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

Так как акустический импеданс слоя возрастает с уве­ личением частоты, а эффективная колебательная скорость при той же мощности воздействия уменьшается, то должна существовать оптимальная частота воздействия.

Гидродинамический импеданс— аналог сопротивле­ ния постоянному току Zr = 8Фр//г2 не зависит от частоты. Сравнивая Zr (d) и Za (d, со), Ю. Б. Юрченко нашел, что акустический импеданс на порядок меньше гидродинами­ ческого, а акустическое давление на порядок больше гидродинамического. Поэтому акустические колебания по сравнению с гидродинамическим потоком получают преимущество при распространении в каналах.

Значения локальных импедансов и скоростей, разу­ меется, статистически отличаются от их макроскопических средних значений. Но ясно, что в узких каналах на усло­ вия тепло- и масеообмена влияет колебательная скорость. Хотя низкоинтенсивные акустические воздействия не влияют непосредственно на процессы тепло- и массообмена внутри частиц, но существенно изменяют условия внешнего переноса, например, нарушают перенос между частицами, обусловленный различием их сорбционных потенциалов и тем самым сдвигают процесс в сторону преобладания десорбции.

Подстановкой значений Rev, Za и Zr в уравнение (22) легко найти выражения для интенсивности сушки в ки­ пящем слое без пульсаций J и с пульсацией Ja потока газа:

I»

Вычисленные по последним формулам значения J и / а расходятся с экспериментальными данными не более чем на 20%. Этот факт можно считать доказательством пра­ вильного выбора методики описания явления.

50

поверхности образуется гребень, .аналогичный поверхно­ стно-капиллярной волне, направленной в сторону захло­ пывающегося пузырька. На последней стадии захлопы­ вания пузырька с вершин такого гребня и происходит каплеобразование». Заметим, что оторваться должна та масса жидкости, которая приобрела кинетическую энер­ гию, достаточную для преодоления сил сцепления с осталь­ ной массой. По-видимому, можно рассчитать размер этой капли аналогично случагсг отрыва капли под действием гравитационного поля. Для этого нужно лишь знать энергию силового поля, создаваемого захлопывающимся пузырьком, и поверхностное натяжение границы раздела

.фаз.

Г. А. Кардашев, А. В. Салосин и И. С. Муслимов высказали гипотезу о том, что при захлопывании кави­ тационной полости вблизи или на границе раздела фаз возникают высокоскоростные кумулятивные струи одной жидкости в другой. Эти струи распадаются, образуя дисперсные частицы; диаметр последних связан с диа­ метром струи dc и средней скоростью струи и соотноше­ нием

где а 12 — коэффициент межфазного поверхностного натя­ жения;

Рі и р2 — плотность соответственно первой и второй фаз. А. В. Салосин рассчитал размер капель эмульсии, которую можно получить, например, при частоте 10 кгц. Найденный диаметр d = 3 ^ мкм согласуется с экспери­

ментальными данными.

Описанная модель явления будет не полной, если пре­ небречь перемешиванием, бурными турбулентными тече­ ниями, которые всегда возникают в жидкости при интен­ сификации звука, превышающей порог кавитации.

Влияние частоты на процесс получения эмульсий в ультразвуковом поле изучали многие экспериментаторы, но в оценке результатов их мнения часто расходятся. С. А, Недужий показывает, что состав дисперсной фазы зависит от частоты: чем больше часотота, тем больше дисперсность. На этом основании он пришел к заключе­ нию, что с ростом частоты уменьшается не только длитель­ ность, но и размеры возмущения на границе раздела фаз,

52

Приведенное авторами экспериментальное исследова­ ние ультразвукового эмульгирования хлористого аллила в воде показали, что наибольший эффект от акустического воздействия с заданной частотой достигается при условии предварительного дробления крупных капель масла, на­ пример, механическим перемешиванием компонентов. От­ мечено также, что в этом случае на эффективность аку­ стического эмульгирования влияет интенсивность поля и температура смеси.

Опыты по акустическому эмульгированию хлористого аллила в щелочной дисперсной фазе при воздействии ультразвука непосредственно перед входом в рабочую

В одной из работ А. А. Барам отмечает, что ни раз­ ностью ускорений, ни поперечными колебаниями стенок реакционного сосуда, ни кавитационными явлениями, ни поверхностно-капиллярными волнами в отдельности нельзя объяснить все опытные факторы, наблюдаемые при эмульгировании. Он отмечает, что поверхностно-капил­ лярные волны всегда образуются на границе раздела фаз при дроблении жидкостей. Условие деформации поверх­ ности раздела фаз несмешивающихся жидкостей с после­ дующим отрывом капли А. А. Барам формулирует нера­ венством

(23)

где Аи — разность скоростей жидкой среды на расстоя-

НИИ г\

а— коэффициент поверхностного натяжения жид­ костей;

г— поперечный линейный размер зоны деформации или разрыва жидкости.

Ссылаясь на неравенство (23), А. А. Барам считает, что акустическое эмульгирование может осуществляться вследствие возникновения разности динамических напо­ ров в разных точках поверхности раздела фаз жидкостей и факторы акустического поля, приводящие к развитию этого явления, и будут играть существенную роль в про­ цессе эмульгирования. Из выражения для колебательной скорости в разных точках поверхности раздела фаз

53

А. А. Барам выводит следующее уравнение для радиуса а образующихся капель:

где / и с — соответственно интенсивность и скорость звука.

А. А. Барам отмечает, что вязкость ограничивает уменьшение размера капель с увеличением частоты, кото­ рого следовало бы ожидать согласно последней формуле, и диспергирование жидкости за счет разности колебатель­ ной скорости в разных точках поверхности раздела фаз возможно при условии

где $ — кинематическая вязкость.

' Поэтому при высоких частотах капли не должны успе­ вать оторваться, а при малых — уменьшается разность колебательных скоростей в разных точках и разность динамических напоров. Следовательно, по оценке Барама, колебательная скорость не может оказать существенного влияния на эмульгирование.

А. А. Барам приходит к выводу, что дробление в аку­ стическом поле в системе жидкость — жидкость вызы­ вается интенсивными мелкомасштабными • пульсациями, вызывающими деформацию поверхности раздела фаз жидкостей, вследствие чего возникают поверхностно-ка­ пиллярные волны. Мелкомасштабные пульсации порядка размеров образующихся капель отрывают последние с гребней волн, поскольку скорости пульсаций различные по высоте гребня. Опуская многие другие детали, можно согласиться с утверждением А. А. Барама об основной роли микроструктуры потоков у границы раздела фаз и с заключительным замечанием о том, что резонансные кол'ебания капли в жидкой среде имеют важное значение, но. несовершенство современной теории не позволяет дать точную его' оценку.

А. В. Салосин с соавторами экспериментально подтвер­ дили существование корреляции между частотным спек­ тром воздействия и распределением частиц полученной эмульсии по размерам. На рис. 13 представлены резуль­ таты испытания эмульсии, приготовленной с помощью

54

ультразвуковой установки (а) и струйного смесителя (б). Спектр шумов с помощью сферического титанатбариевого датчика (диаметром 15 мм) регистрировали спектроме­ трами типа СЗЧ и СУЧ. Для анализа эмульсий исполь­ зовали микроскоп МБИ-3 с микрофотонасадкой МФН-12 и проекционный аппарат.

Накопленный экспериментальный материал не обеспе­ чивает детального описания процесса диспергирования твердых веществ в акустическом поле. Однако представ­ ляется возможным сделать некоторые обобщения и вы-

Рис. 13. Графики, иллюстрирующие соответствие кривых распределе­ ния числа частиц эмульсий п по размерам d и спектров воздействия (за­ висимость относительной интенсивности J от длины'волны Ц:

а — при ультразвуковом воздействии от магшітострнкцнонного излучателя; б — в струйном смесителе

воды, полезные для выбора акустического воздействия при диспергировании заданного материала.

1.Диспергирование твердых веществ в акустическом поле можно объяснить усталостным разрушением наи­ более слабых межкристаллитных связей образца под дей­ ствием знакопеременных нагрузок. Это явление, харак­ терное для истинно хрупких веществ, должно наблю­ даться и в твердых вязко-пластичных телах при более высоких частотах.

2.Разрушение наиболее вероятно на границе раздела фаз с различным акустическим сопротивлением. На гра­ нице раздела фаз звуковой импульс отражается и создает наибольшие напряжения.

3.Эффективность акустического диспергирования за­ висит от частоты колебаний и структурных характеристик материала. Мощность и частота воздействия определяются

55

ГЛАВА III

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ НЕПРЕРЫВНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Образно говоря, генератор — сердце любой ультразвуко­ вой установки, и от ритмичности его работы зависит ее жизнедеятельность. Несмотря на то, что конструирова­ ние и расчет электрического генератора дело инженераэлектрика и инженера-радиотехника, ниже приведены примеры этих расчетов, так как понимание функций отдельных частей установки необходимо как при разра­ ботке ее смежных узлов, так и при ее эксплуатации. Конечно, за более детальными сведениями необходимо обратиться к специальной литературе.

Известно большое число типов генераторов и преобразо­ вателей. Однако их можно классифицировать по назна­ чению, характеру генерируемого электрического сигнала и способу его получения. Генераторы непрерывного дей­ ствия, излучающие тональный электрический сигнал одной частоты, можно разделить на ламповые и транзисторные; импульсные генераторы можно относить к отдельному типу. В разработке проблемы возбуждения незатухаю­ щих колебаний выдающаяся роль принадлежит совет­ ским ученым М. В. Шулейкину, М. А. Бонч-Бруевичу, А. И. Бергу, Ю.. Б. Кобзареву, А. Л. Минцу и др. Разви­ тие ультразвуковой техники тесно--связано с развитием радиотехники в целом. Рассмотрим основные принципы и схемы генераторов электрических колебаний.

ЛАМПОВЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Электрический генератор непрерывных периодических' колебаний в большинстве случаев представляет собой автоколебательную систему. Как известно [64], автоко­ лебательная система содержит источник энергии, клапан, колебательный контур и цепь обратной связи. Так, в про­ стейшем ламповом генераторе (рис. 14), источником энергии служит анодная батарея, роль клапана играет сетка триода, напряжение на которой управляет анодным током. Обратная связь осуществляется за счет взаимо­ индукции катушек L и Ы (колебания в контуре LC влияют

57 .

на -величину напряжения на сетке). Генератор работает при выполнении условий динамической устойчивости; аналитические выражения критериев устойчивости при­ ведены в специальной литературе [64].

На практике используют также другие схемы генера­ торов, отличающиеся тем, что контур находится в цепи анода или имеет автотрансформаторную связь (трехто­ чечная схема). Обратная связь может быть не только индуктивной, но и емкостной. Для передачи сигнала обратной связи на сетку .

Для расчета автогенератора (рис. 15) задаются его выходными параметрами: выходной мощностью Р„, вы­ ходным напряжением U„ и комплексным сопротивлением или cos ср нагрузки [20, 50]. Мощность, расходуемая в контуре,

Р. = ІІГ>

где / к — эффективное значение тока в контуре; г = гк + (г8Н! + гвн 2) — суммарное сопротивление

собственно контура гк и сопротивлений, вноси­ мых сеточной цепью гвн г и нагрузкой гвн 2.

Для самовозбуждения автогенератора должно выпол­

(индексы а, с, к при х соответственно означают анод, сетку, катод).

Автогенератор рассчитывают следующим образом.

58

1. Определяют эффективное значение напряжения на контуре

- • ' u . - f e ( 1 + * ) ,

где k = -jf----коэффициент обратной связи (обычно

. k = 0,1-J-0,4).

2. Находят реактивную мощность контура

где Р — полная мощность; б '— приведенное затухание (для генераторов мощ­

ностью до 5 квт б' = 0,04-н0,2; при большей мощности б' = 0,1ч-0,25).

Значение добротности Q при этом берут в пределах от 100 до 250.

Далее находят реактивное значение силы тока в кон­ туре

JK п ’

ик

реактивное сопротивление ветвей контура: для участка анод — катод

иа

V2/а’

по ветви связи

Uc

V2/к.’

Для емкостныхеветвей рассчитывают емкости конден­ саторов

и уточняют их величины по ГОСТам, а для индуктивных ветвей определяют индуктивности катушек

3. Находят волновое сопротивление контура

Рк %а-к “1 -*'св

и реактивность ветви контура (сетка — анод) xc а = рк. Если сумма хВшк + хсв определяет емкость, то хс а — ин-

59