Книга: Акустическая коагуляция аэрозолей
Название: Акустическая коагуляция аэрозолей Раздел: Рефераты для военной кафедры Тип: книга | ||||||||||||||||||||
U-Sonic.ru – Лаборатория акустических процессов и аппаратов АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙВ.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, Р.В. БАРСУКОВ, С.Н. ЦЫГАНОК, Д.С. АБРАМЕНКО Бийский технологический институт (филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Современные тенденции развития общества, связанные с большим распространением потенциально опасных производств и постоянно возникающей угрозой террористических актов связанных с распылением ядовитых веществ в местах проживания и массового скопления людей, диктует необходимость создания устройств эффективного подавления аэрозолей. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена созданию подобных устройств. Аэрозоли – дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и твердой (дым, пыль) или жидкой (туман) дисперсной фазой. По происхождению различают диспергированные (техногенные) и конденсационные аэрозоли. Конденсационные аэрозоли образуются при объемной конденсации паров – это природные туманы, облака, а также аэрозоли, возникающие над сильно нагретыми телами в результате испарения из них (например, почвы) влаги и последующего охлаждения паров при перемешивании с более холодным воздухом. Источниками природных аэрозолей являются землетрясения, извержения вулканов, метеоритная и космическая пыль. Источниками техногенных аэрозолей могут быть различные аварии, вредные выбросы предприятий, атаки террористов, направленные на биологическое или химическое поражение людей в местах массового скопления. В связи с широким распространением потенциально опасных производств (выбросы аэрозолей ядовитых веществ) и резко возросшей опасностью проведения террористических актов с распылением химического или биологического поражающего вещества, возникает необходимость в создании эффективных средств подавления аэрозолей. В настоящее время, для улавливания частиц дисперсной фазы аэрозоля используются традиционные пылеулавливатели, пылевые камеры для выделения крупных пылинок, инерционные, батарейные, жалюзийные и мокрые циклоны, в том числе электрофильтры, тканевые фильтры. Все эти устройства не пригодны для скоростного подавления аэрозолей, особенно в закрытых объемах (воздуховодах) и на открытых пространствах, в частности для осаждения тумана на взлетно-посадочных полосах аэродромов и при движении морских судов в тумане. Поэтому возникает необходимость в создании способа и устройств эффективной защиты помещений и открытых пространств от распыленных аэрозолей. Одним из способов, позволяющих решить поставленную задачу, является акустическая коагуляция. Однако, на сегодняшний день, практически отсутствуют устройства акустической коагуляции аэрозолей. При этом частота акустических волн должна лежать в области ультразвука, т.е. выше предела слышимости человека и, следовательно, не оказывать вредного воздействия на его организм. Если распределение частиц аэрозоля полидисперсное, а относительная скорость частиц в акустическом поле зависит от их плотности и диаметра, частоты и интенсивности излучения, то и характеристики акустического поля должны соответствовать свойствам частиц. Что касается интенсивности излучения, то чем больше интенсивность звука, тем выше относительная скорость движения частиц аэрозоля [1]. Важным параметром аэрозоля характеризующим эффективность его коагуляции является характеристическая частота, определяемая как: F 0 = 2pr 3m R 2 , (1)где m – коэффициент динамической вязкости дисперсионной среды, r – плотность дисперсной фазы/частиц, R – радиус частицы. При этом, отношение амплитуды скорости колебаний взвешенной частицы к амплитуде скорости колебаний дисперсионной среды в зависимости от отношения частоты f излучения звука к характеристической частоте F 0 имеет асимптотический характер. Например, для воздуха, при нормальных m условиях r = 1,5 10-5 м2 /с, поэтому 7,2⋅10− 6F 0 = R 2 . Следовательно, для частиц радиусом 1 мкм – F0 = 7,2 МГц, для частиц с радиусом 100 мкм – F0 = 0,72 кГц, а для частиц с радиусом 10 мкм – F0 = 72 кГц. Если распределение частиц аэрозоля полидисперсное, то наличие характеристических частот обуславливает необходимость использования ультразвукового воздействия в широком диапазоне частот. С увеличением частоты излучения амплитуда скорости легких частиц увеличивается, а амплитуда скорости тяжелых уменьшается. При очень высоких частотах, относительно характеристической F0 , амплитуда движения частиц уже не зависит от частоты, а определяется лишь отношением плотностей вещества частицы и окружающей среды. Взаимодействие частиц (например, капель жидкости) с колеблющимся потоком газа приводит к нарушению их равномерного распределения в пространстве, сближению друг с другом и дальнейшей коагуляции. Неустойчивость равномерного распределения частиц обусловлена в основном двумя причинами. Во-первых, локальное спонтанное увеличение концентрации частиц приводит к увеличению неустойчивости системы, так как в области с повышенной концентрацией частиц возрастает скорость газа (амплитуда скорости) и, следовательно, падает неоднородное давление. Это вызывает возрастание плотности частиц – реализуется бернуллевский механизм сближения частиц. Во-вторых, в условиях стесненности частиц, сила Стокса увеличивается в области их повышенной концентрации, реализуется коллективное взаимодействие большого скопления частиц аэрозоля. Влияние этого механизма может стать более существенным, чем влияние механизма Бернулли. При высоких частотах нестабильность плотности обусловлена перепадом давления между областями с повышенными и пониженными концентрациями. При более низких частотах неустойчивость обусловлена как механизмом Бернулли, так и влиянием эффекта стесненности Стокса. Вторым, после частоты, действующим фактором коагуляции является интенсивность ультразвукового излучения Iп . На рисунке 1 представлены характерные зависимости степени осаждения n/n0 (где n – концентрация частиц за время облучения; n0 – концентрация частиц в начальный момент облучения) от времени облучения ультразвуком и его интенсивности для тумана хлористого аммония. Рис. 1. Зависимости степени осаждения от времени облучения ультразвуком и его ин- тенсивности для тумана хлористого аммония Приведенные зависимости свидетельствуют о том, что при больших интенсивностях ультразвука степень коагуляции за короткое время достигает более высокого значения [2]. На процесс коагуляции оказывают влияние также время экспозиции, которое зависит от Iп (при Iп =4,0 Вт/м2 весь процесс протекает в течение нескольких секунд), и исходной концентрации аэрозоля (с увеличением начальной концентрации эффективность коагуляции возрастает). Увеличение ультразвукового давления Рзв (интенсивности) резко снижает время осаждения t ( рисунок 2). Рис. 2. Зависимость постоянной времени коагуляции от звукового давления В настоящее время для коагуляции аэрозолей используются аэродинамические излучатели, в которых происходит преобразование кинетической энергии газового потока в энергию акустических колебаний. К таким излучателям относятся вихревые свистки, свистки с тангенциальным движением струи газа вблизи щели объемного резонатора, клапанные акустические генераторы, газоструйные излучатели Гартмана и его модификации. Недостатками подобных излучателей является необходимость использования и большой расход сжатого воздуха, низкий кпд, быстрый износ механических узлов абразивными частицами сжатого газа, ограниченный диапазон излучения. Существенным недостатком газоструйных излучателей является длительное время выхода на режим излучения, связанное с необходимостью создания потока газа, а в случае использования пиропатрона – непродолжительное время работы. Кроме того, эти источники излучения работают эффективно только на одной резонансной частоте и для коагуляции полидисперсного аэрозоля менее эффективны, чем широкополосные излучатели. Эффективной альтернативой динамическим и статическим газоструйным излучателям могут служить пьезоэлектрические ультразвуковые колебательные системы. Однако, требующиеся для осуществления процесса коагуляции ультразвуковое воздействие с интенсивностью более 130…140 дБ невозможно обеспечить классическими пьезоэлектрическими ультразвуковыми колебательными системами, генерирующими плоскую акустическую волну. Поэтому, основу аппарата для эффективной коагуляции аэрозолей, как в замкнутых так и на открытых пространствах, могут составлять излучатели, в которых обеспечивается преобразование энергии продольных колебаний пьезоэлектрического преобразователя в изгибные колебания титановых пластин или дисков. Преимуществами излучателей дискового типа являются возможность формирования ультразвуковых колебаний большой мощности и обеспечения перестройки частоты излучения за счет перехода с одной гармоники на другую. Смена рабочей частоты может быть вызвана необходимостью воздействия на частицы аэрозоля разных размеров (в случая осаждения полидисперсного аэрозоля). Как указывалось выше, осаждение частиц разных размеров происходит при разной частоте колебаний: чем меньше размеры коагулируемых частиц, тем выше требуемая частота. Дисковый излучатель может иметь первую гармонику в герцовом диапазоне, а, например, пятую гармонику на частоте около и более 20 кГц. Таким образом, дисковый излучатель может использоваться в широком диапазоне частот и оказывать эффективное воздействие на частицы разного размера. На рисунке 3 показано распределение амплитуд колебаний на первой гармонике дискового излучателя диаметром 340 мм. Резонансная частота излучателя равна 300 Гц. На рисунке 4 показано распределение амплитуд колебаний на пятой гармонике дискового излучателя. Частота излучения диска равна 20 кГц. Рис. 3. Распределение амплитуд колебаний дискового излучателя на первой гармонике Рис. 4. Распределение амплитуд колебаний дискового излучателя на пятой гармонике Одним из известных способов создания в воздушной среде акустических колебаний с уровнем звукового давления более 130140 дБ, при использовании пьезоэлектрических излучателей, является фокусировка (концентрирование) менее интенсивных колебаний на локализованном участке. Принцип работы такого излучателя показан на рисунке 5. a – длина акустической волны в воздуш- ной среде; b – волны изгибных колебаний в твердом теле Рис. 5. Схематичное изображение, поясняющее принцип работы фазированного фокусирующего излучателя У фокусирующего излучателя поверхность твердого тела (пластины) совершает изгибные колебания, причем распределение амплитуд колебательных смещений вдоль радиуса пластины имеет вид стоячих волн. Каждая точка колеблющейся поверхности излучает в воздушную среду акустическую волну. Если за счет формы пластины расположить «положительные» максимумы колебательных смещений на расстояниях от центра пластины равных [3]:
4 где n =0,2,4…, a – длина звуковой волны в воздухе, L – расстояние от центра пластины до фокуса, и «отрицательные» максимумы на расстояниях:
4 где n =1,3,5…, то волны, излучаемые каждой точкой пластины, будут приходить в фокус в одной фазе. Уровень звукового давления в фокусе превышает 160 дБ, а вокруг фокуса образуются поверхности равных фаз, где уровень давления превышает 150 дБ. Внешний вид излучателя, работающего по описанному принципу, показан на рисунке 6. 1 – диск; 2 – фазовыравнивающие канавки; 3 – колебательная система Рис. 6. Фокусирующий пьезоэлектрический излучатель Излучающая поверхность диска 1 является плоской, а на обратной стороне диска имеются кольцевые канавки 2, обеспечивающие необходимое распределение изгибных колебаний по поверхности диска, а выступы, расположенные между канавками являются ребрами жесткости. Возбуждение диска осуществляется полуволновой пьезоэлектрической системой, совершающей продольные колебания. Применение фокусирующего излучателя целесообразно в случае, источник распространения аэрозоля известен и имеется возможность подавления аэрозоля в момент зарождения. Для осуществления акустической коагуляции аэрозолей (подавления заражения и загрязнения) на открытых пространствах (аэродромы, производственные помещения, места общественного пользования), представляют интерес излучатели, создающие в воздушной среде акустическую волну, близкую к плоской, способную распространяться на значительные расстояния. При центральном возбуждении плоского тонкого диска, радиус которого кратен половине длины изгибной волны в этом материале, распределение колебательных смещений вдоль поверхности диска будет иметь вид стоячих волн. При этом амплитуда колебаний точки поверхности диска, удаленной на расстояние r от его центра определяется выражением: A
(r
) = A
0
⋅cos
2p
⋅
|
Частота излучения, кГц | 0.3…22 |
Диаметр излучателя, м | 0,34 |
Интенсивность колебаний, дБ не менее | 160 |
Потребляемая мощность, ВА, не более | 300 |
Масса колебательной системы с излучателем, кг, не более | 6 |
На рисунке 18 показан ультразвуковой аппарат, который может использоваться для осаждения аэрозолей как техногенного, так и природного (туманы) характера на открытых пространствах (например, аэродромах).
Рис. 18. Ультразвуковое оборудование для осаждения аэрозолей на открытых пространствах
Таблица 2. Технические характеристики оборудования
Частота излучения, кГц | 0.3…22 |
Диаметр излучателя, м | 0,34 |
Интенсивность колебаний, дБ не менее | 150 |
Потребляемая мощность, ВА, не более | 450 |
Масса колебательной системы с излучателем, кг, не более | 7 |
На основе проведенного анализа принципов функционирования и технических характеристик устройств, предназначенных для генерации ультразвуковых колебаний в воздушной среде установлена принципиальная невозможность их применения для эффективной коагуляции аэрозолей. Показано, что наиболее эффективно коагуляция аэрозолей может осуществляться при помощи широкополосных (многорезонансных) ультразвуковых излучателей на основе дискового излучающего элемента большой площади (0,1 м2 и более) и пьезоэлектрического преобразователя с концентратором. Практически разработаны конструкции фокусирующих и нефокусирующих излучателей, способных работать как на открытых, так и в замкнутых пространствах при уровне ультразвукового воздействия до 160 дБ.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили высокую эффективность разработанных излучателей, способную обеспечивать малое время коагуляции, практически полное отсутствие аэрозоля в воздушной среде после ультразвукового воздействия. Показана возможность коагуляции наиболее опасных высокодисперсных аэрозолей с размером частиц менее 5 мкм.
Для питания созданных излучателей разработаны специализированные ультразвуковые генераторы мощностью 300 ВА и 450 ВА с возможностью внешнего управления по последовательному интерфейсу, позволяющему объединять излучатели и генераторы в единую систему в пределах некоторого объекта.
Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук № МК-383.2008.8.
Литература
1. Юдаев Б.Ф. Акустическая коагуляция аэрозолей. Бюллетень строительной техники, 2004, №6.
2. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л.
Д. Розенберга. М., Наука, 1968.
3. V. N. Khmelev, I. I. Savin, D. S. Abramenko,
S. N. Tsyganok, R. V. Barsukov, A. N. Lebedev
"Research the Acoustic Cloth Drying Process in MockUp of Drum-Type Washing Machine", Intrnational
Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2006: Workshop Proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2006.
4. V. N. Khmelev, I. I. Savin, D. S. Abramenko,
S. N. Tsyganok, R. V. Barsukov, D. V. Genne, A. N. Lebedev "Research of Ultrasonic Drying Process in Dryers of Ventilation Type" Intrnational
Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2007: Workshop Proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2007.