Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Литературный обзор 12
1.1. Особенности производства первичной обработки шерсти 12
1.2. Аналитический обзор современных способов очистки шерсти от загрязнений 17
1.3. Выбор ПАВ для процесса очистки шерсти 29
Заключение по литературному обзору и постановка задачи исследования 31
РАЗДЕЛ 2 Методическая часть 33
2.1. Характеристика используемых в работе материалов и оборудования 33
2.2. Методы исследования и анализа.. 41
2.3. Методы обработки результатов экспериментов 48
РАЗДЕЛ 3. Экспериментальная часть 49
3.1. Изучение влияния природы шерстомойных сред на интенсивность распространения ультразвуковых волн и эрозионной активности кавитации 49
3.1.1. Изучение влияния природы шерстомойных сред на интенсивность распространения ультразвука 52
3.1.2. Исследование влияния состава шерстомойных сред на эрозионную активность кавитации и акустических течений 57
3.2. Изучение влияния технологических параметров на эффективность ультразвуковой очистки шерсти 72
3.3. Исследование воздействия различных условий очистки на прочность шерстяного волокна 90
3.4. Пути интенсификации процесса ультразвуковой очистки шерсти 98
3.5. Разработка технологического режима процесса ультразвуковой очистки шерсти 114
3.6. Оценка экономической и экологической эффективности применения технологии очистки шерстяного волокна ультразвуком ... 119
Выводы 124
Список использованных источников 125
Приложение 136
- Аналитический обзор современных способов очистки шерсти от загрязнений
- Изучение влияния природы шерстомойных сред на интенсивность распространения ультразвука
- Изучение влияния технологических параметров на эффективность ультразвуковой очистки шерсти
- Оценка экономической и экологической эффективности применения технологии очистки шерстяного волокна ультразвуком
Введение к работе
В настоящее время Украина располагает мощной текстильной отраслью, представленной всеми основными видами производства тканых и нетканых материалов и изделий, вырабатываемых из натуральных и химических волокон. Однако из-за высокой цены на мировом рынке на сырьё, высоких затрат на энергоносители текстильное производство стало малорентабельным, а подчас и убыточным, что пробудило повышенный интерес к широкому использованию собственного текстильного сырья, важнейшим из которого является овечья шерсть.
Значение шерстяной промышленности видно из сопоставления следующих данных: доля шерсти в структуре мирового производства текстильных волокон составляет 5 %, хлопка - 46 %, синтетики - 46 %, льна - 2 %, в то же время валовой доход от реализации готовой продукции, вырабатываемой из шерсти в 15 раз превышает её себестоимость и обеспечивает функционирование практически всех отраслей и удовлетворяет потребности населения в одежде первой необходимости. В 1997 г странами-членами International Wool Textile Organization (IWTO) произведено мытой шерсти, т: Австралия - 52700, Бельгия - 1727, Бразилия - 350, Великобритания - 26696, Испания - 11168, Италия - 1184, Франция - 3741, ЮАР - 3713, Япония - 8338 [1].
Украина является производителем овечьей тонкой шерсти ценных пород, например асканийской породы. Так, выведенная в Украинском институте животноводства (Аскания-Нова) академиком ВасХНИЛ М.Ф.Ивановым в 1925-1934 гг. на основе систематического отбора местных мериносовых овец по шерстности и живой массе и скрещивании их с баранами американского рамбулье, асканийская порода является выдающейся по шёрстной и мясной продуктивности. Шерсть в основном 64 качества по тонине, при длине 8-Ю см. Овцы хорошо приспособлены к засушливому климату, крепкой конституции и хорошего сложения [2].
Оценивая состояние производства первичной обработки шерсти (ПОШ) в динамике, следует отметить, что допущенные за последние годы кризисные явления в экономике страны (спад производства и инвестиций, инфляция и др.) не могли не отразиться на развитии её агропромышленного комплекса (АПК). Как следствие, поголовье овец сократилось, производство шерсти уменьшилось. Только за 1999 г. в Украине выпуск натуральной шерсти сокращен на три четверти в сравнении с 1998 г., в Херсонской области - на 19 % [3]. Эта тенденция сохраняется, и трудно рассчитывать на её преодоление, поскольку диспаритет между ценами на сельскохозяйственную и промышленную продукцию продолжает усиливаться [4], производство шерсти становится малорентабельным (до 8 %), а в отдельных регионах и убыточной отраслью.
Проведённые расчёты [5 ] показали, что только за счёт оптимизации маршрутов и объёмов перевозки немытой и мытой шерсти можно на 1/3 снизить расходы на транспортировку, которые составляют до 50 % общих расходов производства ПОШ.
Самым слабым технологически звеном в общем цикле облагораживания шерсти является её первичная подготовка, включающая в себя три основные стадии: сортировка, очистка и сушка, из которых доминирующей по значимости является очистка. При этом в настоящее время материально-техническая база предприятий ПОШ: половина моечно-сушильного оборудования морально и физически устарела [4]. Положение усугубляется тем, что серийное производство технологического оборудования ПОШ в стране отсутствовало. Всё сказанное особенно касается самого важного в производстве ПОШ процесса очистки грязной шерсти. От уровня исполнения именно этого процесса максимально зависят себестоимость и качество вырабатываемой шерстяной продукции.
Все применяющиеся на сегодня способы очистки шерсти либо неэффективны, либо дорогостоящи, экологически опасны, что обуславливает следующую статистику: трудовые затраты на производство
7 1 тонны мытой шерсти с учётом первичной обработки достигают примерно 8300 чел.час., тогда как производство 1 тонны хлопкового волокна имеет трудовые затраты 1660 чел.час; себестоимость 1 тонны мытой шерсти в 7,8 раза выше себестоимости вискозного штапельного волокна и в 3,2 раза выше себестоимости лавсанового [6]. Следует отметить, что применяющиеся в нашей стране методы очистки шерстяного волокна настолько ухудшают его качество, что отечественная шерстяная продукция не конкурентоспособна на мировом рынке.
К одной из технологий, позволяющей во многом решить перечисленные проблемы относится ультразвуковая очистка.
Ультразвуковая очистка - технологический процесс, в основе моющего действия которого лежит явление кавитации, получил широкое распространение в сфере производства. Основными преимуществами ультразвуковой очистки (УЗО) являются высокое качество, технологичность и относительная простота оборудования [7].
Качество УЗО несравнимо с другими способами. Например, при прополаскивании деталей на их поверхности остаётся до 80 % загрязнений, при использовании вибрационной очистки - в пределах 55 %, при ручной - 20 %, при УЗО - не более 0,5 % [8, 9].
Актуальность темы. Украина могла бы иметь в своем распоряжении неограниченные ресурсы высококачественной овечьей шерсти, например, асканийской породы. Асканинекой породе принадлежит мировой рекорд по постригу шерсти - 30,6 кг в год. Тем не менее, в данное время фабрики ПОШ находятся в трудном положении. Только за 1999 г. в Украине выпуск шерсти на предприятиях ПОШ сокращенно на три четверти, в сравнении с 1998 г. Материально-техническая база предприятий ПОШ настолько отстает в своем развитии, что доля ручного труда составляет 43 %. Это обусловлено, прежде всего, несовершенством традиционно применяющихся технологий и оборудования, в особенности в области очистки шерсти. От эффективности исполнения именно этой
8 технологической операции в наибольшей мере зависят себестоимость и качество шерстяной продукции.
Традиционные способы очистки шерсти дороги, неэффективны, экологически опасны и значительно ухудшают качество волокна. Очевидна необходимость поиска и разработки методов очистки шерсти, которые не имеют этих недостатков. Одной из таких технологий является очистка с применением ультразвука.
Ультразвуковая очистка - технологический процесс, в основе моющего действия которого лежит явление кавитации, нашел широкое применение в сфере производства. Особое преимущество ультразвуковой очистки состоит в высокой производительности при низких энерго- и трудозатратах, сокращении затрат моющих веществ и количества сточных вод.
Актуальность темы состоит в интенсификации процесса очистки шерстяного волокна ультразвуком, что позволит комплексно решить ряд экономических, технических и технологических проблем производства
Связь работы с научными программами, планами, темами.
Диссертационная работа отвечает направлению "Разработка ресурсосберегающих технологий отделки текстильных материалов" и заданиям, которые изложены в Государственной программе развития лёгкой промышленности Украины на период до 2000 года, утвержденной кабинетом министров Украины (КМУ) от 29.01.1996 г. № 147, а также направлению "Технологическое перевооружение базовых отраслей в направлении снижения уровней ресурсо- и энергозатрат" программы реформирования экономики и социально-экономического развития Херсонской области на период до 2001 года, которая разработана согласно поручению КМУ от 20.06.1998 г., № 10166175 на основании концепции стабилизации и реформирования экономики Херсонской области в соответствия с Программой "Украина 2010" и Государственной программой социально-экономического развития Украинского
Причерноморья, что утверждены решением VIII сессии областного Совета народных депутатов XXIII созыва от 8.04.1999 г., №806.
Личный вклад соискателя заключается в разработке экологически чистой ресурсоэнергосберегающей технологии очистки шерстяного волокна с использованием ультразвука.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлась интенсификация процесса очистки шерсти путём разработки технологии очистки шерстяного волокна с использованием ультразвука (УЗОШ), которая позволяет сохранить качество волокна.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: исследование влияния природы шерстомойных сред на эрозионную активность кавитации; исследование влияния шерстомойных сред на скорость затухания ультразвука в процессе очистки шерсти; установление возможности сокращения времени очистки, расхода воды и моющих веществ в процессе УЗОШ посредством омагничивания воды, предварительного замачивания с последующим отжимом шерсти, использования эффективных моющих композиций; сохранение исходных прочностных свойств шерстяного волокна.
Объект исследования - процесс очистки шерсти.
Предмет исследования - разработка технологии очистки шерсти путём использования ультразвука.
Методы исследования. Задачи, поставленные в роботе, решены с использованием теоретических и экспериментальных методов.
Подготовка текстильного материала, анализ тонины, длины, линейной плотности, влажности, разрывной нагрузки, содержания загрязнений проводились согласно стандартным методикам определения для шерстяного волокна.
Анализ поверхностного натяжения водных растворов ПАВ осуществлялся сталагмометрическим методом, а также методом отрыва кольца.
Анализ водородного показателя, а также моющей способности проводился согласно стандартным методикам определения для шерстяного волокна.
Анализ интенсивности ультразвукового поля в жидкости осуществляли калориметрическим методом.
Анализ эрозионной активности кавитации произведён методом эрозионных тестов.
Результаты экспериментов обработаны в соответствии с методами современного математического анализа.
Научная новизна полученных результатов:
Предложен механизм влияния ультразвука на процесс удаления минеральных и жировых загрязнений шерсти;
Получены уравнения, позволяющие определять качество и себестоимость в зависимости от технологических параметров процесса УЗОШ;
Впервые обоснован критерий, позволяющий определять оптимальные значения эрозионной активности кавитации и скорости затухания ультразвука в шерстомойных средах: отношение массы волокна к мощности ультразвука.
Практическое значение полученных результатов:
Разработана технология УЗОШ, которая позволяет интенсифицировать процесс очистки, а также сохранить качество волокна;
Предложены моющие композиции, позволяющие сократить расход ПАВ на 28,3 %;
Проведены производственные испытания при участии предприятий: ОАТ " Волжская шерстопрядильная фабрика", ТОО ПКК "Инвар" (г. Ярославль), Ярославской региональной общественной организации "Информационно-внедренческий центр", ТОО "Ярославская фабрика валяной обуви", ОАТ "Ярославский завод топливной аппаратуры". Проведённые испытания подтвердили эффективность предложенной технологии УЗОШ. Экономический эффект составляет 151,5 грн на 1т мытой шерсти.
Личный вклад соискателя заключается в постановке и обосновании задачи исследования; в критическом анализе научно-технической, патентной информации и производственного опыта по вопросам первичной обработки шерсти; теоретическом обосновании и подборе компонентов композиций, используемых в процессе очистки шерсти; разработке экологически чистой, конкурентоспособной, ресурсосберегающей технологии очистки шерсти; разработка рекомендаций по целенаправленному подбору моющих веществ и активирующих добавок, а также методов интенсификации процесса ультразвуковой очистки шерсти; выполнении экспериментальных исследований в лаборатории и производственных условиях; научном обосновании полученных результатов и формулировании выводов.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научном семинаре кафедры Химической технологии волокнистых материалов Херсонского государственного технического университета, Херсон, 1997, 1998 гг.; на всеукраинской научно-технической конференции "Проблемы легкой и текстильной промышленности на пороге нового столетия", Херсон, 1999 г.; на межкафедральном научном семинаре Херсонского государственного технического университета, Херсон, 2000 г..
Публикации по теме диссертационной работы включают 7 наименований, в том числе статей в сборниках научных трудов и научных журналах - 6, тезисов докладов на конференциях - 1.
Аналитический обзор современных способов очистки шерсти от загрязнений
ПОШ представляет совокупность производственных процессов, направленных на получение сортированной чистой шерсти. Фабрики первичной обработки шерсти являются связующим звеном между сельским хозяйством, заготовителями и потребителями мытой шерсти.
Производство ПОШ имеет ряд особенностей, обусловленных специфическими свойствами шерстяного волокна. Как известно, по своему химическому составу шерсть относится к разряду белковых или протеиновых веществ. Основным веществом, составляющим шерсть, является кератин - сложное белковое соединение, отличающееся от других белков значительным содержанием серы.
По строению кератин представляет собой сложный комплекс, содержащий пучки высокомолекулярных цепей, взаимодействующих как в продольном, так и в поперечном направлении. Главные полипептидные цепи кератина ориентированы вдоль оси волокна и соединены большим количеством поперечных боковых связей за счёт электровалентных (солевых), ковалентных и водородных связей, а также сил Ван-дер-Ваальса. Кислотные и основные группы кератина шерсти могут ионизироваться как кислоты и основания, приобретая способность связывать основания и кислоты. У кератина шерсти несколько преобладают кислотные свойства. Добавлением кислоты кератин можно привести в изоэлектрическое состояние, отличающееся одинаковой кислотной и щелочной ионизацией. Изоэлектрическая точка, наступающая для кератина при рН=4,0 соответствует минимальному проявлению набухания и растворимости.
Кроме кератина, шерсть содержит в меньшем количестве и другие вещества. Из всех текстильных волокон шерсть имеет наиболее сложную структуру. В состав шерсти входят следующие химические элементы: углерод 50%, водород 6-7%, кислород 21-24%, азот 15-21%, сера 2-5%, оксид калия, натрия, алюминия, железа, кремния и других 1-3%. Шерсть - амфотерный электролит. Анализ показывает, что шерсть является сополимером не менее 17 аминокислот; различное соотношение аминокислот обуславливает различия в химических и технических свойствах различных видов шерсти. Образование солевых связей обусловлено значительным содержанием основных солей (аргинина, гистидина, лизина) и дикарбоновых кислот (аспаргиновой и глютаминовой). Водородные связи образуются между группами пептидных связей (CO-NH) соседних полипептидных цепей, а также вследствие значительного количества гидроксилсодержащих аминокислот (стеариновой, треониновой). Основной ковалентной связью между полипептидными цепочками является цистиновая (дисульфидная) связь, прочно соединяющая полипептидные цепи кератина. Общее расположение макромолекул таково, что в кератине шерсти больше аморфных, чем кристаллических участков. Вместе с тем параллельное расположение многих главных цепей вызывает образование кристаллических участков, обусловливающих в кристаллитах складчатую структуру, удерживаемую между амидными группами в главных цепях [6]. Технологический процесс первичной обработки шерсти состоит из следующих операций: выгрузка поступающей шерсти из вагонов и машин, взвешивание и оприходование шерсти с одновременным отбором шерсти для контрольной классировки и определения выхода мытой шерсти, транспортирование шерсти по местам хранения, на склад немытой шерсти, на контрольную классировку; контрольная классировка; складирование и хранение немытой шерсти; обогрев немытой шерсти в холодное время года; сортировка шерсти; контроль качества сортированной шерсти; хранение немытой сортированной шерсти; трепание немытой шерсти, промывка и контроль качества мытой шерсти; сушка и хранение мытой шерсти; прессование, упаковка шерсти и маркировка кип; складирование кип мытой шерсти; отгрузка мытой шерсти потребителям. Особенностью производства ПОШ являются сезонность поступления немытой шерсти - в сезон весенней (около 75-80 %) и осенней (20-25 %) стрижки овец - и в связи с этим перемещение больших масс шерсти по переходам производства. Специализированная фабрика ПОШ имеет: основное производство, где выполняются сортировка, трепание, мойка, сушка и прессование шерсти; завозно-сыръевой отделы с разгрузочным пакгаузом, цехом контрольной классировки и складами немытой шерсти; вспомогательные отделы и участки, обеспечивающие нормальное протекание технологического процесса (ремонтные мастерские, паросиловое хозяйство, электроцех и др.). На территории фабрики размещены склады немытой и мытой шерсти, склады для хранения химикатов и материалов, склад-изолятор с дезинфекционной камерой для заражённой шерсти, транспортный цех внутрифабричного транспорта, пожарное депо и т.д. Самым важным этапом производства ПОШ является процесс очистки шерсти. От того как и каким способом достигнута очистка шерсти зависит не только себестоимость и качество готовой продукции, но и структура производства ПОШ. Состав и количество загрязнений шерсти влияет не только на режим очистки шерсти, но также на её качество [4,10,13]. По данным отечественных и зарубежных учёных (В.Е.Гусев, Н.В.Рогачёв, В.Клинг) количество загрязнений, содержащихся в немытой шерсти различных видов и состояний, колеблется в очень широких пределах. Состав немытой шерсти следующий (%):
Изучение влияния природы шерстомойных сред на интенсивность распространения ультразвука
Метод непрерывного экстрагирования был впервые применён в Австралии в 1950 г. и получил название австралийского [6].
На сегодняшний день разработаны два способа очистки шерсти методом экстрагирования на установках непрерывного действия: шведский - керосином и австралийский - уайт-спиритом.
Способ очистки шерсти керосином разработан специалистами фирмы «Лаваль». Установка работает следующим образом: шерсть из автопитателя поступает в трепальную машину, затем в смеситель, где замачивается керосином, который подаётся из промывного корыта. Замоченная шерсть поступает на вибрирующую сетку, которая находится в барке и имеет такую форму, что её середина находится в керосине. Жир растворяется в керосине, загрязнения, отделившись от волокна, проваливаются под сетку. Затем сетка с шерстью поднимается выше уровня жидкости в барке и опрыскивается из форсунок керосином. После этого шерсть отжимается валами и поступает в следующую моечную секцию. После промывки в третьей секции шерсть направляется в сушильные машины специальной конструкции, откуда пневматически транспортируется в лабазы.
Австралийский способ очистки шерсти заключается в следующем: немытая шерсть после трепания на обычной трепальной машине подаётся автопитателем в экстракционную камеру с помощью транспортёра. В камере шерсть последовательно проходит несколько ступеней обработки. На первой ступени - при переходе с транспортёра на лоток - шерсть опрыскивается струями растворителя из трубы. Затем шерсть поступает на барабан, где также подвергается воздействию растворителя. Струи растворителя выходят из узких продольных щелей труб, создавая по всей ширине камеры завесу. После обработки растворителем шерсть поступает через поддерживающий валик в отжимные валы. Затем шерсть обрабатывается растворителем и отжимается в отжимных валах ещё в двух ступенях камеры, где с шерсти смывается жир и некоторое количество загрязнений. В последних двух ступенях шерсть подвергается струйной промывке водой, которая удаляет оставшиеся загрязнения и растворитель. Обычно для лучшей промывки шерсти в первой водной ступени добавляют неионогенные моющие вещества. Из последней камеры шерсть транспортёром подаётся в обычную сушильную машину для сушки подогретым воздухом.
Очистка шерсти от загрязнений с использованием гексана и изопропилового спирта без последующей промывки была осуществлена в Бельгии обществом «Совер», откуда произошло название способа 24 соверизация. Процесс соверизации шерсти ведётся в такой последовательности: сортированная шерсть перед поступлением её в экстрактор подаётся из автопитателя в трепальную машину. После трепальной машины шерсть проходит через электромагнитное поле: при обнаружении в шерсти металлического предмета включается исполнительный механизм, закрывающий доступ этой шерсти в экстрактор. После электромагнитного поля шерсть поступает в автопитатель, который тонким слоем настилает её на движущуюся перфорированную ленту. Шерсть сначала смачивается водой, выходящей из трубы небольшими струями. Смачивание необходимо для лучшего прилипания клочков шерсти к ленте и частичного удаления почвенных загрязнений и солей пота. Смоченная водой шерсть отжимается парой обрезиненных валов и входит через шлюзовой затвор в экстрактор закрытого типа.
В спиртовом отсеке экстрактора шерсть повергается пятикратному опрыскиванию смесью изопропилового спирта с водой и пятикратному отжиму валами. Температура смеси поддерживается в пределах 40-45 С. Смесь подаётся по принципу противотока. Шерсть, содержащая на поверхности волокна жир и некоторое количество почвенных загрязнений переходит в последний гексановый отсек экстрактора. Здесь она опрыскивается гексаном при температуре 40-45 С и отжимается обрезиненными отжимными валами. Гексан также подаётся по принципу противотока. Насыщенный жиром гексан (мицелла), а также отработанный водно-спиртовый раствор, содержащий почвенные загрязнения, потовые соли и некоторое количество жира, поступают в смеситель, где тщательно перемешиваются, после чего смесь растворов направляется в отстойник объёмом 100 м3, имеющий перегородки.
Мытая шерсть после отжима последней парой отжимных валов экстрактора, пройдя через шлюзовой затвор, входит в сушильную камеру. Сушка шерсти осуществляется азотом. Шерсть из камеры выходит горячей и несколько пересушенной. Поэтому в камеру подаётся азот свежим и доувлажнённым, что позволяет регулировать влажность шерсти в необходимых пределах. Остаточное содержание спирта в сухой шерсти не превышает 0,9 %.
Таким образом, способ очистки шерсти органическими растворителями позволяет утилизировать шёрстный жир. При использовании этого способа образуется незначительное количество сточных вод, наблюдается малоотходность производства. Однако после обработки шерсти органическими растворителями шерсть становится настолько ломкой, что процесс вторичного трепания запрещён по причине образования в атмосфере цеха шерстяной пыли в количестве, значительно превышающем нормы ПДК.
Кроме того, токсичность и взрывоопасность технологии, дороговизна оборудования, необходимость постоянного присутствия высококвалифицированного персонала, а также невозможность очистки сильнозагрязнённой шерсти привели к тому, что способ широкого распространения не получил [1,10,11].
Изучение влияния технологических параметров на эффективность ультразвуковой очистки шерсти
Известно, что поверхностные плёнки в жидкости под воздействием ультразвука разрушаются вследствие кавитации и акустических течений [28].
Интенсивность кавитации, скорость и характер акустических течений, величина радиационного давления, амплитуды колебаний очищаемого объекта зависят от частоты и интенсивности звукового поля, физических свойств моющей жидкости, величины внешнего статистического давления.
Кавитационные пузырьки, пульсации которых приводят к возникновению ударных волн, производят микроударное разрушение поверхностной плёнки. При захлопывании полости давление парогазовой смеси в ней повышается до десятков тысяч атмосфер, а температура - до нескольких тысяч градусов [24-27]. Вторичное расширение пузырьков происходит вследствие расширения сжатого газа и сопровождается образованием в жидкости ударной волны, радиус действия которой не превышает нескольких микрон.
Количество кавитационных пузырьков в единице объёма жидкости и интенсивность ударных волн, возникающих при захлопывании их, определяют эрозионную активность моющей жидкости. Эрозионная активность кавитации снижается по мере увеличения расстояния от излучающей поверхности. Ультразвуковая очистка проводится, как правило, в химически активных средах.
Немытая шерсть, вследствие различия породы и условий содержания овец имеет неодинаковое количество отдельных загрязнений, очищается посредством различных по концентрации и химическому строению моющих веществ, что влияет на поглощение ультразвуковой энергии. В процессе разработки технологии очистки шерстяного волокна ультразвуком нельзя не учитывать этот факт. В зависимости от количества и состава загрязнений, моющих веществ и шерстяного волокна, изменятся технологические условия ультразвуковой обработки, такие как интенсивность распространения ультразвука, модуль и количество промывных ванн, время очистки. В связи с этим, возникает необходимость изучения влияния природы шерстомойных сред на интенсивность распространения ультразвуковых волн и эрозионную активность кавитации.
Изменение значения поверхностного натяжения мало влияет на эрозионную активность кавитационного пузырька [38-50]. Рост поверхностного натяжения в основном повышает эрозионную активность каждого отдельного пузырька. Однако при снижении поверхностного натяжения уменьшается работа образования кавитационной полости, следствием чего является увеличение количества кавитационных пузырьков в единице объёма жидкости, кроме того, снижение поверхностного натяжения способствует увеличению моющей способности жидкости вследствие лучшего проникновения последней в поры, каналы, щелевые зазоры, что облегчает отрыв загрязнений с поверхности очищаемого материала. Поэтому при УЗО используются жидкости с пониженным значением поверхностного натяжения (25 10" - 40 10 н/м).
Вариация значений плотности жидкости в пределах, характерных для реальных жидкостей, также незначительно влияет на эрозионную активность. Эрозионная активность несколько падает в жидкостях с большой плотностью.
Повышение вязкости жидкости до величины 5 10"2 Нсек/м2 почти не влияет на динамику кавитационной полости и её эрозионную активность. При значении вязкости превышающем 5 10" Нсек/м эрозионная активность пузырька возрастает. Однако с ростом вязкости растут потери звуковой энергии на преодоление сил вязкого трения, а повышение вязкости до 1 Нсек/м2 при Pa = 106 н/м2 приводит к вырождению кавитационного пузырька в пульсирующий, что снижает эрозионную активность жидкости. Эрозионная активность сначала медленно возрастает с увеличением вязкости до 5 1(ГНсек/мГ, а затем растёт более быстро. Степень эрозии вначале повышается резко, а затем медленно.
Теоретические расчёты и экспериментальные исследования позволяют рекомендовать использовать более вязкие жидкости для удаления прочно связанных с очищаемой поверхностью загрязнений, химически не взаимодействующих с моющей жидкостью и имеющих высокую кавитационную стойкость [38].
С ростом значений упругости пара Рп эрозионная активность единичного пузырька быстро падает. Существенное влияние Рп на величину эрозионной активности объясняется тем, что Рп сохраняется постоянным в течение всего периода расширения пузырька, и при R=Rmax величина Рп»Рг; давление насыщенных паров полностью определяет величину сил, противодействующих захлопыванию пузырька. Эрозионная активность пузырька будет тем меньше, чем больше Рп. Условно любые шерстомойные среды можно классифицировать по трём основным составляющим: волокно шерсти в воде, загрязнения шерсти в воде, водные растворы моющих веществ и активирующих добавок. Исследования проводились при интенсивности ультразвукового поля 0,6 Вт/см2 в водном объёме 100 мл. Измерения интенсивности ультразвука в среде проводились в пяти точках на расстоянии от излучателя 0, 10, 20, 30, 40 мм [51-54]. Система «волокно в воде» доминирует в настоящем исследовании, важнейшей технологической характеристикой которой является отношение массы волокна в объёме раствора к мощности ультразвука. В связи с этим масса шерстяного волокна варьировалась от пределов традиционных технологических условий - 0,5 г шерсти на 100 мл воды (М=100) в сторону уменьшения модуля ванны: 0,7; 1,0; 1,5 г волокна, то есть М=75, 50, 30, соответственно. В отношении к мощности ультразвука этот ряд равен 1,5; 3; 4,5; 6; 7,5 кг волокна/кВт-час, соответственно. Система «загрязнения в воде» состоит из двух подсистем: суспензия минеральных загрязнений и эмульсия шёрстного жира. Исследование влияния загрязнений шерсти на интенсивность распространения ультразвуковых волн и эрозионную активность кавитации осуществлялось при концентрациях минеральных загрязнений 50 г/л и шёрстного жира -20 г/л. Дальнейшее повышение концентрации этих веществ приводит к их осаждению. Система «растворы моющих веществ» в настоящем исследовании включает три подсистемы: растворы ПАВ (неонол АФ9-10), раствор морской соли (МРС), щелочной мыльно-содовый раствор. Концентрации этих веществ взяты согласно технологическим условиям: Н-10 - 1 г/л, МРС - 12 г/л, мыло-2 г/л, карбонат натрия - 4 г/л. В описанных средах проводилось изучение интенсивности распространения ультразвука и эрозии кавитации.
Оценка экономической и экологической эффективности применения технологии очистки шерстяного волокна ультразвуком
Важнейшим этапом настоящего исследования является изучение влияния технологических параметров на степень очистки шерстяного волокна ультразвуком. Как показали проведённые теоретические и экспериментальные исследования, важнейшими факторами процесса УЗОШ являются: частота и интенсивность ультразвука, статическое давление, температура моющего раствора, время очистки, модуль ванны, концентрация моющих веществ, отношение массы волокна к мощности ультразвука.
С ростом частоты эрозионная активность пузырька уменьшается линейно. Снижение эрозионной активности с ростом частоты колебаний происходит вследствие уменьшения максимального радиуса пузырька (Rmax), благодаря чему повышается давление газа в кавитационной полости при R=Rmax [7, 27, 38].
Изменение частоты колебаний влияет на динамику кавитационной полости, распределение областей кавитации в объёме жидкости и на порог кавитации. С ростом частоты растёт порог кавитации [27] и увеличиваются потери в преобразователях, увеличивается коэффициент поглощения ультразвуковой энергии в жидкости, что снижает эффективность очистки.
Чрезмерно понижать частоту нежелательно, так как при этом резко возрастает шум и усложняется звукоизоляция, увеличивается вес преобразователя за счёт его активного звена. Большинство промышленных установок для очистки работает в диапозоне частот от 18 до 44 кГц. Это оптимальный диапозон в смысле технологического эффекта, экономичности процесса и техники безопасности [27].
Нижний диапозон частот (18-22 кГц) используется для удаления загрязнений с высокой адгезией к поверхности, верхний диапозон (40-44 кГц) - для очистки от загрязнений, слабо связанных с очищаемой поверхностью. Таким образом, с ростом частоты ультразвука почти линейно снижается интенсивность эрозии, следовательно, эффективный диапозон частот при ультразвуковой очистке, должен находится в пределах 18-22 кГц. Влияние звукового давления Ра на пульсации кавитационных пузырьков исследовалось в работе [27]. Повышение звукового давления двояко влияет на динамику кавитационной полости - с одной стороны, затягивается фаза расширения пузырька и увеличиваются значения Rmax, tmax, t; с другой стороны, повышение звукового давления до значений выше пороговых необходимо для возникновения кавитации. Кроме того, с ростом Ра увеличивается время, в течение которого силы, удерживающие пузырёк в равновесном состоянии, уравновешиваются звуковым давлением, и пузырёк может неограниченно расширяться. Следовательно, увеличение Ра оказывает на динамику полости воздействие, аналогичное снижению частоты. Область кавитации преобразователей с плоским излучателем с ростом Ра локализуется в небольшом объёме на границе излучатель-жидкость. Чем больше кавитационных пузырьков в единице объёма жидкости и чем больше их максимальные размеры, тем сильнее проявляется эффект экранировки и уменьшается объём кавитационной области. Одновременно с уменьшением объёма кавитационной области, растёт её эрозионная активность. Чем больше Ра, тем эффективнее удаляются плёнки высокой кавитационной стойкости, прочно связанные с очищающей поверхностью, но при этом необходимо, чтобы очищаемый предмет был как можно ближе расположен к излучателю. Верхний предел по Ра, выше которого эрозионная активность падает, зависит также от физических свойств жидкости и будет тем ниже, чем меньше кавитационная прочность жидкости. Исследования показали [27], что интенсивность ультразвука не должна превышать 2,5 Вт/см , так как в противном случае возникнет перерасход акустической энергии вследствие экранирования кавитационным облаком зоны излучателя. Экспериментальные исследования влияния интенсивности ультразвука на степень очистки шерстяного волокна, проведённые на ультразвуковых установках различной мощности показали, что увеличение интенсивности излучения до 2 Вт/см не влияет на эффективность очистки, тогда как повышение интенсивности ультразвука до 4 Вт/см обуславливает снижение качества очистки (рис.3.17) 1 Увеличение величины статического давления Ро приводит к снижению Rmax кавитационной полости. При захлопывании полости, сила, действующая на стенку пузырька, уменьшается пропорционально R, а присоединённая масса жидкости - пропорционально R3. Следовательно, снижение Rmax до определённых пределов при условии, что Рпг сохраняется примерно постоянным и равным давлению насыщенного пара, способствует увеличению ускорения и скорости движения стенки пузырька за счёт уменьшения присоединённой массы жидкости в начальной стадии захлопывания. Важно отметить, что при одновременном повышении Ро и Ра и сохранении соотношения между ними постоянным, величина Рэфф возрастает пропорционально Ра.
С ростом Ро от 10 до 5 10 н/м максимальное значение критерия эрозионной активности пузырька увеличивается в 100 раз. Значения эрозионной активности при оптимальных значениях Ро/Ра намного превосходят максимальные значения критерия, получаемые при изменении в любых пределах всех постоянных параметров, входящих в уравнение движения. Значительное повышение уровня кавитационного разрушения с ростом Ро происходит в любых жидкостях, независимо от их физических свойств, газонасыщенности и температуры.
Повышение статического давления до определённых пределов не только усиливает процесс кавитационного разрушения твёрдых тел в звуковом поле, но и увеличивает скорость акустических течений, а также позволяет создать оптимальные условия для удаления загрязнений за счёт сочетания максимальной кавитационной и химической активности жидкости [27].
