автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование, исследование и применение источников ультразвукового воздействия для интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах

На правах рукописи Л

Галахов Антон Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542537

Бийск-2013

005542537

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 руководитель: доктор технических наук, профессор

Хмелев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Овчаренко Александр Григорьевич,

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

Василишин Михаил Степанович, кандидат технических наук, Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация: ОАО Федеральный научно-производственный

центр «Алтай»

Защита состоится «30» декабря 2013 г. в 11— 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 «29» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шалунов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ультразвуковые (УЗ) колебания большой мощности — с уровнем звукового давления более 145 дБ используются для интенсификации технологических процессов в различных по составу технологических средах. При этом обеспечивается ускорение практически всех известных физико-химических процессов, изменяются свойства веществ и создаются новые материалы.

До последнего времени ультразвуковые интенсифицирующие воздействия практически не применялись для ускорения таких процессов, как коагуляция твердых и жидких частиц (при улавливании мелкодисперсных материалов и очистке газов), пеногашение (при производстве и упаковке пенящихся продуктов), сушка легкоокисяяемых и взрывчатых веществ через нерезонансные газовые промежутки, распыление (при производстве мелкодисперсных материалов и нанесении ингабирующих покрытий). Обусловлено это отсутствием специализированных рабочих органов ультразвуковых технологических аппаратов - источников ультразвукового воздействия с заданными характеристиками по уровню звукового давления, частоте и направленности излучения. Известно, что для интенсификации процессов в газодисперсных системах необходимо создавать и передавать через нерезонансные промежутки в различных по свойствам системах (химическому составу, температуре и давлении) колебания с частотой более 20 кГц и уровнем ультразвукового давления более 145 дБ. Диапазон используемых частот обусловлен требованиями обеспечения безопасности человека, а уровень звукового давления - необходимостью реализации максимальной эффективности процессов.

Входящие в состав современных УЗ технологических аппаратов рабочие органы в виде ультразвуковых колебательных систем на основе пьезоэлектрических преобразователей с дисковыми излучателями обеспечили высокую эффективность УЗ воздействия на процессы, протекающие в газодисперсных системах. Однако их повсеместное применение до настоящего времени ограничено отсутствием теоретических основ их проектирования и невозможностью обеспечения заданных характеристик (уровень звукового давления более 145 дБ на частотах выше 20 кГц).

Это обуславливает необходимость создания рабочих органов УЗ технологических аппаратов (источников ультразвукового воздействия), представляющих собой колебательные системы на основе пьезопреобразователей с излучателями в виде дисков или пластин, пригодных для интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, были использованы при выполнении НИОКР: Государственный контракт № П2518 от 20.11.2009 г. «Разработка и создание высокоэффективных электроакустических преобразователей для интенсификации процессов в газодисперсных системах», также в ряде договоров БТИ (филиала) АлтГТУ на выполнение НИР.

Целью работы является создание, исследование и применение рабочих органов УЗ технологических аппаратов - источников ультразвукового воздействия для интенсификации процессов химических технологий, реализуемых в газодисперсных системах.

Задачи исследования:

1. Установить причины, ограничивающие эффективность известных источников ультразвукового воздействия при интенсификации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах и предложить пути их совершенствования.

2. Создать модели рабочих органов УЗ технологического аппарата, основанных на применении изгибно-колеблющихся излучателей в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для энергетического воздействия на газодисперсные системы.

3. Предложить и разработать моночастотные и многочастотные источники УЗ воздействия на базе пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися на кратных основной модах колебаний излучателями в виде дисков или пластин ступенчато - переменной толщины.

4. Создать практические конструкции рабочих органов УЗ технологических аппаратов для УЗ воздействия на газодисперсные системы, определить параметры УЗ воздействия и исследовать возможности формирования требуемых ультразвуковых полей на открытых пространствах и в ограниченных технологических объемах.

5. Исследовать функциональные возможности разработанных источников ультразвукового воздействия (рабочих органов ультразвуковых технологических аппаратов) в составе УЗ технологических аппаратов и подтвердить их эффективность при реализации процессов коагуляции, сушки, пеногашения и др.

Научную новизну составляют:

1. Предложенные и разработанные модели рабочих органов УЗ технологического аппарата, позволившие создавать источники воздействия для формирования в газодисперсных системах УЗ колебаний с необходимыми характеристиками по направленности, уровню звукового давления (более 145 дБ) и частоте излучения (20-30 кГц).

2. Предложенная и разработанная методика проектирования и создания источников ультразвукового воздействия различных габаритных размеров и энергетических характеристик для реализации технологических процессов в газодисперсных системах (коагуляции, распыления, пеногашения, сушки и др.) в закрытых технологических объемах и на открытых пространствах.

3. Предложенный новый подход к построению многочастотных источников УЗ воздействия на базе многорезонансных пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися на кратных основной моде колебаний дисками переменной толщины, обеспечивший возможность создания рабочих органов УЗ технологических аппаратов для последовательного УЗ воздействия на различных частотах в диапазоне от 20 до 45 кГц.

4. Предложенные и реализованные способы применения созданных рабочих органов при интенсификации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах, позволившие при низкой потребляемой мощности обеспечить оптимальные режимы и условия УЗ воздействия для коагуляции жидких и твердых частиц, сушки различных материалов, гашения пен различного происхождения и распыления жидкостей с изгибно-колеблющихся поверхностей.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются рабочие органы ультразвуковых технологических аппаратов, построенные в виде продольно-колеблющихся УЗ пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися излучателями в виде дисков или пластин сложной формы и предназначенные для

осуществления ультразвукового воздействия при интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, позволившие создать модели рабочих органов УЗ технологических аппаратов, способных формировать УЗ колебания с большим (более 145 дБ) уровнем звукового давления в газодисперсных системах при помощи изгибно-колеблющихся дисков или пластин переменной толщины, а также разработать практические конструкции органов и создать на их основе специализированные ультразвуковые технологические аппараты.

Практическая значимость:

1. Предложены, разработаны и реализованы в практических конструкциях рабочие органы УЗ технологических аппаратов - источники ультразвукового воздействия в виде колебательных систем на основе одно- и многопакетных пьезоэлектрических преобразователей с излучателями в виде дисков различного диаметра (от 70 до 450 мм) для интенсификации технологических процессов в газодисперсных системах на частотах от 20 до 30 кГц при уровне звукового давления не менее 145 дБ;

2. Впервые предложены и разработаны многочастотаые источники УЗ воздействия в виде колебательных систем на основе многорезонансных пьезоэлектрических преобразователей с изгибно-колеблющимися, на кратньгх основной моде колебаний, излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для обеспечения последовательного ультразвукового воздействия на различных частотах.

Созданное оборудование прошло успешную эксплуатацию на предприятиях страны и зарубежья: Научно-производственное предприятие «Метромед» (Омск); НИИ Природопользования (Нижневартовск); Екхкоп со., Ш (Республика Корея); РНАКМАТЕСН А.Э (Норвегия).

Личный вклад автора: предложена и реализована методология создания моно- и многочастотных источников УЗ воздействия (рабочих органов) с заданными техническими характеристиками по направленности, уровню звукового давления (более 145 дБ) и частоте излучения (20-30 кГц), предложены и реализованы практические конструкции и новые способы применения созданных рабочих органов в газодисперсных системах при интенсификации коагуляции, сушки, гашения пен и распыления, показана эффективность воздействия на реализуемые процессы.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях-семинарах по микро/нанотехнологиям и электронным приборам ЕОМ (г. Новосибирск 2009-2013 гг.), Всероссийской научно-практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск 2010, 2012 и 2013 тт.), четвёртой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажносгная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (г.Москва 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии переработки продовольственного сырья» (г. Владивосток 2011 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспираігтов и молодых ученых (г. Бийск 2011г.).

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенные источники УЗ воздействия - рабочие органы УЗ аппаратов, представляющие собой колебательные системы на основе пьезопреобразователей и излучателей в виде диска или пластины сложной формы, совершающих изгибные колебания, в зонах минимальной амплитуды колебаний которых со стороны крепления к преобразователю выполнены выступающие участки.

2. Разработанная методика инженерного расчёта источников УЗ воздействия, способных обеспечивать интенсификацию процессов химических технологий в газодисперсных системах колебаниями УЗ частоты (более 20 кГц) с уровнем звукового давления не менее 145 дБ.

3. Предложенные и разработанные на базе многорезонансных колебательных систем источники многочастотного ультразвукового воздействия с изгибно-колеблющимися на кратных основной моде колебаний дисками спупенчато-переменной толщины, обеспечившие возможность реализации процессов химических технологий (коагуляция, сушка), требующих последовательного УЗ воздействия в диапазоне частот от 20 до 45 кГц.

4. Предложенные способы применения созданных рабочих органов при реализации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах, позволившие за счет интенсифицирующего воздействия ультразвуковыми (более 20 кГц) колебаниями с уровнем звукового давления не менее 145 дБ обеспечить значительное ускорение процессов при снижении затрат потребляемой энергии.

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 16 опубликованных печатных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентах РФ, одном свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 132 наименований и содержит 175 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы. Кратко сформулированы основные проблемы, цель работы и задачи исследования.

В первом разделе выполнен анализ современного состояния проблем создания и применения рабочих органов технологических аппаратов, обеспечивающих УЗ воздействие для интенсификации процессов в газодисперсных системах. В результате анализа установлено, что решению проблем, связанных с применением УЗ воздействия на процессы в газодисперсных системах (коагуляция, сушка, гашение пен, распыление) большое внимание уделено в работах Л.Д. Розенберга, И.М. Бабакова, Juan Gallego-Juarez (Испания), Changdong Sheng и Xianglin Shen (Китай), K.S. Suslick и D. E. Ensminger (Германия), Yasuo Nishi и Takenouchi Ken (Япония) и др.

Современный этап развития и применения рабочих органов УЗ технологических аппаратов, предназначенных для интенсификации процессов в газодисперсных системах, характеризуется совершенствованием разработанных источников УЗ воздействия и расширением области применения ультразвука. Это показано в работах Маркова А.И., Новицкого Б Г., Juan Gallego-Juarez, Страуса В., Педдера В.В., Юдаева Б.Ф и др.

В этих исследованиях установлено, что возможность и эффективность интенсификации процессов в газодисперсных системах с различными размерами коагулируемых частиц, свойствами высушиваемых материалов и свойствами разрушаемых пен зависят от характеристик формируемых УЗ полей.

Одним из процессов, реализуемых в газодисперсных системах, является УЗ коагуляция аэрозолей. Известно, что при полидисперсном распределении размеров частиц аэрозоля скорость коагуляции частиц в УЗ поле зависит от частоты и уровня звукового давления. При этом увеличение уровня звукового давления (до разрушения объединившихся частиц) приводит к увеличению скорости коагуляции.

Создание мощных источников воздействия в виде звуковых сирен явилось предпосылкой для реализации технологий осаждения газовой сажи, цементной пыли, сернокислого тумана, летучей золы и других аэрозолей. В 50-х годах прошлого века работы по созданию источников воздействия для коагуляции промышленных пылей проводились в СССР, Польше, Японии, Франции и других странах. В связи с актуальностью проблемы тонкого пылеулавливания круг применения технологических аппаратов для очистки газов постоянно расширялся (форсуночная сажа, буровая пыль, дымовые газы, окись цинка и др.).

Однако высокую эффективность акустической коагуляции не удалось реализовать повсеместно из-за низкой эффективности использовавшихся в качестве рабочих органов аэродинамических преобразователей (рабочая частота до 10 кГц, КПД менее 20%, ограниченный Срок эксплуатации, необходимость применения компрессорного оборудования и т.п.).

При анализе возможности и эффективности интенсификации процесса сушки через нерезонансные газовые промежутки установлено, что акустическое воздействие позволяет интенсифицировать оба периода процесса сушки. В течение первого периода сушки колебания высокого уровня звукового давления (более 130дБ) позволяют диспергировать жидкость без перевода ее в парообразное состояние, уменьшить толщину гидродинамического пограничного слоя, ускоряя процесс удаления влаги. Наряду с уменьшением Пограничного слоя УЗ колебания проникают в капилляры и поры материала и интенсифицируют процессы переноса влаги из глубинных слоев к поверхности во втором периоде сушки. Для реализации процесса сушки через нерезонансные газовые промежутки также применяются газоструйные излучатели, недостатки которых отмечены ранее.

При анализе процесса гашения пены показано, что УЗ колебания наиболее активно воздействуют на верхние (открытые) слои пены, поскольку вглубь УЗ колебания проникают слабо. Выявлено, что разрушение пен при помощи УЗ воздействия является востребованным в промышленности, но, к сожалению, не получило должного распространения ввиду отсутствия источников УЗ воздействия, способных обеспечивать формирование колебаний с уровнем звукового давления более 140-150 дБ на частотах выше 20 кГц.

Проведенный далее анализ используемых в настоящее время рабочих органов УЗ технологических аппаратов, позволяющих создавать высокоинтенсивные УЗ колебания в газодисперсных системах показал, что наибольшее распространение получили аэродинамические излучатели. Однако, применение их в качестве источников ультразвуковых колебаний неэффективно из-за малой мощности (не более 10 Вт) на частотах выше 20 кГц; больших габаритных размеров; низкого КПД (достигающего в

лучших образцах 30 %, но, как правило, не превышающего 20%); быстрого износа механических узлов; необходимости защиты персонала от УЗ колебаний.

Проведенный в первом разделе анализ позволил установить перспективность использования УЗ колебаний высокого уровня звукового давления для интенсификации различных технологических процессов в газодисперсных системах и показал невозможность дальнейшего развитая из-за отсутствия эффективных источников УЗ воздействия.

Необходимость создания и применения новых типов рабочих органов, способных обеспечить эффективное УЗ воздействие на газодисперсные системы обуславливает актуальность работы.

В ходе проведенного анализа установлено наличие перспективной разработки рабочих органов УЗ технологических аппаратов в виде колебательных систем на основе магнигострикционных преобразователей с дисковыми излучателями. К сожалению, они являются только опытными образцами для научных исследований и не нашли широкого промышленного применения из-за отсутствия научных основ их проектирования, изготовления, измерения параметров и применения. Поэтому возникает возможность создавать рабочие органы УЗ технологических аппаратов - источников ультразвукового воздействия с излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины.

Второй раздел посвящен разработке рабочих органов УЗ технологических аппаратов источников с излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины.

При построении и анализе моделей рабочих органов УЗ технологического аппарата возникает необходимость решения следующих динамических задач: определение частот резонансов и антарезонансов (определение собственных колебаний), определение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) при излучении в газодисперсные системы (задачи об установившихся колебаниях) и расчеты нестационарных процессов. Показано, что наиболее целесообразным представляется использование прямых численных методов. Лидирующее положение среди таких методов, применяемых при расчете рабочих органов на основе пьезопреобразователей, занимает метод конечных элементов (МКЭ).

В отечественной и зарубежной практике отсутствуют методики расчета геометрических размеров и формы излучателей ступенчато-переменной толщины. Это обусловлено тем, что аналитическими зависимостями удается описать поведение и определить собственные частоты только пластин постоянной толщины. Так, основная резонансная частота плоского диска из титана диаметром 250 мм и толщиной 5 мм равна 1048,9 Гц. Резонансная частота диска одного диаметра будет меняться в зависимости от материала и толщины диска. Для получения колебаний в УЗ диапазоне, при реальных (200...500 мм) размерах излучателя он должен совершать колебания на частотах, кратных основной резонансной частоте изгибных колебаний диска. В таком случае, может быть обеспечено воздействие на частоте колебаний диска в диапазоне 20-30 кГц.

Однако, при формировании колебаний на высокой частоте соседние участки (размером, равным половине длины волны) излучателя совершаюгг колебания в противоположной фазе, что приводит к взаимной компенсации излучаемых колебаний на некотором расстоянии от излучателя. Это снижает эффективность УЗ воздействия и делает их непригодными для практического применения. Решением проблемы является

уменьшение амплитуды колебаний одного участка и увеличение амплитуды другого путем изменения толщины участков излучающего диска (создания выступов).

Для проектирования ступенчато-переменных по толщине дисков или пластин предложена и разработана методика инженерного расчета, сущность которой заключается в следующем:

Необходимая длина (Ы) или диаметр (£>) излучателя и его резонансная частота (/) определяются исходя из необходимости обеспечения максимальной эффективности реализуемого процесса (оптимальной частоты УЗ воздействия). Для пластины соотношение сторон не менее 1/3. Так определяется меньшая сторона излучателя (¿2). Для обеспечения требуемой частоты воздействия задается номер гармоники (и), на которой будет совершать колебания излучатель (наЗ-ей, 5-ой или 7-ой гармонике):

оИгЯ (1)

где Я—длина волны изгибных колебаний в излучателе, м

Для известной частоты и диаметра (длины) определяется толщина плоской пластины (диска), так называемая «базовая» толщина излучателя. Из зависимости скорости распространения изгибных колебаний от свойств материала

где с — скорость изгибных колебаний, м; /— резонансная частота, Гц; А — толщина диска, м; Е — модуль Юнга, Па; р — плотность, — ц — коэффициент Пуассона и выражения (1) находим «базовую» толщину пластины или диска:

Далее проектируются фазовыравнивающие бороздки, обеспечивающие повышение эффективности излучения. Последовательным изменением толщины бороздок обеспечивают резонансные колебания на частоте одной из мод базового диска.

Обязательным условием обеспечения колебаний на выбранной моде колебаний является необходимость обеспечения равенства суммы моментов инерции центральной фазовыравнивающей бороздки и всех п бороздок моменту инерции «базового» диска, что может быть описано следующим выражением:

¿тпц(3г5 + к1) + £ + гД0 + Л?) = ^7Пд(ЗГд + к% (4)

А \ »71—1 Л ^ Я

где Г1 — ~ + У (I — 1) - гп = -, Гц = -; тпц - масса центрального кольца, кг; тг -

4 2 2 4

масса /-го кольца, кг, шд - масса плоского диска, кг; г; - радиус г-го кольца, м; гц - радиус центрального кольца, м

Подставив в выражение (4) значения радиусов и массы бороздок, а также параметры «базового» диска, получается функция нескольких переменных вида:

= сот1 (5)

Наложив граничные условия по пункту 5, можно получить значения толщин ступенчато-переменной по толщине пластаны (диска). Такого рода конструкция излучателя позволяет получить более равномерное распределение амплитуды колебаний по поверхности излучателя, чем у диска постоянной толщины.

а)-диаметром 250 мм; б)—диаметром 320 мм; в)-диаметром 360 мм; г) - диаметром 420 мм; д) - сторонами 250><70; е) - сторонами 240*60 Рисунок 1 - Распределение амплитуды колебаний по поверхности излучателей в виде дисков и прямоугольных пластан

Формы колебаний (полученные по результатам моделирования), созданных по предложенной методике излучателей в виде дисков и пластин представлены на рисунке 1. Из рисунков видно, что распределение амплитуд колебаний по поверхности излучателей в виде дисков носит кольцевидный характер, выражающийся в чередовании максимумов и минимумов колебаний. В свою очередь,, распределение амплитуд по поверхности излучателей в виде прямоугольных пластин имеет выраженные чередования минимумов и максимумов колебаний в виде прямых линий, расположенных поперёк большей стороны излучателей. Полученные в результате моделирования различного вида излучателей, свидетельствуют о правильности предложенной методики расчета.

Таблица 1 - Параметры разработанных излучателей

Размер излучателя, мм Частота, Гц Номер моды колебаний

0 104 25308 3

0 160 20071 3

0 250 21020 6

0 320 34372 8

0 360 27158 8

0420 25273 8

240x70 20798 4

250x60 22087 4

При помощи предложенной методики были разработаны 6 рабочих органов для УЗ технологических аппаратов - источников УЗ воздействия в виде пьезоэлектрических колебательных систем с дисковыми излучателями различного диаметра и частоты, а также две колебательные системы с излучателями в виде прямоугольных пластин, работающие на разных частотах. Основные характеристики созданных источников УЗ воздействия приведены в таблице 1.

Для подтверждения эффективности созданных источников УЗ воздействия и возможности их использования для интенсификации технологических процессов в следующем разделе представлены результаты исследований практических конструкций.

Третий раздел работы посвящен практическому исследованию созданных источников ультразвукового воздействия — пьезоэлектрических колебательных систем с излучателями в виде дисков и пластан прямоугольной формы, внешний вид и технические характеристики которых показаны в таблице 2 и на рисунке 2.

Рабочие органы обеспечивают УЗ воздействие на различных частотах в диапазоне 21-32 кГц, характеризуются различной площадью излучающей поверхности и обеспечивают уровень звукового давления не менее 140 дБ.

б) УЗКС 320

250x60

Каждый из разработанных источников УЗ воздействия имеет интерференционный максимум (фокус), расположенный в ближней зоне излучателя на расстояниях 0,15-0,35 м от поверхности излучателя, где уровень звукового давления достигает значений 166 дБ. При этом установлено, чем больше размер излучателя, тем ближе расположен интерференционный максимум к его излучающей поверхности.

г) УЗКС 420

а) УЗКС 250

в) УЗКС 360

д) УЗКС 240x70 М е)узкс

Рисунок 2 - Внешний вид рабочих органов с различными излучателями

Таблица 2 - Технические характеристики источников УЗ воздействия

Наименование параметра Размер излучателя

УЗКС 250 УЗКС 320 УЗКС 360 УЗКС 420 УЗКС 240x70 УЗКС 250x60

Размер излучателя, мм 0250 0320 0360 0420 240x70 250x60

Максимальная потребляемая мощность, не более ВА 200 350 450 600 320 320

Масса, кг, не более 4 5 5 5 4 4

Уровень звукового давления (1 м), дБ, не менее 140 144 146 150 140 140

Уровень звукового давления в фокусе, дБ, не менее 154,4 159 164,3 166 156 155

Расстояние до фокуса излучателя, м 0,35 0,27 0,22 0,15 0,33 0,35

Частота колебаний, кГц 21±0,5 32±0,5 25±0,5 27±0,5 21 ±0,5 22±0,5

Далее были проведены измерения уровня звукового давления (осуществлялись анализатором шума и вибрации «Ассистент»). Основная -погрешность измерений оставляет ±0,7 дБ.

250x60 мм; е) размером 240*70 мм Рисунок 3 - Диаграммы направленности для дисковых излучателей и излучателей в виде прямоугольных пластин на расстоянии 0,5,1 и 1,5 м

Результаты измерений уровня звукового давления, создаваемого излучателями в виде диска ступенчато-переменного вида диаметром от 250 до 420 мм и пластины прямоугольной формы размерами 240x70 мм и 250x60 мм

12

приведены на рисунке 3. По мере удаления от поверхности излучателя величина звукового давления уменьшается от 140-145 дБ (на расстоянии 0,5 м) до 120130 дБ (на расстоянии 4,5 м).

Анализ диаграмм направленности показывает, что около 95 % энергии УЗ колебаний сосредоточено в пределах основного лепестка диаграммы направленности, угол раскрытия которой (в ближней зоне излучения) составляет от 30° до 60°.

Таким образом, интенсификацию процессов, для которых требуется УЗ воздействие с уровнем звукового давления не менее 140 дБ (пеногашение, сушка) рекомендуется осуществлять в ближнем поле дискового излучателя; а интенсификацию процессов, для которых требуется воздействие с меньшим уровнем звукового давления (от 130 дБ) - коагуляция дымов и аэрозолей, можно проводить как в ближнем так и в дальнем поле. Для интенсификации процесса распыления возможно использование любого из представленных излучателей.

Разработанные и исследованные источники УЗ воздействия обеспечивают создание УЗ колебаний в газодисперсных системах только на одной частоте. Однако, как показал анализ, проведенный в первом разделе, эффективность процессов в газодисперсных системах различна при различных частотах УЗ воздействия. Это обусловливает необходимость создания многочасготных УЗ колебательных систем.

Многочастотные источники УЗ воздействия созданы на основе колебательных систем с излучателями ступенчато-переменной толщины, которые могут работать на нескольких частотах, кратных основной моде колебаний. Однако колебательная система на основе пьезоэлектрического преобразователя может совершать колебания только на одной рабочей частоте и не способна обеспечить возбуждение излучателя на нескольких частотах. Для устранения этого недостатка была предложена и разработана новая конструктивная схема колебательной системы с пьезоэлектрическим преобразователем, показанная на рисунке 4 (в сборе с бустером, концентратором и дисковым излучателем).

Многочастотная колебательная система состоит из излучателя дисковой формы 1, изгнбно-колеблющегося на частотах, кратных основной (частотах, дискретно изменяющихся в диапазоне от 30 до 20 кГц). Излучатель акустически и механически соединен с УЗ колебательной системой, состоящей из преобразователя 3, к которому присоединен концентратор 2 с одной стороны, а с противоположной стороны присоединены несколько пьезоэлектрических элементов 4 с отражающими частотнопонижающими накладками 5 различной длины. Число пьезоэлементов 4 с отражающими накладками 5 равно числу возбуадаемых мод колебаний дискового излучателя.

Акустическая длина каждого пакета пьезоэлементов и связанной с ним отражающей частотно-понижающей накладки кратна четверти длины колебаний с частотой, соответствующей одной из рабочей частот (мод) дискового излучателя. При работе колебательной системы выделяются и усиливаются только колебания, соответствующие резонансной длине только одного участка преобразователя с концентратором. Продольные колебания преобразователя через концентратор подводятся к излучателю и возбуждают его на резонансной частоте, соответствующей одной из мод основной частоты изгибных колебаний излучателя. При реализации технологического процесса возможно поочередное автоматическое переключение рабочей частоты электронного генератора. Преимуществом разработанной конструкции является то, что

изменение рабочей частоты воздействия осуществляется без снижения эффективности воздействия.

Рисунок 4 - Эскиз (а) и внешний вид (б) многочастотной УЗКС

Таким образом, в результате проведенных исследований показана возможность использования созданных рабочих органов технологических аппаратов для осуществления УЗ воздействия при интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.

Четвёртый раздел работы посвящен исследованию функциональных возможностей разработанных источников УЗ воздействия (рабочих органов) в составе технологических аппаратов при реализации процессов в газодисперсных системах (коагуляция, сушка, пеногашение, распыление).

Определение эффективности УЗ воздействия созданными источниками на процесс коагуляции проводилось в технологической камере объемом 1,25 м3 путем сравнения с естественным осаждением (5 часов) водного аэрозоля.

Результаты иллюстрируются зависимостями (кривая естественного осаждения на рисунке не показана), представленными на. рисунке 5, из которых следует, что применение созданных излучателей позволяет сократить время коагуляции в 11,5 раз.

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Время эксперимента, мин

1,2,3,4 — воздействие излучателем диаметром 420 мм; 360 мм; 320 мм;

250 мм, соответственно Рисунок 5 - Зависимость изменения

дальности видимости в камере от времени в процессе акустического воздействия

Определение эффективности коагуляции твердых частиц в газовом потоке в цилиндрическом воздуховоде осуществлялось при помощи вращающегося излучателя в виде прямоугольной пластины размером 250x70 мм, обеспечивающей формирование

колебаний с уровнем звукового давления более 150 дБ. В этом случае, применение УЗ излучателя ускорило процесс коагуляции твердых частиц в 15-20 раз.

150 150 140 120 110 100 80 60 40 20 0

a) R-б)

1 - верхняя крышка (отражатель); 2 - рабочий объём; 3 - электронный генератор;

4 - источник УЗ воздействия с излучателем дискового типа в корпусе. Рисунок 6 - Внешний вид сушильной установки (а) и распределение уровня УЗ колебаний в объёме камеры (б)

Z 137,5

135 132,5 130

При определении эффективности применения созданных излучателей для ускорения процесса сушки через нерезонансные газовые промежутки использовались камеры специальной формы, обеспечивающие резонансное усиление колебаний и позволяющие формировать равномерное поле воздействия (рисунок 6).

В качестве объекта сушки было использовано хлопковое волокно (сухой массой 1 кг), с равномерным распределением жидкости. Использование источника УЗ воздействия с излучателем в виде диска диаметром 360 мм (частотой 27 кГц, уровнем звукового давления 160 дБ) и реализация различных комбинаций воздействия (1 - УЗ воздействие без нагрева; 2 - сушка нагретым до 55 °С воздухом со скоростью потока 1 м/с; 3 - сушка при одновременном нагреве до 55°С и УЗ воздействии) позволило установить влияние УЗ воздействия на процесс сушки (рисунок 7, а). При УЗ воздействии обеспечивается сокращение времени сушки не менее чем в 1,5-2 раза в первый период сушки и не менее чем в 1,2—1,5 раза во второй период сушки.

100

ей 90

™ 80

Й 70

vo 60 о

га 50

О

£ 40

го

2 зо 20 10 О

0

О 20 40 60 80 0 20 40 60 80

ВРСМЯ'МИН- Время, МИН.

а) б) Рисунок 7 - Изменение массы образца в процессе сушки (а) и зависимость массы образца от времени сушки при УЗ воздействии на различных частотах (б)

15

й 40

При проведении сравнительных испытаний по определению эффективности разночасготного УЗ воздействия на процесс сушки использовался созданный источник УЗ воздействия с излучателем диаметром 360 мм (21 кГц; 29 кГц; 35 кГц), работающий на каждой из частот отдельно и моночастотный излучатель диаметром 360 мм (27 кГц) с одновременной подачей нагретого до 55 °С сушильного агента (Рисунок 7, б), на котором: 1- воздействие на частоте 27 кГц с уровнем звукового давления 160 дБ; 2 —• воздействие многочастотным излучателем, с уровнем звукового давления 160 дБ, на частоте 21 кГц, 3 - воздействие многочастотным излучателем 29 кГц, с уровнем звукового давления 160 дБ. 4- воздействие многочастотным излучателем на частоте 35 кГц, с уровнем звукового давления 160 дБ).

Из представленных зависимостей (Рисунок 7, б) следует, что использование для реализации процесса сушки хлопкового волокна источников УЗ воздействия низкой частоты (21 кГц) обеспечивает прирост эффективности сушки до 15-20 % по сравнению с воздействием на частотах 27 кГц, 29 кГц и 35 кГц.

Эффективность четырёх различных источников УЗ воздействия (рабочих органов УЗ аппаратов) в виде дисков различного диаметра исследовалась при реализации процесса разрушения различных пен.

Рисунок 8 - Изменение объема пены от времени при различных способах воздействия

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

X, МИН.

Результаты экспериментальных исследований при различных параметрах воздействия (1 - без УЗ воздействия; 2 - воздействие потоком воздуха; воздействие созданными излучателями на частоте 21 кГц (3); 25 кГц (4); 27 кГц (5); 32 кГц (6); 7 - последовательное воздействие на всех частотах), представлены на рисунке 8.

Из представленных зависимостей следует, что изменение частоты УЗ воздействия в пределах от 21 кГц до 32 кГц практически не влияет на эффективность разрушения пены. При этом УЗ воздействие обеспечивает ускорение процесса в 32 раза по сравнению с естественным разрушением пен.

В заключительной части раздела приведены результаты определения функциональных возможностей созданных источников УЗ воздействия с излучателями диаметром 250 мм для реализации процесса распыления. Максимальная производительность распыления, равная 0,72 л/(часхсм2), была достигнута при равномерной подаче жидкости на колеблющуюся поверхность диска при этом удельные энергозатраты составили 0,3 Втхчас/л. Средний арифметический диаметр капель,

формируемых при распылении воды, составил 100 мкм при среднеквадратичном отклонении 68 мкм (Рисунок 9).

1,2

>0,8 г?

,4 0,6

г

-0,4 $0,2 = 0

¡шВіЬіиіііі»:

Диаметр капель, мкм

ГЧ» Г\>

Рисунок 9 - Гистограмма распределения диаметров формируемых капель жидкости

Таким образом, в результате исследований была подтверждена эффективность разработанных источников УЗ воздействия с излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной формы и установлена возможность повышения эффективности (повышение производительности и снижение энергозатрат) процессов химических технологий в газодисперсных системах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлены причины, ограничивающие эффективность известных источников ультразвукового воздействия при интенсификации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах, и предложены пути их совершенствования.

2. Созданы модели рабочих органов УЗ технологического аппарата, основанные на применении изгибно-колеблющихся излучателей в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для энергетического воздействия на газодисперсные системы.

3. Предложены и разработаны новые конструкции источников УЗ воздействия, основанные на использовании колебательных систем с пьезопреобразователями, совершающими продольные колебания, преобразуемые в изгибные колебания излучателей в виде дисков (диаметром от 100 мм до 420 мм) и пластин прямоугольной формы (от 240x70 мм до 250><60мм), обеспечивающие воздействие на процессы химических технологий в газодисперсных системах на частотах более 20 кГц с интенсивностями более 140 дБ.

4. Предложены и разработаны многочастотные источники УЗ воздействия на базе пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися на кратных основной модах колебаний излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины.

5. Исследованы функциональные возможности разработанных источников УЗ воздействия, подтвердившие их эффективность при реализации процессов химических технологий и позволившие увеличить скорость коагуляции аэрозолей более чем в 11 раз, скорость сушки капиллярно-пористых материалов не менее чем в 10 раз, скорость разрушения пен не менее чем в 32 раза и обеспечить распыление жидкости с колеблющейся в газовой среде излучающей поверхности с производительностью не менее 0,72 л(час/см2), при этом удельные энергозатраты составили 0,3 Вт*час/л.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хмелёв В.Н. Многочастотная ультразвуковая колебательная система с дисковым излучателем /ВН. Хмелёв, А.Н. Лебедев, СЛ. Цыганок, АБ. Шалунов, А.Н. Галахов//Тепйг international conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM'09, Novosibirsk, NSTU, 2010. -P. 244-248.

2. Галахов A.H Разработка пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов в газодисперсных системах / А.Н. Галахов, В.Н. Хмелев, A.B. Шалунов, С.С. Хмелев, СЛ. Цыганок, А.Н. Лебедев // Известия Тульского Государственного университета. Серия: технические науки.—2010. - Вып.1. - С. 148-153.

3. Galakhov A.N. Ultrasonic Coagulation on the Basis of Piezoelectric Vibrating System with Focusing Radiator in the form of Step-Variable Plate / Galakhov A.N., Khmelev V.N., Tsyganok S.N., Shalunov A.V., Lebedev A.N. // International Conference and Seminar on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices. EDM'2010: Conference Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2010.-P. 376-379.

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

5. Галахов АЛ. Разработка оборудования УЗ пеногашения и определение его функциональных возможностей [Электронный ресурс] / А.Н. Галахов, В Л. Хмелев, A.B. Шалунов // Электронный журнал «Техническая акустика». — 2011. - 5. -10 с. - Режим доступа http://ejta.org/ru/khmclev8.zip

6. Хмелёв В Л. Ультразвуковая сушка в пищевой промышленности / Хмелёв В.Н., Шалунов АБ., Барсуков РБ., Галахов А.Н. // Вестник алтайской науки. - 2012. - № 1. -С. 143-144.

7. Галахов АЛ. Разработка УЗ оборудования для разрушения пен и исследование его функциональных возможностей / Галахов АЛ., Хмелев В Л., Шалунов АБ., Ромашкин A.A.//Южно-Сибирский научный вестник.-2012.-№ 1.-С. 178-179.

8. Хмелёв В Л. Разработка оборудования ультразвукового пеногашения для промышленного применения / Хмелёв В.Н., Шалунов A.B., Галахов А.Н. // ЮжноСибирский научный вестник. - 2012. -№ 2. - С. 197-200.

9. Хмелёв В.Н. Контроль процесса УЗ коагуляции дисперсных частиц нанометрового размера / В.Н. Хмелёв, Шалунов АБ., Нестеров В.А., Хмелёв МБ., Галахов А.Н. // Ползуновский вестник.- 2013. -№2. - С.154—158.

10. Хмелёв В Л Дистанционная обработка биотканей ультразвуком с одновременным напылением лекарственных растворов [Электронный ресурс] / В. H Хмелёв, В. В. Педдер, А. В. Педдер, А. В. Шалунов, В. К. Косёнок, А. Н. Галахов, Е. В. Надей, В. А. Нестеров, Р. Н. Голых // Электронный журнал «Техническая акустика». - 2013. - 3. - 14 с. - Режим доступа http://ejta.org/ru/khmelevl3.zip

11. Способ коагуляции инородных частиц в газовых потоках : пат. №2447926 Рос. Федерация: МГЖ (2006.01) B01D51/08, B03D3/04 Хмелев В Л.; Шалунов АБ., Цыганок СЛ., Барсуков РБ., Шалунова КБ., Галахов АЛ. (Россия) патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», заявка: 2010123572/от 09.052010; опубл. 20.12.2011.,Бюл.№ 35.-9 е.: ил.

12. Способ газификации твёрдого топлива: пат. №2473669 Рос» Федерация: МПК (2006.01) C10J3/84, B01J Хмелёв В.Н, Шалунов A.B., Хмелёв М.В., ШалуноваКВ.,. Галахов АН., патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Цешр ультразвуковых технологий АлгГТУ», заявка: 2011132778/ от 03.08.2011; опубл. 27.012013., Бюл. №3. - 7 с.:ил.

13. Ультразвуковая колебательная система для газовых сред: пат. №132000 Рос. Федерация: МПК (2006.01) В0606В 1/00, Хмелёв В.Н, Галахов А.Н., Шалунов AB., Нестеров В.А., Голых Р.Н., патентообладатель: ООО «Центр ультразвуковых технологий АлгГТУ», заявка 2013123940/28, от 24.05.2013; опубл. 10.092013., Бюл. № 25.-15 е.: ил.

14. Аппарат улавливания дисперсных частиц из газового потока: пат. №131307 Рос. Федерация: МПК (2006.01) ВОЮ 51/08, Хмелёв В.Н, Нестеров В.А., Шалунов AB., Галахов А.Н., Голых Р.Н., патентообладатель: ООО «Центр ультразвуковых технологий», заявка: 2013106573/05 от 14.02.2013; опубл. 20.08.2013., Бюл. № 23. -15 е.: ил.

15. Улавливатель дисперсных частиц из газового потока: пат. №133432 Рос. Федерация: МПК (2006.01) ВОЮ 51/08, ВОЮ 45/12 Хмелёв В Л, Нестеров В.А., Шалунов A.B., Галахов А.Н., Голых Р.Н.; патентообладатель: ООО «Центр ультразвуковых технологий», заявка: 2013123218 от 21.05.2013; опубл. 20.10.2013., Бюл. №29.-12 е.: ил.

16. Программа управления процессом пеногашения в УЗ 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.

Подписано в печать 11.2013 г. Печать - ризография. Заказ 2013 - 40С Объем 1,44 пл. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИВЦ БТИ АлтГТУ им. ИЛ. 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»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ, НССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В

ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201454858

Галахов Антон Николаевич

Научный руководитель: .

доктор технических наук, профессор В.Н. Хмелев

Бийск-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИНТЕНСИФИЦИРУЕМЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ В ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ.......................................................................................10

1.1 Процессы, интенсифицируемые ультразвуковыми колебаниями в газодисперсных системах......................................................................................................10

1.1.1 Ультразвуковая коагуляция частиц..............................................................12

1.1.2 Разрушение различных видов пен УЗ колебаниями.................................19

1.1.3 Удаление влаги из различных материалов через нерезонансные газовые промежутки (сушка)..............................................................................................31

1.1.4 Ультразвуковое распыление жидкости........................................................34

1.2 Анализ используемых источников ультразвукового воздействия на газодисперсные системы или через газовые промежутки..............................................38

1.2.1 Статические сирены.........................................................................................40

1.2.2 Динамические сирены.....................................................................................43

1.2.3 Рабочие органы - источники ультразвукового воздействия на основе пьезоэлектрических излучателей.......................................................................................48

1.3 Постановка задач исследований.........................................................................52

2 СОЗДАНИЕ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ С НЕОБХОДИМЫМИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ 54

2.1 Разработка моночастотных дисковых излучателей для источников ультразвукового воздействия...............................................................................................54

2.2 Разработка моночастотных излучателей в виде пластин для источников ультразвукового воздействия...............................................................................................67

2.3 Разработка пьезоэлектрической ультразвуковой колебательной системы для источника ультразвукового воздействия с излучателем в виде диска или пластины...................................................................................................................................80

2.4 Исследование УЗ колебательных систем с излучателями в виде дисков 86

2.5 Разработка многочастотного источника ультразвукового воздействия с излучателем в виде диска или пластины............................................................................91

2.5.1 Проектирование многочастотного источника ультразвукового воздействия с излучателем в виде диска..........................................................................91

2.5.2 Разработка многочастотной колебательной системы на базе пьезоэлектрического преобразователя..............................................................................98

2.6 Выбор оптимальной геометрической формы отражателей........................101

2.7 Выводы..................................................................................................................102

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ УЛЬТРАВУКОВОГО ВОДЕЙСТВИЯ104 .

3.1 Измерение уровня звукового давления, создаваемого моночастотным источником ультразвукового воздействия с излучателем в виде диска..................104

3.2 Измерение параметров многочастотного источника ультразвукового воздействия с излучателем в виде диска........................................................................106

3.2.1 Измерение распределения амплитуды колебаний вдоль излучающей поверхности источника ультразвукового воздействия................................................107

3.2.2 Измерение уровня звукового давления, создаваемого многочастотным источником ультразвукового воздействия с излучателем в виде диска..................111

3.4 Исследование уровня звукового давления созданных источников ультразвукового воздействия при использовании отражающей поверхности в ' ближней зоне излучения......................................................................................................115

3.3 Определение производительности и дисперсного состава при распылении жидкости с излучающей поверхности моночастотного источника ультразвукового воздействия.............................................................................................................................118

3.4 Усиление уровня звукового давления с помощью использования камеры специальной формы..............................................................................................................122

3.5 Основные технические характеристики созданных источников ультразвукового воздействия.............................................................................................125

3.6 Выводы и рекомендации по практическому применению.........................127

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ ИЛИ ЧЕРЕЗ ГАЗОВЫЕ ПРОМЕЖУТКИ...................................................................................................129

4.1 Определение эффективности созданных излучателей при реализации процесса коагуляции............................................................................................................129

4.2 Экспериментальные исследования процесса интенсификации сушки

различных материалов.........................................................................................................134

4.3 Экспериментальные исследования процесса интенсификации разрушения ...................................................................................................................................................141

4.4 Экспериментальные исследования процесса интенсификации распыления с помощью источников ультразвукового воздействия в виде дисков.......................149

4.5 Выводы..................................................................................................................153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................154 .

Список литературы........................................................................................................155

Приложение А. Акты использования........................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые (УЗ) колебания большой мощности - уровнем звукового давления более 145 дБ используются для интенсификации технологических процессов в различных по составу технологических средах. При этом обеспечивается ускорение практически всех известных физико-химических процессов, изменяются свойства веществ и создаются новые материалы [1,14-15,41].

До последнего времени ультразвуковые интенсифицирующие воздействия практически не применяются для ускорения таких процессов, как коагуляция твердых и жидких частиц при улавливании мелкодисперсных материалов и очистке газов, пеногашение при производстве и упаковке пенящихся продуктов, сушка легкоокисляемых и взрывчатых веществ через нерезонансные газовые промежутки, распыление при производстве мелкодисперсных материалов и нанесении ингибирующих покрытий.

Обусловлено это отсутствием специализированных рабочих органов ультразвуковых технологических аппаратов - источников ультразвукового воздействия с заданными характеристиками по уровню звукового давления, частоте и направленности излучения. Известно, что для интенсификации процессов в газодисперсных системах необходимо создавать и передавать через нерезонансные промежутки в различных по свойствам системах (химическому составу, температуре и давлении) колебания с частотой более 20 кГц и уровнем ультразвукового давления более 145 дБ. Диапазон используемых частот обусловлен требованиями обеспечения безопасности человека, а уровень звукового давления - необходимостью реализации максимальной эффективности процессов.

Входящие в состав современных УЗ технологических аппаратов рабочие органы в виде ультразвуковых колебательных систем на основе пьезоэлектрических преобразователей с дисковыми излучателями обеспечили высокую эффективность УЗ воздействия на процессы, протекающие в газодисперсных системах. Однако их повсеместное применение до настоящего времени ограничено отсутствием теоретических основ их проектирования и невозможностью обеспечения заданных характеристик (уровень звукового давления более 145 дБ на частотах выше 20 кГц).

Это обуславливает необходимость создания рабочих органов УЗ технологических аппаратов (источников ультразвукового воздействия), представляющих собой колебательные системы на основе пьезопреобразователей с излучателями в виде дисков или пластин, пригодных для интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.

Целью работы является создание, исследование и применение рабочих органов УЗ технологических аппаратов — источников ультразвукового воздействия для интенсификации процессов химических технологий, реализуемых в газодисперсных системах.

Задачи исследования:

1. Установить причины, ограничивающие эффективность известных источников ультразвукового воздействия при интенсификации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах и предложить пути их совершенствования.

2. Создать модели рабочих органов УЗ технологического аппарата, основанных на применении изгибно-колеблющихся излучателей в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для энергетического воздействия на газодисперсные системы.

3. Предложить и разработать моночастотные и многочастотные источники УЗ воздействия на базе пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно- ' колеблющимися на кратных основной модах колебаний излучателями в виде дисков или пластин ступенчато - переменной толщины.

4. Создать практические конструкции рабочих органов УЗ технологических аппаратов для УЗ воздействия на газодисперсные системы, определить параметры УЗ воздействия и исследовать возможности формирования требуемых ультразвуковых полей на открытых пространствах и в ограниченных технологических объемах.

5. Исследовать функциональные возможности разработанных источников ультразвукового воздействия (рабочих органов ультразвуковых технологических аппаратов) в составе УЗ технологических аппаратов и подтвердить их эффективность при реализации процессов коагуляции, сушки, пеногашения и др.

Объектами исследования являются рабочие органы ультразвуковых технологических аппаратов, построенные в виде продольно-колеблющихся УЗ

пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися излучателями в виде дисков или пластин сложной формы и предназначенные для осуществления ультразвукового воздействия при интенсификации процессов химических технологий в газодисперсных системах.

Методы исследования.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, позволившие создать модели рабочих органов УЗ технологических аппаратов, способных формировать УЗ колебания с большим (более 145 дБ) уровнем звукового давления в газодисперсных системах при помощи изгибно-колеблющихся дисков или пластин переменной толщины, а также разработать практические конструкции органов и создать на их основе специализированные ультразвуковые технологические аппараты.

Научную новизну составляют:

1. Предложенные и разработанные модели рабочих органов УЗ технологического аппарата, позволившие создавать источники воздействия для формирования в газодисперсных системах УЗ колебаний с необходимыми характеристиками по направленности, уровню звукового давления (более 145 дБ) и частоте излучения (20-30 кГц).

2. Предложенная и разработанная методика проектирования и создания источников ультразвукового воздействия различных габаритных размеров и энергетических характеристик для реализации технологических процессов в газодисперсных системах (коагуляции, распыления, пеногашения, сушки и др.) в закрытых технологических объемах и на открытых пространствах.

3. Предложенный новый подход к построению многочастотных источников УЗ воздействия на базе многорезонансных пьезоэлектрических колебательных систем с изгибно-колеблющимися на кратных основной моде колебаний дисками переменной толщины, обеспечивший возможность создания рабочих органов УЗ технологических аппаратов для последовательного УЗ воздействия на различных частотах в диапазоне от 20 до 45 кГц.

4. Предложенные и реализованные способы применения созданных рабочих органов при интенсификации различных процессов химических технологий в газодисперсных системах, позволившие при низкой потребляемой мощности

обеспечить оптимальные режимы и условия УЗ воздействия для коагуляции жидких и твердых частиц, сушки различных материалов, гашения пен различного происхождения и распыления жидкостей с изгибно-колеблющихся поверхностей.

Практическая значимость:

1. Предложены, разработаны и реализованы в практических конструкциях рабочие органы УЗ технологических аппаратов - источники ультразвукового воздействия в виде колебательных систем на основе одно- и многопакетных пьезоэлектрических преобразователей с излучателями в виде дисков различного диаметра (от 70 до 450 мм) для интенсификации технологических процессов в газодисперсных системах на частотах от 20 до 30 кГц при уровне звукового давления не менее 145 дБ;

2. Впервые предложены и разработаны многочастотные источники УЗ • воздействия в виде колебательных систем на основе многорезонансных пьезоэлектрических преобразователей с изгибно-колеблющимися, на кратных основной моде колебаний, излучателями в виде дисков или пластин ступенчато-переменной толщины для обеспечения последовательного ультразвукового воздействия на различных частотах.

Созданное оборудование прошло успешную эксплуатацию на предприятиях страны и зарубежья: Научно-производственное предприятие «Метромед» (Омск); НИИ Природопользования (Нижневартовск); Dooson со., Ltd (Республика Корея); PHARMATECH A.S (Норвегия).

Личный вклад автора: предложена и реализована методология создания моно- и многочастотных источников УЗ воздействия (рабочих органов) с заданными техническими характеристиками по направленности, уровню звукового давления (более 145 дБ) и частоте излучения (20-30 кГц), предложены и реализованы практические конструкции и новые способы применения созданных рабочих органов в газодисперсных системах при интенсификации коагуляции, сушки, гашения пен и распыления, показана эффективность воздействия на реализуемые процессы.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях-семинарах по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM . (г.Новосибирск 2009-2013 гг.), Всероссийской научно-практической конференции

«Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск 2010, 2012 и 2013 гг.), четвёртой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная. обработка материалов) СЭТТ - 2011» (г.Москва 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии переработки продовольственного сырья» (г. Владивосток 2011 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Бийск 2011 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 16 опубликованных печатных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 патентах РФ, одном свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 132 наименований и содержит 175 страниц машинописного текста.

Работа является частью комплексных исследований, проводимых лабораторией акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» и направленных на развитие научных основ повышения эффективности технологических процессов при помощи ультразвуковых колебаний высокой интенсивности.

Автор выражает благодарность коллективу лаборатории за помощь и поддержку в создании лабораторных стендов (Левин C.B. Цыганок С.Н.), изготовлении опытных образцов (Хмелев С.С.), подготовке для проведения исследований электронных генераторов (Барсуков Р.В., Ильченко Е.А.), проведении исследований (Титов Г.А.), соавторам по публикациям и коллегам по исследовательской группе под руководством Шалунова A.B., включающей к.т.н. Шалунову К.В., инженера Нестерова В.А. и аспиранта Голых Р.Н., позволившим использовать результаты опубликованных исследований.

1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИНТЕНСИФИЦИРУЕМЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ В

ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

В современном производстве существует множество подходов, позволяющих интенсифицировать различные процессы