Обработка водных систем ультразвуковыми колебаниями

Еще одним способом воздействия на водную систему является обработка ее ультразвуковыми колебаниями. Ультразвуковые колебания, распространяясь в различных средах, могут вызывать в них изменения, используемые для интенсификации технологически процессов [19].

Ультразвуковые колебания получили широкое применение в очень многих областях народного хозяйства. Специальными конструкциями ультразвуковых эхолотов и гидролокаторов измеряют расстояния до различных предметов. Ультразвуковыми дефектоскопами обнаруживают внутренние пороки в металлических отливках и сварных швах без их разрушения. Приборами, использующими ультразвуковые колебания, измеряют скорости потоков жидкостей и газов, а также определяют многие другие физико-химические свойства различных сред.

Все эти направления в применении ультразвуковых колебаний уже давно изучаются и применяются в технике связи и в измерительной технике. Но в последние годы особое значение приобрело промышленное применение ультразвуковых колебаний для осуществления всевозможных технологических процессов. К таким процессам, состоящим в силовом воздействии ультразвуковых колебаний на различные среды и характеризующимся сравнительно большой энергоемкостью, относятся: ультразвуковая сварка и пайка различных изделий, ультразвуковая очистка деталей точной механики и оптики от загрязнений, ускорение процессов диффузии, удаление газовых включений из жидких сред, удаление или предотвращение образования накипи в котлах и многое другое.

Особого внимания заслуживают намечающиеся применения ультразвуковых колебаний для размерной обработки различных материалов. С помощью ультразвуковых колебаний удается создавать сквозные и глухие отверстия, осуществлять профилирование различных фасонных поверхностей, фрезерование, шлифование, гравирование, нарезание резьбы и другие подобные производственные операции с материалами, почти не поддающимися обработке иными средствами [19].

В состав ультразвуковых технологических установок входят, во-первых, источники ультразвуковых электромагнитных колебаний в виде электронного (лампового) или полупроводникового генератора и, во-вторых, преобразователи этих колебаний в механические, основанные преимущественно на использовании магнито-стрикционных и пьезоэлектрических свойств материалов [19].

Природа ультразвукового диспергирования полностью не выяснена. Несомненно, большую роль здесь играет явление кавитации.

Акустическая кавитация - это образование и захлопывание полостей и жидкости под воздействием звука. Полости образуются в результате разрыва жидкости во время полупериодов сжатия [20]. Полости заполнены в основном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда называется паровой кавитацией. Если газовая кавитация может протекать с большей или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды давления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторого критического значения амплитуды давления, так называемого кавитационного порога. Величина этого порога - от давления насыщенного пара жидкости до нескольких десятков и даже сотен атмосфер (в зависимости от содержания в жидкости зародышей) [20].

При захлопывании сферической полости давление в ней резко возрастает, как при взрыве. Давление при захлопывании особенно велико при кавитации на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлением насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости, то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей станет неполным и подъем давления при захлопывании - небольшим. При содержании газа в жидкости выше 50% от насыщения возникает кавитационное обезгаживание жидкости - образование и всплывание газовых пузырьков, и вырождение паровой кавитации в газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вблизи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные микропотоки. Появление кавитации ограничивает дальнейшее повышение интенсивности звука, излучаемого в жидкости, что влечет за собой снижение нагрузки на излучатель [20].

Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов, часть из них например, разрушение твердых тел, эмульгирование жидкостей, очистка - обязаны своим происхождением ударам при захлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков. Другие эффекты (например, вызывает и ускоряет химические реакции) связаны с ионизацией при образовании полостей. Благодаря этим эффектам акустическая кавитация находит все более широкое применение для создания новых и совершенствования известных технологических процессов. Большинство практических применений ультразвука основано на эффекте кавитации.

В промышленности используют ультразвуковые колебания средней и большой интенсивности, при которых в жидкости возникает развитая кавитация. При выборе оптимального значения интенсивности ультразвука следует иметь в виду, что при слишком малых интенсивностях кавитационные процессы не развиваются, а чрезмерное повышение интенсивности для данной частоты приводит к значительному возрастанию в полупериод растяжения максимального радиуса кавитационной полости. При этом увеличивается присоединенная масса жидкости, и время захлопывания пузырька может оказаться больше полупериода сжатия волны. Это приводит к ослаблению кавитационных процессов.

Порог кавитации зависит от физико-химических свойств жидкости и, в особенности, от частоты ультразвука. Так, для возбуждения кавитации в воде при 20 кГц требуется интенсивность звука около 1 Вт/см², при 200 кГц 10 Вт/см², при 500 кГц 200 Вт/см², а при 3 МГц 50 Вт/см² [20].

В производственных условиях удобно оценивать интенсивность кавитации в объеме жидкости по разрушению тонкой алюминиевой фольги [20]. В сосуд, в который вмонтирован источник ультразвуковых колебаний, заливают воду при комнатной температуре (15-25° С) и помещают рамку с тонкой (0,02 мм) алюминиевой фольгой. Фольгу можно устанавливать параллельно поверхности излучателя, если необходимо определить распределение зон кавитации по его поверхности, или перпендикулярно поверхности излучателя, если надо установить распределение зон кавитации по высоте столба жидкости. Рамку с фольгой выдерживают в воде под действием ультразвуковых колебаний 5-10 сек. В зонах интенсивной кавитации происходит разрушение фольги с образованием сквозных точечных отверстий. По расположению этих отверстий можно судить о конфигурации кавитационного поля и распределении области кавитации в любой точке объема жидкости.

Устройства для получения упругих колебаний звукового и ультразвукового диапазона частот в большинстве случаев состоят из двух основных частей - генератора колебательной энергии и вибратора, преобразующего эту энергию в упругие колебания.

Известны четыре основных типа акустических преобразователей: аэродинамические, гидродинамические, механические и электромеханические. Электромеханические преобразователи можно подразделить на электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические [10].

Генерирование низких ультразвуковых частот осуществляется магнитострикционными преобразователями. Они просты по конструкции, неприхотливы в эксплуатации, относительно дешевы, доступны и поэтому используются для научных работ и в производстве [10].

Магнитострикционные преобразователи могут быть изготовлены на любую частоту в диапазоне 8-300 кГц, однако на практике чаще всего применяют преобразователи только на частоты 18-22 и 40-45 кГц. Это объясняется не только тем, что преобразователи для низких частот очень громоздки, а для более высоких - излишне миниатюрны и маломощны, но и тем, что отечественная промышленность выпускает генераторы и преобразователи, предназначенные для производственных и исследовательских целей, главным образом на эти частоты.

Основной частью магнитострикционного преобразователя служит так называемый двигатель из ферромагнитного материала, обладающего способностью деформироваться в магнитном поле. Например, стержень из никеля укорачивается, а из железокобальтового сплава пермендюра — удлиняется независимо от перемены направления магнитного поля. Сердечник электромагнита из этих материалов колеблется с удвоенной частотой синусоидального переменного тока, протекающего по его обмотке [10].

Ультразвуковые колебания получили широкое применение в очень многих областях народного хозяйства. Специальными конструкциями ультразвуковых эхолотов и гидролокаторов измеряют расстояния до различных предметов. Ультразвуковыми дефектоскопами обнаруживают внутренние пороки в металлических отливках и сварных швах без их разрушения Приборами, использующими ультразвуковые колебания, измеряют скорости потоков жидкостей и газов, а также определяют многие другие физико-химические свойства различных сред.

 Глава 2. Экспериментальная часть