книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

т. е. количество Ая собственных частот в интервале Аѵ„ в соответствии с волновой теорией:

Ая = 4-^- ѵ2 Аѵ„, со

где с0— скорость звука в среде.

Для плоской звуковой волны коэффициент поглощения

это соотношение позволяет определить время ревербе­ рации внутри аппарата.

Задача определения свойств акустического поля зна­ чительно упрощается в одномерном случае. Пусть плоская гармоническая волна излучается вдоль оси х источником, расположенным в центре аппарата (х — 0). Решения вол­

190

диаграммы направленности.

В основу дальнейших построений положен следующий принцип конструирования: внутренняя поверхность аку­ стического аппарата должна являться поверхностью по­

191

J I ^-^-sinOj — функция Бесселя первого рода пер­

вого порядка.

Расчет по последней формуле можно выполнить с по­ мощью специальных номограмм [53]. При расчете аппара­ тов, среды в которых сильно поглощают звук, необходимо ввести в приведенные формулы экспоненциальный мно­ житель, учитывающий поглощение звука.

Аппараты с малой высотой (Н — d) рассчитывают согласно теории ближнего поля. Приравнивая осевое дав­ ление заданному минимальному Давлению pmln, находим формулу для определения высоты аппарата

Ң____ яrf2

8Я| arcsin

2v0pc

где v0— колебательная скорость на оси излучателя.

РАСЧЕТ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ

Распространение звука в сложном акустическом аппа­ рате можно рассматривать по аналогии с волновыми про­ цессами в сложных электрических линиях. Представляя аппарат как сложный звукопровод, нужно провести ана­ лиз отдельных акустических элементов, подобрать их электрические аналоги, построить из последних экви­ валентную электрическую схему и рассчитать ее, исполь­ зуя матрично-топологические методы [52 ]. Таким образом, задача расчета акустического аппарата аналогична задаче расчета звукопровода, приближенного решения которой достаточно для практики. Различие этих систем заклю­ чается в геометрии и характере заполняющей среды, а также в том, что в некотором элементе внутреннего объема аппарата происходит активное поглощение акусти-

192

Zit Zit Zs

и т. д.

*1

194

ческой энергии, интенсифицирующее тот или иной про­ цесс. Характерные акустические элементы конструкций, их электрические аналоги и формулы для расчета акусти­ ческого импеданса по данным С. Н. Ржевкина приведены в табл. 5.

Аппарат, рассматриваемый как сложная, акустическая цепь элементов с сосредоточенными постоянными, может быть описан совокупностью полюсных графов компонент. В качестве «продольной» переменной выбирают объемную колебательную скорость ѵ, а «поперечной» переменной — акустическое давление р. Эти переменные для каждой компоненты связаны соответствующими полюсными урав­ нениями. Объединение вершин полюсных графов в соот­ ветствии с соединениями между полюсами компонент дает граф аппарата. Анализ полученного графа позво­ ляет выделить топологическое дерево, составить матрицы вершин и контуров и получить системы матричных урав­ нений вида

В этой системе:

а), Ь) — матричные элементы t-той строки /-го столбца (ё. = ±1, если і-й контур содержит /-ю

ветвь, в противном случае а) = 0; Ь) = ±1, если к t-му узлу подсоединяется /-я ветвь,

и Ь) = 0, когда этого подсоединения нет);

т— число независимых контуров, равное числу мостиков (хорд) в топологическом дереве;

k — число вершин;

ГЛАВА XI

АКУСТИЧЕСКАЯ

j, ТЕПЛОМАССООБМЕННАЯ ^ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

f АППАРАТУРА

Аппаратурное оформление современных химико-техноло­ гических процессов также разнообразно, как и сами про­ цессы, причем применение акустики вносит еще большее разнообразие. Однако часто конструкции аппаратов

впринципе идентичны. Основы науки о процессах и аппа­ ратах позволяют провести определенную классификацию аппаратов, рассмотреть методы их расчета и осуществить

впроизводственных условиях оптимальные технологиче­ ские режимы их^эксплуатации [46].

Всоответствии с общепринятой классификацией далее рассмотрим теплообменные (теплообменные устройства, выпарные аппараты и т. п.) и массообменные (кристалли­ заторы, сушилки, экстракторы и др.) аппараты/Акустиче-

ские колебания могут влиять на тепломассообмен косвенно, за счет изменения межфазной поверхности в таких гидро­ механических и аэромеханических процессах, как эмуль­ гирование, диспергирование, распыление, фильтрация, коагуляция и др. Часто процесс тепломассообмена идет одновременно с таким сопутствующим процессом и со­ ставляет его неотъемлимую часть: распылительная сушка, экстракция в эмульсионной фазе и т. п. Поэтому рас­ смотрим и группу аппаратов, в которой протекают ука­ занью процессы.

АППАРАТУРА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ С УЗКОПОЛОСНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

Для интенсификации самых разнообразных тепло­ массообменных процессов можно использовать техноло­ гические аппараты с магнитострикционными и пьезоэлек­ трическими излучателями, гидродинамическими и аку­ стическими сиренами и свистками. Многие обычные не акустические аппараты могут быть перестроены в акусти­ ческие, если в них правильно вмонтировать излучатель.

Ультразвуковой реакционный сосуд (рис. 97) разрабо­ тан в МИХМе В. Н. Степанюком и др. Сосуд состоит из

197

магнитостриктора 7 (ГТМС-6) и насадки-излучателя 4, выточенной из стали Х18Н9Т. Насадка рассчитана из условия резонанса продольных и поперечных колебаний. Аппарат снабжен двумя рубашками водяного охлажде­

рования (рис. 98), состоящий из магнитострикционного преобразователя /, концентратора 2 с излучающей по­ верхностью в виде диска 3 и специальной щелевой ка­ меры эмульгирования, закрепленной фланцем 4.

Жидкости, подаваемые через штуцер в зазор А (рис. 98, а, б), озвучиваются в мощном кавитационном поле и подвергаются эмульгированию. Основную конструк­

(рис. 98, б, в) методом электрических аналогий. Числен-

1 Салосин А. В. и др. Аппарат для ультразвукового эмульгирова­ ния. «Бюллетень изобретений», 1968, № 21. Авторское свидетельство, № 221336, кл. 42е, 4/50.

198

мая оценка показывает, что при частотах -меньше ІО5 гц преобладает емкостное сопротивление. Оценив колеба­ тельную скорость и воспользовавшись условием распада струй, получим

h = с1,5

Р min

где р и а — плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Зависимость предельной концентрации от производи­ тельности согласно исследованиям авторов выражается уравнением

= 0,1 л-см°’5/ч);

Q — производительность в л/ч. .

В НИИХИММАШе [60] разработаны два типа аппара­ тов с гидродинамическими излучателями: пластинчатые УГС и роторные ГАРТ. Аппараты типа УГС предназна­ чены для смешения жидких компонентов. Они состоят из излучателей, фильтра, насоса, струйника-эжектора и пульта управления. Основной узел аппарата — блок из­ лучателя, который состоит из нескольких ультразвуковых гидродинамических излучателей (рис. 99). Каждый излу­ чатель снабжен соплом, пластиной и акустическим ста-

199