Спосіб створення кавітації

Задача  11

«Спосіб створення кавітації» 

     Кавітація, особливо ультразвукова, широко використовується у різних галузях промисловості (у машинобудуванні - для очищення деталей від задирок та бруду, у харчовій промисловості - для диспергування та змішування).

     На  відміну від гідродинамічної  ультразвукова кавітація може створюватись і у нерухомій рідині. Виникає  вона внаслідок дії напружень  стиснення та розтягнення при  розповсюдженні ультразвукової хвилі (рисунок 11.1).

  

Рисунок 11.1 - Ультразвукова хвиля 

     Ультразвукова хвиля створюється коливним елементом (мембраною, пластиною), що виконує гармонійні коливання і який приводиться  у рух електричними перетворювачами - електромагнітним, магнітострикційним або п'єзоелектричним (рисунок 11.2) 

  

Рисунок 11.2 - Схема генератору ультразвукових коливань 

     Для інтенсифікації процесу кавітації  використовують ефект інтерференції  хвиль - явище стоячої хвилі. В  такому випадку декілька коливних елементів  розміщені так, що створюється стояча хвиля. Стояча хвиля, як відомо, характеризується удвічі більшою амплітудою коливань (рисунок 10.3). 

Рисунок 11.3 – Частий випадок інтерференції хвиль (стояча хвиля) 

     Так, наприклад, згідно [а.с. СРСР № 1373438 кл.В02С17/00, 1988 р.] у ванні для ультразвукового  очищення деталей випромінюючі елементи розташовані на таких відносних  відстанях, що хвилі, які випромінюються, утворюють стоячу хвилю чим значно підвищується інтенсивність кавітаційного  впливу.

     Але, не дивлячись на існування відомих  способів інтенсифікації процесу кавітації, актуальною є задача створення нового ще більш ефективного способу. 

     Завдання: Розробити спосіб інтенсифікації кавітації (збільшити енергію захлопування каверн), який можна було б застосувати і до відомих способів. Користуватись вепольним аналізом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рішення задачі 

     Кавітація - це швидке утворення і руйнування мільйонів найдрібніших бульбашок. Кавітація проводиться за рахунок чергування хвиль високого і низького тиску, утворених звуком високої частоти (ультразвуком). Ці бульбашки виростають у розмірі від мікроскопічного (у фазі низького тиску) до таких розмірів (у фазі високого тиску), при яких вони стискаються і розриваються, виділяючи при цьому енергію, за рахунок якої відбувається очищувальних вплив. Ультразвукове очищення досягається за рахунок застосування ефекту кавітації, викликаного ультразвуковими коливаннями в рідині.

     З підвищенням частоти ультразвукових коливань парова бульбашка не схлопується, тим самим знижуючи мікро ударну дію кавітації, а зниження частоти вимагає збільшення розмірів випромінювача ультразвуку. Випромінювач ультразвукових коливань – пристрій, який перетворює електричну енергію в механічну.

     Існує два види кавітації: гідродинамічна і акустична. Яскравим прикладом акустичної кавітації служить ультразвук. І дійсно, якщо в рідину опустити ультразвуковий випромінювач, то ми можемо спостерігати виникаючі і схлопуючі бульбашки.

       Саме високочастотну акустичну  енергію в рідині створює  ультразвуковий випромінювач. Для ефективності процесу очищення звукова енергія повинна мати вільну зону проходження від випромінювача до поверхні, що очищається.

     Кавітаційні бульбашки в деякій області рідини виникають всякий раз, коли до цієї області доходить фаза розрідження  ультразвукової хвилі.

     Інтенсивність кавітації обернено пропорційна  ультразвукової частоті: зі збільшенням  ультразвукової частоти зменшуються  розміри кавітаційних бульбашок  і їх результуюче вплив на поверхню, що очищається. Компенсувати зменшення  інтенсивності ультразвукового  впливу зі збільшенням частоти можна  лише збільшенням потужності опромінення.

     Процес  формування бульбашок досить плавний  і йде з накопиченням кінетичної енергії молекул. Чим вище поверхневий  натяг рідини, тим більше буде енергії, необхідної для отримання кавітаційних бульбашок, і, отже, тим більше буде ударно-хвильової енергії, яка утворюється, коли бульбашка руйнується.

     Схлопування парогазової каверни відбувається завдяки різниці тисків усередині  бульбашки і в обсязі навколишнього її рідини. У міру схлопування порожнини тиск в ній наростає, що призводить до гальмування стискання бульбашки гідродинамічного потоку аж до його зупинки. У цей момент, званим колапсом, усередині порожнини реалізуються максимальні значення тиску і температури, величини яких залежать від ступеня стиснення каверни, тобто від відношення максимального та мінімального радіусів бульбашки.  
 

     Крім  того, існує так звана парова кавітація. Під час циклу розширення, кавітаційна порожнина заповнюється парами навколишньої рідини, так що при колапсі ці пари конденсувалися на внутрішній межі розділу газ-рідина. Тим самим знижувався тиск парів на стінки зсередини, і стиск відбувався з великою швидкістю, ніж у випадку неконденсуючих газів.

     Виникаюча при цьому сферична ударна хвиля, що розповсюджується у напрямку до центру, виявляється більш інтенсивною, що, як очікується, може призвести до розвитку надвисоких температур і тисків в центральній області бульбашки. 
 

     

 
 
 
 
 

     Ультразвукова кавітація - основний ініціатор фізико-хімічних процесів, що виникають в рідині під дією ультразвуку. Вона реалізується за рахунок трансформації низької щільності енергії УЗ у високу щільність енергії поблизу і всередині газового пухирця.  

     Як  відбувається процес утворення кавітації  в рідині? Розглянемо виникнення ефекту і перебіг по стадіях:

     1. Дія на рідину УЗ коливань малої інтенсивності. Як відомо, УЗ хвиля, проходячи через рідину, створює зони стиснення і зони розрядки, мінливі місцями в кожен напівперіод хвилі, виникає при цьому знакоперемінний тиск.

     2. При збільшенні інтенсивності приблизно до 1 Вт/см², з'являється порушення однорідності рідини. Що ж відбувається? У фазу розрядження (зниженого тиску) в найбільш слабких місцях починається виділення розчинених газів з утворенням одного довгогіснуючої бульбашки.

       При цьому, утворюється пухирець стабілізується моношаром органічних речовин і лінійно коливається з частотою УЗ щодо свого рівноважного R.

     3. При подальшому підвищенні інтенсівновсті до 1,5 Вт/см² призводить до порушення лінійності коливань стінок бульбашок. Починається стадія стабільної кавітації. Бульбашка сама стає джерелом УЗ коливань.

     4.Четверта стадія - стадія нестабільної кавітації. Виникає при подальшому збільшенні інтенсивності I> 2,5 Вт/см². Вона характеризується утворенням швидкозростаючих парогазових бульбашок, що у фазу стиснення миттєво скорочуються в обсязі і сплющуються, тобто наступає колапс.

     Чим характеризується кавітаційний процес?

     а) У бульбашці відбувається розігрів парогазової суміші;

         б)Коливання бульбашки характеризується високою радіальною швидкістю стінок, більшою за швидкість звуку;

       в) У бульбашці створюються великий тиск.

     5. Що відбувається далі, коли газова бульбашка захлопується?

     а) На місці зниклої бульбашки утворюється ударна хвиля;

     б) Якщо бульбашка при стисканні має лінзообразну форму, між зближаючими стінками виникає мікроточечний електричний розряд високої напруги.

       У результаті розвитку в середовищі всіх стадій кавітаційного процесу виникає складна гідродинамічна обстановка, що впливає на структуру рідини. Чим вона зумовлена?

      1. Осцилюющі бульбашки - утворюють хвилі тиску P у середовищі.

      2. Захлопуючі області утворюють ударні хвилі.

      3. Існує загальний акустичний тиск УЗ хвилі.

     Накладаючись  один на одного, на бульбашки газу, і  тверді частинки, ці чинники в обсязі утворюють неоднорідність тисків Р, що породжує швидкі мікропотоки і  загальні течії.

     Отже, при реалізації технологічних процесів, інтенсифікуючими УЗ коливаннями, необхідно створювати умови виникнення саме захлопуючих кавітаційних бульбашок. При цьому існує поняття оптимального часу захлопування кавітаційної бульбашки.

       Таким чином, в рідині виникають  такі фізико-хімічні явища, як  акустична кавітація, інтенсивне перемішування, змінний рух частинок, інтенсифікація масообмінних процесів. Супутніми чинниками тут є ефекти диспергування в системі тверде тіло - рідина, розшарування по відносній масі і розміром зважених в рідкому середовищі твердих частинок, коагуляція. 
 

       

     Рисунок 1 - Ефекти кавітації 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     При коливаннях випромінювача з ультразвуковою частотою в оброблюваній в реакторі рідкому середовищі виникають чергування стиснень і розтягувань, які створюють додаткову зміну тиску в ній щодо постійного статичного тиску в середовищі. Ці коливання тиску в рідкому середовищі визначаються звуковим тиском, що створюється випромінювачем.

     При поширенні ультразвукових коливань у рідкому середовищі спостерігається  тісно пов'язаний зі звуковим тиском ефект, званий ультразвукової кавітацією. Явище кавітації засноване на тому, що при дії звукового тиску в рідкому середовищі утворюються кавітаційні порожнини.  

     Процес  розвитку одиночної кавітаційної порожнини  проходить через три стадії.

     На першій стадії відбувається розширення кавітаційної порожнини з початкового парогазового зародка (завжди знаходяться в рідині у великій кількості), обумовлене пониженням тиску (фаза розтягування) в рідини при дії негативної фази звукового тиску. Цей процес визначається різницею значень змінного звукового тиску і постійного статичного тиску.

     На  другій стадії відбувається процес захлопування утвореної кавітаційної порожнини при впливі позитивної фази звукового тиску (фаза стиску). Цей процес визначається сумою значень змінного звукового тиску і постійного статичного тиску. У результаті процес захлопування кавітаційної порожнини відбувається дуже швидко зі швидкістю руху стінки порожнини приблизно. При цьому парогазова суміш, завжди знаходиться усередині порожнини, стискається при нормальних умовах.

     На  третій стадії починається процес вторинного розширення кавітаційної порожнини за рахунок того, що парогазова суміш, стиснута до декількох тисяч атмосфер змушує кавітаційну порожнину стрімко розширюватися. Цю стадію можна ототожнити з точковим вибухом. На цій стадії вплив змінного звукового тиску і постійного статичного тиску можна не враховувати, оскільки зазначений тиск практично не впливає на процес вторинного розширення кавітаційної порожнини.