 §

x § 0,6

и g

і 8 0,4

6 I 0,2

с

0

h /ft

/

/

/

j

0,4

0,8 1,2 1,6 Толщина слоя, мм

0,8 1,2 1,6 Толщина слоя, мм

В) Г)

а) вязкость 1 мПа с; б) вязкость 10 мПа с; в) вязкость 15 мПа-с; г) вязкость 30 мПа-с

Рисунок 16 -Теоретическая (1) и экспериментальная (2) зависимости производительности распыления от толщины слоя жидкости

Полученные зависимости подтвердили необходимость обеспечения на распыляющей поверхности слоя жидкости оптимальной толщины. При этом установлено, что даже незначительное отклонение толщины слоя жидкости от оптимального значения приводит к существенному снижению производительности распыления. Это обусловливает необходимость разработки способа автоматического управления процессом УЗ распыления, заключающегося в автоматическом установлении и поддержании необходимой амплитуды ультразвукового воздействия и толщины слоя в зависимости от требуемой производительности распыления жидкости. Для решения этой задачи был разработан способ управления процессом УЗ распыления, основанный на контроле резонансной частоты, импеданса колебательной системы и изменении амплитуды электрического напряжения, питающего УЗКС, при изменении свойств распыляемых жидкостей или производительности распыления.

Далее в разделе описаны результаты экспериментальных исследований, направленных на подтверждение теоретически найденных условий и режимов ультразвукового воздействия, необходимых для обеспечения факела распыления с заданными характеристиками по дисперсности, производительности и

.форме. Для проведения экспериментов были использованы 4 ультразвуковых распылителя с рабочими частотами 22 кГц, 44 кГц, 60 кГц и 130 кГц.

Для использования полученных теоретических результатов была получена зависимость среднего диаметра с!10 и диаметра с132 формируемых капель жидкости от частоты УЗ воздействия при минимальной амплитуде УЗ колебаний, при которой процесс распыления только начинался (рисунок 17).

s

с

а

е 1 *

—,

ж.

50 75 100 125 150 175 200 225 250 Частота колебаний, кГц

50 75 100 125 150 175 200 225 250 Частота колебаний, кГц

а) б)

Рисунок 17 - Зависимость среднего диаметра (а) и среднего объемно-поверхностного диаметра (б) формируемых капель от частоты УЗ воздействия

Полученная зависимость является базовой, необходимой для начального определения рабочей частоты распылителя, обеспечивающей формирование капель с необходимым средним диаметром.

Для обеспечения производительности достаточной для практического использования ультразвукового распыления жидкостей, необходимо увеличивать амплитуду УЗ колебаний. Экспериментально было установлено, что после некоторого значения амплитуды (зависящего от частоты УЗ воздействия) рост производительности практически прекращается. Это соответствует теоретически полученным результатам. При этом дальнейшее увеличение амплитуды приводит только к ухудшению дисперсии формируемых капель.

На основе анализа результатов практического применения УЗ распыления в технологических процессах (распылительная сушка и нанесение фоторезиста на поверхность кремниевых пластин) было установлено, что их эффективная реализация обеспечивается, если среднеквадратичное отклонение (СКО) диаметров формируемых капель жидкости не превышает 60 %. Это условие выполняется при установлении амплитуды УЗ колебаний на уровне, обеспечивающем 80 % от максимальной производительности распыления.

На рисунке 18 показаны зависимости, с помощью которых можно установить частоту УЗ колебаний, обеспечивающую получение капель с заданными дисперсными характеристиками при выявленных амплитудах УЗ воздействия.

Помимо режимов УЗ воздействия, на дисперсные характеристики формируемых капель также оказывают влияние физические свойства жидкостей, подвергаемых распылению. Как показали проведенные теоретические исследования, из свойств жидкости основное влияние на диаметры формируемых капель оказывают вязкость и поверхностное натяжение жидкости.

Для создания жидкостей с различной вязкостью использовались растворы с различной концентрацией глицерина в воде, а с различным поверхностным натяжением - этилового спирта.

140 120

1 і 100 ? * on

% 5

£ С

З І

V

\1

і -і

т-

♦

210 g 180

s. 150 т? 120 f 90

I 60

$ 30 О

О 25 50 75 100 125 150 Частота колебаний, кГц

О 25 50 75 100 125 150 Частота колебаний, кГц

0 25 5 0 75 100 125 150 Частота колебаний, кГц

а) б) в)

Рисунок 18 - Зависимость среднего диаметра (а), диаметра с1з2 (б) и СКО диаметра (в) формируемых капель от частоты УЗ воздействия

Полученные зависимости представлены на рисунке 19 (для различной вяз кости) и рисунке 20 (для различного поверхностного натяжения).

, '20 .........-т-....................................................................160

I 1 '5

г 100 ь----4---- 5 НО

60 40 20 0

О 10 20 30 Вязкость, мПа-с ♦22 кГц «44 кГц

А60 кГц XI30 кГц

а)

S i 120 І Г;100 I 5 80

I ^ 60

J f 40 ° 1 20 I" 0

« 1

і % 1

■ Т

60 і 50 ! 40

і зо

; S

ї 20

f 10 о

К і

1 Ч f

к Ж

xjbiblT -я

і

40

О 10 20 ЗО 40

Вязкость, мПа-с ♦ 22 кГц «44 кГц

А60 кГц X130 кГц

0 10 20 30 Вязкость, мПа-с ♦ 22 кГц " Ш44 кГц

АбОкГц Х130кГц

б)

Рисунок 19 - Зависимость среднего диаметра (а), диаметра с132 (б) и СКО диаметра (в) формируемых капель от вязкости распыляемой жидкости

в)

Видно, что с ростом частоты уменьшается максимально допустимое значение вязкости распыляемой жидкости. Полученные значения соответствуют теоретически установленным значениям максимальной вязкости жидкости, при которой распыление прекращается.

10 20 30 40 50 60 70 80

Поверх, натяжение, мДж/м1 ♦ 22 кГц И44 кГц

А 60 кГц XI30 кГц

б)

Рисунок 20 - Зависимость среднего диаметра (а), диаметра ё32(б) и СКО (в) формируемых капель от поверхностного натяжения распыляемой жидкости

10 20 30 40 50 60 70 80 Поверх, натяжение, мДж/м3 ♦22 кГц Ш44 кГц

АбОкГц X130 кГц

а)

10 20 30 40 50 60 70 80 Поверх, натяжение, мДж/мг ♦ 22 кГц М44 кГц

А60 кГц Х130 кГц

В)

Из графиков на рисунке 20 следует, что при малых поверхностных натяжениях средний диаметр формируемых капель уменьшается. Однако это уменьшение значительно меньше, чем было получено в экспериментах для жидкостей с различными вязкостями.

Поскольку начальные (для вязкости 1 мПа;с и поверхностного натяжения 72 мДж/м2) значения средних диаметров капель, представленных зависимостей совпадают со значениями средних диаметров капель (см. рисунок 18), полученных для оптимальных значений амплитуды колебаний распылительной поверхности, то представленные зависимости можно использовать для определения изменения среднего диаметра капель, вызванного сменой вида распыляемой жидкости (т.е. вязкости и поверхностного натяжения).

Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы как при проектировании УЗ распылителей для определения рабочей частоты распылителя, обеспечивающей формирование капель с заданными дисперсными характеристиками, так и при эксплуатации УЗ распылителей для определения амплитуды колебаний распылительной поверхности в зависимости от вязкости и поверхностного натяжения распыляемой жидкости.

Последним параметром, влияющим на эффективность химико-технологических процессов, основанных на распылении жидкости, является производительность распыления.

Из полученных экспериментальных данных был сделан вывод о том, что различие между теоретически рассчитанными с использованием выражения (7) и измеренными значениями производительности не зависит от площади распылительной поверхности. С учетом этого был определен поправочный коэффициент а, равный 0,53. На рисунке 21 приведена зависимость максимальной удельной производительности распыления от частоты УЗ воздействия, полученной для уточненного поправочного коэффициента а (см. выражение (7)).

Полученная зависимость позволяет определять площадь поверхности распыления, необходимую для обеспечения заданной производительности.

Таким образом, в результате проведенных исследований были полностью определены все условия и режимы ультразвукового воздействия, необходимые для обеспечения факела распыления с заданными характеристиками по дисперсности и производительности.

0,8

й 0,7

о 0,6

1"? 0,5

51 0,4

1 1 0,3

а. 0,2

П

0,1

- 1 К

!

О 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Частота колебаний, мкм

Рисунок 21 - Зависимость производительности распыления от частоты УЗ воздействия

Вторая часть раздела посвящена экспериментальному подтверждению возможности повышения эффективности процесса коагуляции газодисперсных систем при реализации теоретически выявленных оптимальных режимов. Для проведения исследований была создана специальная экспериментальная установка, эскиз которой показан на рисунке 22.

Первоначально была исследована эволюция дисперсного состава аэрозоля в УЗ поле высокой интенсивности (рисунок 23). Для определения дисперсности и концентрации частиц применялся модифицированный метод малоуглового рассеяния. Исследование проводилось при следующих параметрах: уровень звукового давления 140 дБ; частота 21 кГц. В качестве исследуемого аэрозоля использовался водный аэрозоль (размер частиц 2-5 мкм).

12 5 11 13 7. 10 б 2 1 і _ узкс с излучателем дискового

типа; 2 - отражатель; 3 - опора излучателя^ - кожух; 5 — крышка с технологическими отверстиями; 6 - фланец для изображения контрастных объектов; 7 - патрубки от ингалятора или компрессора; 8 - вентилятор; 9 - микрофон шумомера; 10 - люминесцентная лампа; 11 - термометры сопротивления; 12 - оптический датчик; 13 - люк

Рисунок 22 - Эскиз экспериментальной установки

100

200

а)

300

Рисунок 23 - Зависимость диаметра частиц 032 (а) и концентрации частиц (б) аэрозоля от времени без УЗ воздействия (1) и с УЗ воздействием (2)

Установлено, что УЗ воздействие обеспечивает, как минимум, двукратное увеличение диаметра дисперсных частиц, благодаря чему обеспечивается увеличение скорости их осаждения под действием силы тяжести.

Для подтверждения результатов теоретического исследования процесса коагуляции были проведены экспериментальные исследования, направленные на определение эффективности коагуляции аэрозолей от частоты воздействия (рисунок 24,а) и уровня звукового давления (рисунок 24,6).

Эффективность ультразвуковой коагуляции рассчитывалась по формуле

ц = (І-—)-100%,

(18)

где 7 - эффективность ультразвуковой коагуляции; л, - концентрация аэрозоля в начале эксперимента; пг - концентрация аэрозоля в конце эксперимента.

При проведении экспериментов использовались следующие виды частиц дисперсной фазы (номера соответствуют обозначениям зависимостей на рисун-

ке 24): 1 - аэрозоль водный (5—10 мкм); 2 - известковая пыль (5-10 мкм); 3 - аэрозоль водный (2-5 мкм); 4 — мучная пыль (1-5 мкм).

Установлено, что акустическое воздействие для коагуляции аэрозолей является наиболее эффективным в УЗ диапазоне частот. Для мелкодисперсных аэрозолей прирост эффективности может достигать 18 % по сравнению с интенсифицирующим воздействием в звуковом диапазоне. Небольшое снижение эффективности коагуляция грубодисперсных аэрозолей компенсируется безопасностью воздействия в УЗ диапазоне.

95

о>

£ 90

и

» 85

І

-в- 80

-в-

m 75

г-; А—т т Iе--І___ТІ і

* І

г / І І ' !--|--і

96 °г 92

■а Н

а в

£ и

-е--е-

m

ю

21

25

27

32

84 80 76

Л І

іА ' * т ■ ^ т 4

I"-f і

Частота, кГц

а)

130 134 138 142 146 150 Уровень звукового давления, дБ

б)

Рисунок 24 — Зависимость эффективности коагуляции аэрозоля: от частоты звуковых колебаний (а) и уровня звукового давления (б)

Однако повышать частоту воздействия выше 27 кГц для аэрозолей микронного размера частиц не целесообразно по причине малого прироста эффективности и значительного возрастания энергетических потерь в излучателе.

Из зависимостей на рисунке 24,6 следует, что при приближении значения уровня звукового давления к 150 дБ рост эффективности коагуляции аэрозолей замедляется. Это позволяет предположить, что в диапазоне 160-170 дБ существует оптимальное значение звукового давления, превышение которого уже не приведет к дальнейшему заметному росту эффективности коагуляции (вплоть до кавитационного распыления жидкостных аэрозолей или разрушения агломератов объединившихся частиц) и будет энергетически не выгодно.

Для подтверждения данного предположения были проведены дополнительные исследования с помощью фокусирующего излучателя (уровень звукового давления в фокусе составляет более 165 дБ), показавшие, что наряду с коагуляцией происходит и дополнительное диспергирование коагулируемой жидкости.

Таким образом, применение для коагуляции газодисперсных систем уровня звукового давления свыше 160 дБ не целесообразно, т.к. приводит к разрушению образовавшихся агломератов. Таким образом, установлено максимальное значение звукового давления, обеспечивающего структурирующее воздействие на дисперсные системы.

Далее была определена эффективность УЗ коагуляции аэрозолей, переносимых потоком воздуха. Исследования проводились в специальной установке, эскиз которой представлен на рисунке 25.

1 - УЗКС 320 мм; 2 - УЗКС 420 мм; 10 3 - УЗКС 360 мм; 4 - УЗКС 250 мм;

5 - осадительная камера;

6 — нагнетатель;

7 - измеритель плотности аэрозоля (ИПА 1); 8 - ИЛА 2;

9 — входной патрубок;

10 - выходной патрубок

Рисунок 25 - Эскиз экспериментальной установки для исследования УЗ коагуляции в потоке воздуха

По результатам эксперимента были построены зависимости эффективности очистки газового потока от скорости воздушных потоков при наличии ультразвукового воздействия 1 и без него 2 (рисунок 26).

Анализ полученных данных позволяет говорить о том, что при скоростях воздушных потоков до 8 м/с ультразвуковую коагуляцию можно использовать как самостоятельный способ очистки газовых потоков. Максимальное значение степени осаждения в потоке воздуха составило 72 %. Однако при скорости воздушных потоков свыше 8 м/с ультразвуковую коагуляцию эффективно применять в качестве предварительной или первой ступени

80 60 40 20 0

. 1 |

2 і ^

I

2 4 6 8 10 12 14 16 Скорость воздушного потока, м/с Рисунок 26 - Зависимость эффективности коагуляции аэрозоля от скорости воздушного потока обработки газовых потоков (эффективность около 25 %).

На основании полученных результатов был предложен способ управления процессом ультразвуковой коагуляции частиц, заключающейся в том, что частоту колебаний дискретно уменьшают по мере изменения дисперсного состава взвешенных частиц в процессе осаждения. Дискретное изменение частоты излучения осуществляют путем последовательного возбуждения требуемой частоты пьезоэлектрическим преобразователем, продольный размер которого ступенчато изменяется со стороны, не контактирующей с излучателем, таким образом, что каждая из ступенчато изменяемых длин соответствует по резонансной длине одной из мод изгибных колебаний излучателя.

В свою очередь, режим деструктивного УЗ воздействия (более 160 дБ) может быть эффективно применен в ряде других процессов, к которым относятся ультразвуковая сушка материалов и разрушение пены.

Для осуществления процесса сушки была создана экспериментальная установка, представляющая собой барабанную сушилку периодического действия. В качестве объекта сушки было использовано хлопковое волокно сухой массой 1 кг.

На первом этапе были проведены эксперименты по определению эффективности сушки в зависимости от уровня звукового давления. Для удаления влаги осуществлялась подача воздуха с температурой 20 °С. Полученные зави-

симости представлены на рисунке 27, а. На этом рисунке: 1 - воздействие с уровнем звукового давления 140 дБ; 2 - 150 дБ; 3 - 160 дБ; 4 — 165 дБ; 5 - сушка нагретым воздухом 1=55 °С; 6 - масса сухого образца. Как и следовало ожидать, с увеличением уровня звукового давления скорость сушки повышается. Однако ее эффективность остается недостаточной для практического применения. Для сравнения на этом же рисунке приведена зависимость уменьшения массы образца от времени, при сушке нагретым до 55 °С воздухом. Из полученных зависимостей следует, что эффективность сушки нагретым воздухом до 10% выше.

Однако при увеличении звукового давления свыше 160 дБ наблюдается резкое повышение эффективности УЗ сушки. Как было установлено при исследовании процесса УЗ коагуляции, при таких уровнях звукового давления происходит диспергирование жидкости и, следовательно, удаление влаги происходит без изменения ее агрегатного состояния путем распыления. Эффект наблюдается до влагосодержания 50 % от начальной массы образца, т.е. когда влага слабо связана с образцом.

Поскольку эффективность УЗ сушки оказалась ниже сушки нагретым воздухом, далее были проведены экспериментальные исследования, направленные на определение оптимального сочетания энергетического воздействия. Было исследовано пять комбинаций воздействия: 1 - УЗ воздействие (160 дБ); 2 - Нагрев (55 °С); 3 - Нагрев (55 °С) + УЗ (160 дБ); 4 - Нагрев (80 °С); 5 - Нагрев (80 °С) + УЗ (160 дБ); 6 - масса сухого образца (рисунок 27,6).

Время, мин Время, мин

а) б)

а) - при различных уровнях УЗ давления; б) - при различных воздействиях

Рисунок 27 - Зависимость влагосодержания образцов от времени сушки

Полученные результаты экспериментов позволили установить, что наибольшую эффективность имеет совместное воздействие нагретым сушильным агентом и УЗ колебаниями. При этом эффективность применения УЗ колебаний прямо пропорциональна температуре сушильного агента.

Установлено, что УЗ воздействие увеличивает продолжительность первого периода сушки до более низких значений влагосодержания. При этом продолжительность первого периода сушки обратно пропорциональна температуре сушильного агента. Это свидетельствует, что основным вкладом УЗ колебаний в процесс сушки является интенсификация диффузии влаги из внутренних слоев высушиваемого материала на его поверхность, которая затем удаляется при помощи сушильного агента.

20 30 40 50 Время, мин

Рисунок 28 - Зависимость влагосо-держания образцов от времени сушки при многочастотном воздействии

Известно, что на эффективность диффузии влаги влияет частота УЗ воздействия и наибольшая эффективность достигается при размере пор кратном длине волны. Точный размер пор в высушиваемом материале определить не представляется возможным. Поэтому была определена эффективность сушки при многочастотном. (21 кГц; 25 кГц; 27 кГц и 32 кГц) воздействии. Процесс осуществлялся при подаче нагретого до 55 °С сушильного агента. Полученные зависимости приведены на рисунке 28. На этом рисунке: 1 - воздействие на частоте 27 кГц, с уровнем звукового давления 160 дБ; 2 - многочастотное воздействие 21 кГц; 25 кГц; 27 кГц и 32 кГц, с уровнем звукового давления 160 дБ; 3 - масса сухого образца.

Из представленных зависимостей следует, что многочастотное УЗ воздействие обеспечивает прирост эффективности сушки до 20 % по сравнению с воздействием на одной фиксированной частоте.

В завершении пятого раздела приводятся результаты экспериментов, направленных на исследование эффективности УЗ разрушения пен. Воздействие осуществлялось 4 дисковыми и одним газоструйным излучателем.

В качестве пенообразователя использовался лауретсульфат натрия, образующий дисперсную систему, устойчивую в течение 7 часов.

На первом этапе было проведено исследование зависимости эффективности разрушения пены от частоты воздействия. Воздействие на пену осуществлялось в фокусе излучателей, с уровнем звукового давления 155±3 дБ. Исключение составлял газоструйный излучатель, обеспечивавший максимум 145±5 дБ. Полученные результаты представлены на рисунке 29 (1 - без УЗ воздействия; 2 - воздействие потоком воздуха; 3-10 кГц; 4-21 кГц; 5-25 кГц; 6-27 кГц; 7-32 кГц; 8 - поочередное воздействие всеми частотами).

Из представленных зависимостей следует, что изменение частоты в пределах от 21 кГц до 32 кГц не влияет на эффективность разрушения пены. Полученные расхождения находятся в пределах погрешности измерений. При этом даже поочередное воздействие на всех исследуемых частотах не привело к заметному повышению эффективности (зависимость 8 на рисунке 29).

Поэтому снижение эффективности разрушения пены газоструйным излучателем вызвано, по всей видимости, не низкой частотой воздействия, а малым уровнем звукового давления. Повысить его не позволяли как конструкция излучателя, так и необходимость обеспечения безопасности проведения эксперимента. При этом вклад в разрушение пены вносят не звуковые колебания, формируемые излучателем, а инжектируемый сжатый воздух. Для подтверждения этого пена была подвергнута воздействию сжатого воздуха с расходом, равным расходу через газоструйный излучатель (зависимость 2 на рисунке 29). Как видно из рисунка 29, полученные зависимости практически совпадают.

Ч 27 ** 24

21 18 15 12 9 б 3 О

1

ti Si

s2

rs

_ — Li -i — ....

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ^ мин

Рисунок 29 - Эффективность разрушения пены на различных частотах воздействия

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

мин

Рисунок 30 - Эффективность разрушения пены при различных уровнях звукового давления

Далее были проведены исследования эффективности разрушения пены при различных уровнях звукового воздействия. Полученные зависимости представлены на рисунке 30 (1 - без УЗ; 2 - 145 дБ; 3 - 150 дБ; 4 - 155 дБ; 5 - 160 дБ; 6-165 дБ). Из представленных зависимостей видно, что уровень звукового давления в значительной степени влияет на эффективность разрушения пены. Увеличение уровня звукового давления до 165 дБ обеспечивает ускорение процесса до 80-ти раз по сравнению с естественным разрушением и более 20 раз по сравнению со 145 дБ.

Таким образом, показано, что основным фактором, определяющим эффективность разрушения пены, является уровень звукового давления. При этом энергетические затраты составляют до 0,5 Вт-ч/л. Следует учитывать, что пена, используемая в экспериментальных исследованиях, является весьма стабильной, поэтому для менее устойчивых пен скорость разрушения будет выше при меньших энергозатратах.

Шестой раздел содержит описание разработанных технологических аппаратов, реализующих выявленные режимы УЗ воздействия при осуществлении процессов распыления, коагуляции, сушки и разрушения пен и пригодных для практического применения в различных отраслях промышленности.

Разработана конструкция УЗ распылителя для нанесения на поверхность пластины слоя фоторезиста (взамен используемого в настоящие время ротационного способа). В результате испытаний разработанного оборудования было установлено, что:

- применение УЗ распыления для покрытия поверхности полупроводниковой пластины фоторезистом позволяет снизить потери фоторезиста на 70-73 % по сравнению с ротационным способом;

- применение разработанного способа для управления процессом распыления (патент РФ №2465965) позволяет добиться качества покрытия поверхности, не уступающего ротационному способу, что делает возможным промышленное применение ультразвукового способа нанесения фоторезиста.

Созданы распылители для нанесения полирующего состава при осуществлении процесса химико-механического полирования кремниевых пластин. Разработанное оборудование позволило:

- снизить расход (до 25 %) дорогостоящих материалов благодаря созданию на полирующем круге равномерного слоя полировальной жидкости строго определенной толщины;

— обеспечить повышение качества формируемой поверхности за счет равномерного распределения частиц абразивного вещества в слое полировальной жидкости.

Техническое решение защищено патентом РФ №2305621, свидетельством на программу для ЭВМ № 2010617781. Подана заявка на изобретение №2011146974.

Разработаны УЗ распылители для сушки жидких растительных экстрактов, обеспечивающие повышение однородности (снижение дисперсии) получаемых капель экстракта по сравнению с пневматическим распылением. Это обеспечивает повышение равномерности сушки и уменьшение потерь полезного продукта за счет исключения уноса мелкой фракции из объема сушильной камеры.

Созданы ультразвуковые распылители для получения гранулированного алюминия из расплава. Результаты проведенных экспериментов позволили показать, что применение ультразвукового воздействия позволяет увеличить выход фракции с размером частиц до 5 мкм с 8,65 до 12,62 процентов, а частиц с размером до 10 мкм с 24,1 до 33,3 процентов от перерабатываемого металла, что при годовом объеме производства в 5000 т позволит дополнительно получить до 200 т мелкодисперсного алюминия.

Разработана конструкция двухчастотного распылителя малых, строго дозированных объемов вязких жидкостей. Распылитель обеспечивает формирование полидисперсного аэрозоля с размерами капель 2-30 мкм и может использоваться для лабораторных исследований. Техническое решение защищено патентами РФ №2388500 и Пат. Германии №202007006 399.7.

Впервые созданы высокочастотные (от 130 кГц до 250 кГц) распылители в слое жидкости, обеспечивающие узконаправленный факел распыла. Разработанное оборудование применяется для нанесения покрытий на стенды коронарных сосудов. Техническое решение защищено патентом № 2446894.

Разработаны ультразвуковые распылители для установки определения технического состояния авиационных двигателей по содержанию продуктов износа в пробе смазочного масла, что позволило повысить точность выявления дефектов до 99,9 %.

Предложены и разработаны конструкции высокопроизводительных УЗ распылителей жидкости. В качестве УЗКС этого типа распылителей используется дисковый излучатель, разработанный для газовых сред (обладающий большой площадью излучающей поверхности), снабженный разработанной системой равномерной подачи жидкости. Разработанные распылители позволяют осуществлять распыление жидкости с производительностью до 1100 л/час при энергопотреблении 0,35 кВт/час и среднем диаметре формируемых капель жидкости 100 мкм.

Разработаны конструкции различных по мощности и частоте излучаемых УЗ колебаний, которые нашли применение в оборудовании для коагуляции дисперсных примесей для улавливания поликристаллического кремния из среды водорода методом коагуляции совместно с инерционным пылеосаждением и установке для очистки дымовых газов от золы в газоходе методом ультразвуковой коагуляции. Применение разработанных излучателей обеспечило повышение эффективности улавливания дисперсных примесей на 20-60 %.

Создано оборудование для повышения степени очистки попутного нефтяного газа производительностью до 8 ООО нм3 /час, работающее под расчетным давлением 1 МПа и обеспечивающее эффективность улавливания до 99,5 % для дисперсных примесей размером от 1 мкм.

Разработана конструкция не имеющего аналогов оборудования для инерционно-акустического улавливания дисперсных частиц микронного и субмикронного диапазонов. Конструктивно оборудование состоит из предварительного акустического агломератора дисперсных частиц и коагуляционной камеры на основе пылеуловителя со встречно-закрученными потоками, снабженного УЗ излучателями. Разработанное оборудование для улавливания субмикронных частиц позволяет за счет УЗ воздействия обеспечить степень улавливания частиц размером от 0,2 до 1 мкм 90-98 %, при плотности частиц 50 г/дм3.

Технические решения защищены патентами РФ №2421566, №2430509, №2447926, патентом на полезную модель № 102197, свидетельством на программу для ЭВМ №2010617783.

Разработаны конструкции установок для УЗ сушки различных материалов, имеющие сушильные камеры с резонансным усилением и использующие в качестве источника УЗ колебаний созданные излучатели дискового типа. Технические решения защищены патентами №2277611, №2374965, №2367862 и свидетельством на программу для ЭВМ №2011613509.

Перспективным направлением применения разработанных излучателей является разрушение пен. Разработанные опытные образцы обеспечивают скорость разрушения пены до 70 л/мин (при использовании 4-х излучателей). Получено свидетельство на программу для ЭВМ №2011313510.

Таким образом, приведенные в шестом разделе практические результаты подтвердили функциональные возможности созданного оборудования и эффективность выявленных режимов УЗ воздействия при реализации процессов распыления жидкостей, коагуляции аэрозолей, сушки различных материалов и разрушения пен.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованы процессы и выявлены причины, ограничивающие эффективность УЗ распыления жидкостей, коагуляции газодисперсных систем, впервые выявлены действующие факторы и физические свойства сред, учет которых необходим для определения и поддержания оптимальных режимов ультразвукового воздействия и создания высокоэффективных УЗ излучателей.

2. Впервые разработано математическое описание процесса УЗ кавитаци-онного распыления, которое основано на учете взаимодействия ударных волн,

образующихся при захлопывании кавитационных пузырьков со свободной поверхностью жидкости, и позволяет определять оптимальные режимы (амплитуда, частота УЗ воздействия и толщина слоя распыляемой жидкости) распыления в зависимости от физических свойств (вязкость и поверхностное натяжение) жидкости для обеспечения требуемых производительности и диаметра капель формируемого аэрозоля.

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс ультразвуковой коагуляции под действием упругих колебаний в газовой среде, основанная на системе уравнений Смолуховского, учитывающая влияние вязкости газовой дисперсионной среды и позволяющая определять зависимости эффективности коагуляции газодисперсных систем от параметров УЗ воздействия.

4. На основе анализа разработанных моделей определены свойства жидкостей, оказывающие наибольшее влияние на процесс распыления и требующие их учета, впервые выявлены оптимальные режимы УЗ воздействия для коагуляции мелкодисперсных (до 10 мкм) аэрозолей.

5. Впервые предложен способ автоматического управления процессом ультразвукового распыления вязких жидкостей, основанный на регистрации информации о состоянии распыляемых сред по изменению входного импеданса колебательной системы и формировании управляющих воздействий (амплитуды УЗ колебаний) для автоматического установления требуемой производительности.

6. Разработаны новые конструкции УЗ колебательных систем для распыления жидкостей; обеспечивающих широкий диапазон диаметров формируемых капель жидкости (от 13 мкм до 80 мкм), производительностей (0,1 мл/с до 1100 л/час) и увеличение допустимых значений вязкости распыляемых жидкостей (до 80 мПа-с).

7. Разработаны новые конструкции излучателей УЗ колебаний в газовые среды различного диаметра (от 100 мм до 420 мм) для воздействия на частотах более 20 кГц с интенсивностями до 166 дБ, основанные на преобразовании продольных колебаний пьезопреобразователей в изгибные колебания дисков (фокусирующие, с преимущественным односторонним излучением).

8. Разработаны узлы и элементы электронных генераторов для питания УЗ колебательных систем, обеспечивающие автоматическую подстройку выходной частоты, мощности генератора и измерение входного электрического сопротивления и резонансной частоты колебательной системы для автоматического управления процессом ультразвукового распыления жидкостей.

9. Исследованы процессы формирования УЗ колебаний в газовых средах при помощи разработанных излучателей, позволившие установить режимы УЗ воздействия (по частоте и уровню звукового давления) обеспечивающие максимальную скорость протекания процессов сушки и пеногашения.

10. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие повышение эффективности исследуемых процессов в теоретически выявленных оптимальных режимах УЗ воздействия. При распылении жидкостей обеспечивается уменьшение дисперсности формируемого факела распыления на 20 %, размеров формируемых капель до 13 мкм; обеспечивается ускорение процесса коагуляции газодисперсных систем в 11-18 раз; повышение скорости сушки на

4-10 % по сравнению с конвективной сушкой; обеспечивается разрушение пен со скоростью до 80-ти раз по сравнению с естественным разрушением пены.

11. На основе выявленных режимов УЗ воздействия разработаны новые способы для практической реализации процессов распыления жидкостей, коагуляции, сушки и разрушения пен. Предложены и разработаны практические конструкции УЗ производственных аппаратов, получено подтверждение их эффективности при реализации различных технологических процессов.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ

(публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях и приравненные к ним)

Монографии

1. Хмелев, В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве: монография / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, A.B. Шалунов, Р.В Барсуков С.Н. Цыганок. - Барнаул: АлгГТУ, 2007. - 400 с.

2. Шалунов, A.B. Ультразвуковое распыление жидкостей: монография / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, A.B. Шалунова. - Барнаул: АлтГТУ, 2010. - 271 с.

3. Шалунов, A.B. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей: монография / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, К.В. Шалунова, Р.В. Барсуков, А.Н. Сливин, С.Н. Цыганок. - Барнаул-АлгГТУ, 2010.-235 с.

4. Шалунов, A.B. Акустическая коагуляция аэрозолей: монография / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, К.В. Шалунова. - Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. -273 с.

Статьи в рецензируемых научных журналах

5. Shalunov, A.V. Studies of ultrasonic dehydration- efficiency / A.V. Shalunov,

A.N. Lebedev , V.N. Khmelev, D.S. Abramenko, R.V. Barsukov // Journal of Zhejiang University SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). - 2011. - Vol. 12. - No.4. - P. 247-354.

6. Хмелев, В.Н. Управление работой электронного генератора при ультразвуковом воздействии на кавигирующие технологические среды / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Выпуск 2. - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 32-40.

7. Шалунов, A.B. Моделирование процессов в ультразвуковом поле / A.B. Шалунов,

B.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника». Выпуск 2. - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 124-133.

8. Шалунов, A.B. Управление процессом ультразвукового распыления вязких жидкостей / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок // Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника» Выпуск 8. - Тула: ТулГУ, 2006. - С. 12-19.

9. Шалунов, A.B. Повышение качества нанесения покрытий на скользящую поверхность / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, C.B. Левин, Е.В. Чипурин, С.Н. Цыганок И Известия Тульского государственного университета. Серия «Технологическая системотехника» Выпуск 8. - Тула: ТулГУ, 2006. - С. 93-101.

10. Шалунов, A.B. Акустическая коагуляция аэрозолей / A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, В.Н. Хмелев, Д.С. Абраменко //Ползуновский вестник. - 2008 -№1-2 -С. 66-75.

11. Хмелев, В.Н. Усовершенствованная конструкция циклона для очистки промышленных газов от дисперсных примесей / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, К.В. Шалунова // Ползуновский вестник. - 2009.-№3. - С. 104-107.

12. Шалунов, A.B. Особенности проектирования электронных генераторов для излучателей, предназначенных для воздействия на газовые среды / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, Д.С. Абраменко, Д.В. Генне, А.Д. Абрамов // Известия Томского Политехнического Университета. - 2010. - Т. 316. - № 4. - С. 77-81.

13. Хмелев, В.Н. Разработка пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов в газовых средах / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, С.С. Хмелев, С.Н. Цыганок, А.Н. Лебедев, А.Н. Галахов // Известия Тульского Государственного университета. Серия «Технические науки». -2010. -Вып.1. -С. 148-153.

14. Хмелев, В.Н. Моделирование процессов коагуляции газодисперсных систем для определения оптимальных режимов акустического воздействия / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, К.В. Шалунова, Р.Н. Голых // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2010 -№2 (20).-С. 48-52.

15. Шалунов, A.B. Комплексное исследование акустической коагуляции мелкодисперсного аэрозоля / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, К.В. Шалунова, Р.Н. Голых // Ползунов-ский вестник. - 2010. -№ 3. - С. 303-309.

16. Шалунов, A.B. Разработка высокочастотных ультразвуковых колебательных систем для мелкодисперсного распыления жидкостей / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, A.B. Шалунова, М.В. Хмелев, С.С. Хмелев, Д.В. Генне, Р.В. Барсуков // Ползуновский вестник -2010.-№3.-С. 315-320.

17. Хмелев, В.Н. Экспериментальное исследование эффективное™ воздействия акустическими колебаниями ультразвуковой частоты на воздушно-капельные дисперсии /

B.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, С.Н. Цыганок, К.В. Шалунова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -2010. - №3. - С. 632-642.

18. Шалунов, A.B. Способ контроля амплитуды ультразвукового воздействия / A.B. Шалунов, Д.С. Абраменко, Р.В. Барсуков, В.Н. Хмелев, Д.В. Генне //Датчики и системы. -2010. -№ 12.-С. 43-47.

19. Шалунов, A.B. Согласование электронных генераторов с пьезоэлектрическими колебательными системами для повышения эффективности ультразвуковых аппаратов / A.B. Шалунов, Д.В. Генне, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, В.Н. Хмелев, Д.С. Абраменко // Известия Томского Политехнического Университета. - 2010. - Т. 317. -№ 4. - С. 139-143.

20. Хмелев, В.Н. Ультразвуковое оборудование для интенсификации химико-технологических процессов / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков, М.В. Хмелев,

C.Н. Цыганок // Клеи. Герметики. Технологии. - 2010. - № 5. - С. 28-30.

21. Шалунов, A.B. Моделирование процесса формирования кавитационной области в вязких жидкостях для определения оптимального обрабатываемого технологического объема и режимов воздействия / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, С.С. Хмелев, Р.Н. Голых, Р.В. Барсуков // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2010. -№ 4 (22). - С. 58-62.

22. Хмелев, В.Н. Разработка и исследование высокочастотного ультразвукового распылителя жидкости / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, A.B. Шалунова // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - № 4. - С. 212-215.

23. Шалунов, A.B. Технологии ультразвукового мелкодисперсного распыления на службе охраны здоровья / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, A.B. Шалунова // Нанотехнолопш и охрана здоровья. - 2011. - № 1. - С. 30-33.

24. Хмелев, В.Н. Исследование акустической коагуляции аэрозоля, переносимого потоком воздуха / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, К.В. Шалунова, Р.Н. Голых // Ползуновский вестник. - 2011. - № 4/1. - С. 211-216.

25. Шалунов, A.B. Разработка и исследование новых принципов построения мелкодисперсных ультразвуковых распылителей вязких жидкостей / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, Д.В. Генне, A.B. Шалунова, Р.Н. Голых // Известия Томского политехнического университета. -2011. - Т. 319. -№ 4. - С. 158-163.

26. Шалунов, A.B. Использование ультразвуковых колебаний для повышения эффективности распыления расплава алюминия / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, C.B. Змановский, С.Н. Цыганок // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - № 5. - С. 135-140.

27. Шалунов, A.B. Разработка ультразвукового оборудования для разрушения пен и исследование его функциональных возможностей / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, А.Н. Галахов // Вестник Тамбовского государственного технического университета - 2011 - Т 17 -№4. - С. 969-978.

28. Шалунов, A.B. Исследование эффективности применения ультразвуковых колебаний для осаждения мелкодисперсных аэрозолей / A.B. Шалунов, A.A. Антонникова, ОБ. Куд-ряшова, М.В. Хмелев// Научно -технический вестник Поволжья. - 2011. - № 6. - С. 96-100

29. Шалунов, A.B. Измерение размеров капель жидкости, получаемых при различных режимах работы ультразвуковых распылителей / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, A.B. Шалуно-ва, Д.В. Генне, Р.Н. Голых // Ползуновский вестник. - 2012. - № 3/2. - С. 179-184.

Патенты

30. Zweifreguenz bzv. Multifreguenz-Ultraschallzer-stauber: пат: №202007006 399.7 Германия / Shalunov A.V., Khmelev V.N. Zisser M.

31. Способ ультразвуковой сушки: пат. №2277611 Российская Федерация: МПК D06F58/02 / Шалунов A.B., Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Заборовский A.B., Цыганок С.Н., Хмелев М.В., Савин И.И.; заявитель и патентообладатель: ГОУ ВПО «Алт ГТУ им. И.И. Ползунова». -2004133804/12; заявл. 18.11.2004; опубл. 10.06.2006, Бюл. № 16. - 11 с.

32. Способ химико-механического полирования полупроводниковых пластин: пат. №2305621 Российская Федерация: МПК В24В1/04; В24В37/04; H01L21/304 / Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н.; заявитель и патентообладатель: ГОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова». -2005137129/02; заявл. 29.11.2005; опубл. 10.09.2007, Бюл. № 25.-9 с.

33. Устройство для ультразвуковой сушки: пат. №2367862 Российская Федерация: МПК F26B5/02 / Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Лебедев А.Н.; заявитель и патентообладатель: ГОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова». - 2008118796/06; заявл. 12.05.2008; опубл. 29.09.2009, Бюл. № 26. -9 с.

34. Способ ультразвуковой сушки: пат. №2374965 Российская Федерация: МПК A45D 20/10 ; В06В 1/06 ; В06В 3/00 (2006.01) / Хмелев В.Н., Шалунов A.B. ; заявитель и патентообладатель: ГОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова». - 2008118795/12; заявл. 12.05.2008; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34. - 7 с.

35. Ультразвуковой аэрозольный аппарат: пат. №2388500 Российская Федерация: МПК А61М11/00; А61М15/00 / Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Зиссер М.Я.; заявитель и патентообладатель: ГОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова». - 2008142639/14; заявл. 27.10.2008; опубл. 10.05.2010, Бюл. № 13. - 11 с.

36. Ультразвуковая коагуляционная камера: пат. №102197 Российская Федерация: МПК B01D51/08 / Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Шалунова К.В.; заявитель и патентообладатель: ГОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова». - 2010140035/05; заявл. 29.09.10; опубл.

20.11.2010, Бюл. №5.-5 с.

37. Способ электрофизического воздействия на воздушно-капельные дисперсии: пат. №2421566 Российская Федерация: МПК Е01Н13/00 / Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Хмелев М.В., Лебедев А.Н., Шалунова К.В.; заявитель и патентообладатель: Российская Федерация, от имени которой выступает «федеральное агентство по науке и инновациям», ООО «Центр ультразвуковых технологий» . - 2009130948/21; заявл. 13.08.09; опубл.

20.06.2011, Бюл. №17,-11 с.

38. Устройство электрофизического воздействия на аэрозоли: пат. №2430509 Российская Федерация: МПК A01G15/00 / Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Хмелев М.В., Лебедев А.Н., Шалунова К.В., Галахов А.Н.; заявитель и патентообладатель: Российская Федерация, от имени которой выступает «федеральное агентство по науке и и инновациям», ООО «Центр ультразвуковых технологий» . - 2010110402/21; заявл. 18.03.10; опубл. 10.10.2011, Бюл. №28.-10 с.

39. Способ коагуляции инородных частиц в газовых потоках : пат. 2447926 Рос. Федерация: МПК (2006.01) B01D51/08, B03D3/04 Хмелев В.Н.; Шалунов A.B., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Шалунова К.В., Галахов А.Н. (Россия) патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (Россия) заявка: 2010123572/ от 09.05.2010; опубл. 20.12.2011., Бюл. № 35.-9 е.: ил.

40. Ультразвуковая колебательная система для распыления жидкостей: пат. 2446894 Рос. Федерация: МПК (2006.01) В05В17/06 Хмелев ВН., Хмелев С.С., Хмелев М.В., Шалу-

нов A.B., Генне Д.В., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В. (Россия) патентообладатель: ООО «Центр ультразвуковых технологий» (Россия) заявка: 2010137457/05 от 08.09.2010; опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10. - 11 е.: ил.

41. Способ управления процессом ультразвукового распыления жидкостей : пат. 2465965 Рос. Федерация: МПК (2006.01) В05В17/06 Хмелев В.Н., Шалунов A.B., Генне Д.В., Шалунова A.B. (Россия) патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» (Россия) заявка: 2011140651/05 от 06.10.2011; опубл. 10.11.2012., Бюл. № 31. - 10 е.: ил.

42. Программа управления процессом распыления жидких сред / A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков, М.В. Хмелев, Д.С. Абраменко, Д.В. Генне // Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010617781,2010.

43. Программа управления процессом коагуляции природных и техногенных воздушно-капельных дисперсий / A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков, М.В. Хмелев, Д.С. Абраменко, Д.В. Генне // Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010617783,2010.

44. Программа управления процессом ультразвуковой сушки / A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков, А.Д. Абрамов, Ю.М. Кузовников, Е.В. Ильченко // Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011613509,2011.

45. Программа управления процессом пеногашения в ультразвуковом поле / A.B. Шалунов, Р.В. Барсуков, А.Н. Галахов, К.В. Шалунова, С. С. Хмелев // Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011613510, 2011.

Журналы, учитываемые при определении РИНЦ

46. Шалунов, A.B. Применение ультразвукового распыления в процессе производства полупроводниковых приборов [Электронный ресурс] / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.Н. Сливин // Электронный журнал «Техническая акустика». - 2005. - 33. - 9 с. - Режим доступа http://wvw.ejta.org/ejta/ms/abstracts2005rus/ khmelev3rus.shtral

47. Шалунов, A.B. Исследование эффективности ультразвуковой сушки [Электронный ресурс] / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.Н. Лебедев // Электронный журнал "Техническая акустика". - 2009. - 6. - 13 с. - Режим доступа http://ejta.org/archive/articles2009/khmelev6.zip

48. Хмелев, В.Н. Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности для интенсификации процессов в газовых средах / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, С.Н. Цыганок, Р.В. Барсуков, К.В. Шалунова//Химическая техника.-2010. -№ 1. - С. 23-28.

49. Шалунов, A.B. Ультразвуковое оборудование для интенсификации химико-технологических процессов / A.B. Шалунов, В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, М.В. Хмелев, С.Н. Цыганок // Энциклопедия инженера-химика. -2010.- № 6. - С. 7—11.

50. Хмелев, В.Н. Разработка оборудования ультразвукового пеногашения и определение его функциональных возможностей [Электронный ресурс] / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, А.Н. Галахов // Электронный журнал «Техническая акустика». - 2011. - 5. - 10 с. - Режим доступа http://ejta.org/archive/articles201 l/khmelev8,zip

51. Хмелев, В.Н. Выявление оптимальных режимов и условий ультразвукового воздействия для распыления вязких жидкостей [Электронный ресурс] / В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, Р. Н. Голых, A.B. Шалунова // Электронный журнал «Техническая акустика». - 2011. -10. 15 с. - Режим доступа http://ejta.org/archive/articles2011/khmelev9.zip

Подписано в печать 14.02.2013 г. Печать - ризография. Заказ 2013 - 21 Объем 2,5 п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ МЕТОДАМИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

05201350785

На правах рукописи

Шалунов Андрей Викторович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор В.Н. Хмелев

Бийск-2013

Оглавление

Введение..................................................................................... 9

1 Анализ процессов химических технологий, реализуемых при помощи ультразвуковых колебаний в гетерогенных системах............................ 20

1.1 Явления, происходящие при ультразвуковом воздействии на границу раздела жидкость-газовая среда. Процесс ультразвукового распыления жидкостей................................. 25

1.1.1 Существующие способы распыления жидкостей............... 29

1.1.2 Факторы, влияющие на эффективность процесса ультразвукового распыления жидкостей................................. 32

1.1.3 Принципы построения и анализ недостатков существующего ультразвукового распылительного оборудования................................................................... 35

1.2 Явления, происходящие при распространении ультразвуковых колебаний в газодисперсных средах. Процесс ультразвуковой коагуляции дисперсных частиц................................................. 39

1.2.1 Существующие способы разделения газодисперсных систем 42

1.2.2 Проблемы применяемых способов разделения газодисперсных систем....................................................... 45

1.2.3 Факторы, влияющие на эффективность процесса ультразвуковой коагуляции газодисперсных систем.................. 56

1.3 Явления, происходящие при передаче колебаний в гетерогенные системы через газовые промежутки. Процесс ультразвуковой сушки материалов........................................................................... 49

1.3.1 Существующие способы сушки материалов...................... 50

1.3.2 Анализ факторов, влияющих на эффективность процесса ультразвуковой сушки материалов......................................... 52

1.3.3 Процесс ультразвукового разрушения пен........................ 56

1.3.4 Существующие способы разрушения пен......................... 57

1.3.5 Анализ факторов, влияющих на эффективность ультразвукового разрушения пены......................................... 59

1.4 Принципы построения и анализ недостатков существующих акустических излучателей, предназначенных для воздействия на газовые среды........................................................................ 61

1.4.1 Аэродинамические излучатели...................................... 61

1.4.2 Электромеханические преобразователи............................ 63

1.4.3 Электромеханические преобразователи с пьезоэлектрическим активным элементом................................................ 65

1.5 Выводы........................................................................... 68

2 Теоретическое исследование процессов, происходящих при введении ультразвуковых колебаний в тонкие слои жидкости на границе раздела с газовой средой, для установления режимов воздействия, обеспечивающих распыление жидкости с необходимыми производительностью и

дисперсными характеристиками формируемых капель......................................................69

2.1 Определение амплитуды звукового давления в слое распыляемой жидкости..........................................................................................................................................................71

2.2 Определение максимального радиуса кавитационного пузырька

в зависимости от толщины слоя распыляемой жидкости......................................72

2.3 Определение величины амплитуды давления во фронте ударной волны, возникающей при захлопывании кавитационного пузырька................75

2.4 Определение длины и амплитуды образующихся капиллярных волн........................................................................................................................................................................77

2.5 Определение диаметра формируемых капель жидкости............................88

2.6 Определение производительности ультразвукового распыления жидкостей........................................................................................................................................................90

2.7 Определение скорости отрыва капель распыляемой жидкости..........94

2.8 Определение высоты формируемого факела распыления........................97

2.9 Выводы......................................................................................................................................................100

3 Теоретическое исследование процессов, происходящих при распространении и взаимодействии ультразвуковых колебаний с дисперсными частицами в газовых средах, с целью установления оптимальных режимов воздействия.................................................... 101

3.1 Общий подход к выявлению оптимальных режимов акустического воздействия для коагуляции газодисперсных систем....................... 102

3.2 Вероятностная модель Смолуховского парных соударений дисперсных частиц................................................................. 104

3.3 Существующая модель оценки вероятности соударения аэрозольных частиц................................................................ 109

3.4 Модель определения вероятности соударения частиц с учетом вязкости среды...................................................................... 113

3.5 Теоретический анализ оптимальных условий процесса акустической коагуляции......................................................... 124

3.6 Выводы........................................................................... 128

4 Разработка ультразвуковых колебательных систем и элементов электронных генераторов для реализации химико-технологических процессов в гетерогенных системах методами высокоинтенсивных ультразвуковых воздействий............................................................ 129

4.1 Выбор конструктивной схемы ультразвуковой колебательной системы............................................................................... 130

4.1.1 Разработка полуволновых пьезоэлектрических колебательных систем........................................................ 131

4.2 Разработка ультразвуковых колебательных систем увеличенной мощности............................................................................. 136

4.2.1 Разработка пьезоэлектрического преобразователя.............. 138

4.2.2 Разработка бустерного звена......................................... 140

4.2.3 Разработка концентратора механических колебаний........... 142

4.3 Разработка излучателей для воздействия на обрабатываемые среды.................................................................................. 144

4.3.1 Разработка излучателя с распыляющей поверхностью, обеспечивающей формирование факела распыления заданной формы.. 144 4.3.1.1 Определение угла при вершине распылительной поверхности.. 144

4.3.2 Определение площади растекания жидкости по распылительной поверхности............................................... 148

4.3.3 Определение количества и местоположения отверстий для подачи жидкости на распылительную поверхность.................... 149

4.3.4 Разработка излучателя для воздействия на газовые среды

и передачи колебаний через газовые промежутки..................... 151

4.3.5 Разработка конструкции отражателя................................ 162

4.4 Разработанные конструкции ультразвуковых колебательных систем для распыления жидкостей.............................................. 163

4.5 Разработанные конструкции ультразвуковых излучателей........... 167

4.6 Разработка специализированных ультразвуковых колебательных систем................................................................................. 170

4.6.1 Разработка высокочастотной ультразвуковой колебательной системы для мелкодисперсного распыления жидкостей.............. 171

4.6.2 Разработка ультразвуковой колебательной системы для мелкодисперсного распыления высоковязких жидкостей............ 175

4.6.2.1 Разработка конструкции распылительной камеры............. 176

4.6.2.2 Разработанные конструкции ультразвуковых колебательных систем для мелкодисперсного распыления вязких жидкостей...................................................................... 179

4.6.3 Разработка многочастотных ультразвуковых излучателей для воздействия на газовые среды и для передачи колебаний на различные среды через газовые промежутки........................... 180

4.7 Разработка систем электронных генераторов, предназначенных

для питания ультразвуковых колебательных систем........................ 182

4.8 Выводы........................................................................... 185

5 Экспериментальное выявление оптимальных режимов ультразвукового воздействия на химико-технологические процессы в гетерогенных системах...................................................................................... 187

5.1 Экспериментальное исследование процесса ультразвукового распыления жидкостей............................................................. 187

5.1.1 Подтверждение развития кавитационных процессов в распыляемом тонком слое жидкости на поверхности ультразвукового излучателя............................................... 187

5.1.2 Экспериментальное исследование зависимости эффективности ультразвукового распыления от толщины слоя распыляемой жидкости........................................................ 191

5.1.3 Разработка способа управления процессом

УЗ распыления жидкостей.................................................... 197

5.1.4 Определение зависимости среднего диаметра формируемых капель от амплитуды и частоты ультразвукового воздействия.... 201

5.1.5 Определение зависимости среднего диаметра формируемых капель от вязкости распыляемой жидкости............................... 208

5.1.6 Определение зависимости среднего диаметра формируемых капель от поверхностного натяжения распыляемой жидкости....... 211

5.1.7 Определение размеров формируемого факела для различных распылительных поверхностей.............................................. 214

5.1.8 Определение зависимости производительности распыления жидкости от частоты колебаний распыляющей поверхности......... 216

5.1.9 Зависимость диаметра формируемых капель жидкости от режимов ультразвукового воздействия и свойств жидкости........ 219

5.2 Экспериментальное исследование и выявление оптимальных параметров ультразвукового воздействия на газовые среды

для коагуляции аэрозолей......................................................... 221

5.2.1 Экспериментальная установка для проведения исследований ультразвуковой коагуляции аэрозолей................................. 224

5.2.2 Виды аэрозолей, использовавшихся при проведении экспериментов................................................................... 226

5.2.3 Получение качественной картины воздействия ультразвуковыми колебаниями на газодисперсные системы......... 227

5.2.4 Исследование эволюции дисперсного состава аэрозоля

в ультразвуковом поле........................................................ 230

5.2.5 Определение зависимости эффективности коагуляции аэрозолей от частоты воздействия.......................................... 234

5.2.6 Определение зависимости эффективности ультразвуковой коагуляции аэрозолей от уровня звукового давления................... 237

5.2.7 Определение оптимальных режимов ультразвуковой коагуляции аэрозолей, переносимых воздушными потоками........ 240

5.3 Экспериментальное исследование процесса интенсификации сушки материалов при передаче ультразвуковых колебаний через газовые среды............................................................................................................................................................244

5.3.1 Определение эффективности сушки пищевых продуктов ультразвуковыми колебаниями.............................................. 247

5.3.2 Оценка энергетической эффективности ультразвуковой сушки............................................................................. 251

5.4 Экспериментальные исследования процесса интенсификации разрушения пены при передаче ультразвуковых колебаний через газовые среды............................................................... 252

5.5 Выводы............................................................................ 256

6 Практическое применение разработанного ультразвукового оборудования

для реализации химико-технологических процессов в гетерогенных системах...................................................................................... 258

6.1 Разработанные ультразвуковые распылители для нанесения фоточувствительного слоя на поверхность кремниевой пластины....... 258

6.2 Разработанные ультразвуковые распылители для химико-механического полирования полупроводниковых пластин................ 262

6.3 Разработанные ультразвуковые распылители для сушки жидких растительных экстрактов......................................................... 266

6.4 Разработанные ультразвуковые распылители для получения гранулированного алюминия из расплава..................................... 268

6.5 Разработанные высокочастотные ультразвуковые распылители.... 272

6.6 Разработанные ультразвуковые распылители высоковязких жидкостей.......................................................... 274

6.7 Ультразвуковой распылитель малых, строго дозированных объемов вязких жидкостей....................................................... 279

6.8 Разработка высокопроизводительных ультразвуковых распылителей жидкости........................................................... 281

6.9 Разработанное оборудование для ультразвуковой коагуляции аэрозолей в больших объемах................................................... 283

6.10 Разработанные установки для коагуляции аэрозолей в газоходах 287

6.11 Усовершенствованная конструкция инерционного пылеуловителя...................................................................... 290

6.12 Разработанное оборудование для повышения степени очистки попутного нефтяного газа......................................................... 292

6.13 Разработанные конструкции для улавливания дисперсных частиц микронного и субмикронного диапазонов........................... 295

6.14 Разработанная конструкция малогабаритной ультразвуковой сушильной установки.............................................................. 301

6.15 Разработанная конструкция ультразвуковой сушильной установки с фокусировкой колебаний в высушиваемом материале.... 305

6.16 Конструкция ультразвуковой установки для разрушения пены.... 307

6.17 Выводы.......................................................................... 309

Заключение................................................................................... 312

Список литературы....................................................................... 315

Приложение А. Акты использования................................................. 353

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена тем, что среди процессов химической технологии, протекающих в гетерогенных системах, особое значение имеют процессы образования и разделения газодисперсных систем. Так, перевод жидкости в дисперсное состояние является наиболее эффективным способом увеличения поверхности межфазного взаимодействия, например, для получения новых материалов. Процессы разделения газодисперсных систем являются основой технологических систем газоочистки, выделения наноразмерных материалов, разрушения пен для исключения потерь производимого продукта, сушки материалов - заключительной стадии большинства технологических процессов, определяющей качество конечного продукта.

Применение ультразвуковых (УЗ) колебаний, передаваемых в гетерогенные системы для интенсифицирующего воздействия на различные технологические процессы, обеспечивает не только значительное ускорение этих процессов, увеличение выхода производимого продукта, но и придает уникальные особенности получаемым продуктам.

Известно, что УЗ воздействие на тонкий слой жидкости обеспечивает мелкодисперсное и монодисперсное распыление, формирование факела распыления заданной формы, исключает необходимость в распыливающем агенте, позволяет распылять высоковязкие жидкости без использования растворителей.

Однако на основе анализа исследований, проведенных в нашей стране (Л.Д. Розенберг, O.K. Экнадиосянц, Ю.Я. Богуславский, О.В. Абрамов, Б.Г. Новицкий) [1-4] и за рубежом (H.L. Berger, H. Amaveda, A. Lozano, Shirley С. Tsai, Chen S. Tsai) [4-8], было устанлвлено, что на сегодняшний день не существует единой теории, описывающей процессы, происходящие на границе раздела жидкость-газовая среда при воздействии на тонкий слой жидкости УЗ колебаниями высокой интенсивности, и позволяющей определять оптимальные режимы воздействия.

Кроме того, сравнительный анализ отечественных (различные модификации аппаратов типа РУЗ) [9] и зарубежных (Sono-Tek, Sonics, Sonaer (США), Misonix (Швейцария)) [10-13] УЗ распылителей показал, что установление требуемой величины УЗ воздействия осуществляется вручную, опытным путем на основании субъективных ощущений оператора или по косвенным признакам, что вызывает ухудшение дисперсных характеристик образующихся капель и приводит к невозможности поддержания процесса распыления жидкости.

В свою очередь, при распространении УЗ колебаний через гетерогенные системы с газовой дисперсионной средой происходит коагуляция взвешенной в ней и твердой или жидкой дисперсной фазы. Это обеспечивает ускоренное осаждение аэрозолей различного происхождения и дисперсности, может применяться во взрывоопасных и агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях и является одним из перспективных путей повышения эффективности газоочистного оборудования.

Исследования, проведенные в нашей стране (Л.Д. Розенберг, X. Грин, Н.А. Фукс, Е.П. Медников, Р.Ш. Школьникова, В.И. Тимошенко, Н.Н. Чернов) [1, 14-20] и за рубежом (С.A. Stokes, О. Brandt, Е. Hiedeman, J.A. Gallego-Juares, Е. Riera-Franco De Sarabia, G. Rodríguez-Corral) [21, 22], подтверждают интенсифицирующее воздействие ультразвуковых колебаний на процесс улавливания дисперсных частиц и позволяют определить ультразвуковую коагуляцию как перспективное средство для повышения эффективности очистки газовых сред. При этом было установлено, что на сегодняшний день отсутствует теоретическое обоснование, позволяющее определять оптимальные режимы УЗ воздействия в зависимости от характеристик дисперс�