Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования 17
1.1. Существующие способы окорки лесоматериалов 17
1.1.1. Фрикционный способ окорки 18
1.1.2. Режущий способ окорки 22
1.1.3. Гидравлическая окорка 23
1.1.4. Пневматическая окорка 24
1.1.5. Термокомпрессионный способ окорки 24
1.1.6. Электрогидравлический способ окорки 24
1.1.7. Сверхвысокочастотный способ окорки 25
1.1.8. Электрический способ окорки 26
1.1.9. Окорка обжимом 26
1.1.10. Химический способ окорки деревьев на корню 26
1.2. Современные методы использования ультразвука в
технологических процессах 28
1.2.1. Основные параметры ультразвукового излучения 30
1.2.1.1. Физические параметры ультразвука 31
1.2.1.2. Энергетические параметры ультразвука 34
1.2.1.3. Распространение ультразвука 35
1.2.2. Применение ультразвука 36
1.2.2.1. Получение информации с помощью ультразвука 37
1.2.2.2. Воздействие ультразвука на вещество 43
1.2.2.3. Обработка и передача сигналов 51
1.2.3. Ультразвуковые технологии в лесной промышленности 54
1.2.3.1. Технология сушки древесины 60
1.2.3.2. Технология уплотнения древесины 62
1.3. Выводы и основные задачи исследований
Глава 2. Комплексные теоретические исследования технических систем и технологии окорки лесоматериалов ультразвуком 68
2.1. Математическое моделирование технических средств для окорки лесоматериалов ультразвуком 69
2.1.1. Математическое моделирование окаривающей колебательной системы 70
2.1.2. Математическое моделирование генератора для ультразвуковой окорки лесоматериалов 71
2 Математическое моделирование процесса окорки лесоматериалов ультразвуком 85
2.2.1. Математическое моделирование возникновения кавитационного эффекта при ультразвуковой окорке лесоматериалов 86
2.2.1.1. Возникновение и динамика кавитационного пузырька 87
2.2.1.2. Рост и схлопывание кавитационного пузырька при разрушении слоев коры 105
2.2.1.3. Энергия, возникающая при схлопывании кавитационного пузырька для разрушения связи между корой и древесиной... 108
2.2.1.4. Излучение звука кавитационным пузырьком, инициированным ультразвуковым полем в жидкости 111
2.2.2. Математическое моделирование гидродинамических потоков рабочей среды, инициированных ультразвуковыми осцилляторами 113
2.3. Концептуальное моделирование технолого-экологических аспектов окорки лесоматериалов ультразвуком 132
2.4. Физико-механические и химические свойства коры различных древесных пород 159
2.4.1. Физико-механические свойства коры 165
4
2.4.2. Химические свойства коры 170
2.5. Выводы по главе 174
Глава 3. Методика и результаты экспериментальных исследований окорки лесоматериаловультразвуком 176
3.1. Методика постановки экспериментальных исследований характеристик технических систем и оборудования 176
3.2. Методика постановки экспериментальных исследований процесса окорки лесоматериалов ультразвуком 181
3.3. Экспериментальная установка для исследования параметров технических систем и технологии окорки лесоматериалов ультразвуком 181
3.4. Экспериментальные исследования характеристик технических систем и оборудования 1 3.4.1. Результаты экспериментальных исследований характеристик ультразвукового концентратора 183
3.4.2. Результаты экспериментальных исследований характеристик ультразвукового излучателя 189
3.5. Результаты экспериментальных исследований качественных и эксплуатационных характеристик окаривающих ультразвуковых инструментов 192
3.5.1. Статические измерения качественных и эксплуатационных характеристик 193
3.5.2. Динамические измерения качественных и эксплуатационных характеристик 2 3.6. Результаты экспериментальных исследований процесса окорки лесоматериалов ультразвуком 209
3.7. Выводы по главе 214
5
Глава 4. Методы и технические средства разработки технологии окорки лесоматериалов ультразвуком 216
4.1. Общие требования, предъявляемые к ультразвуковым технологическим установкам 216
4.2. Обоснование системы параметров ультразвуковых генераторов
4.2.1. Генераторы, применяемые в ультразвуковых технологиях 230
4.2.2. Обоснование параметров генератора для окорки лесоматериалов ультразвуком 233
4.3. Обоснование комплекса показателей ультразвуковой колебательной системы 235
4.3.1. Обоснование параметров ультразвукового преобразователя...240
4.3.2. Согласование параметров преобразователей со средой 244
4.3.3. Обоснование параметров ультразвукового концентратора 248
4.3.4. Обоснование параметров излучателей и его элементов 253
4.3.5. Свойства материалов резонансных элементов ультразвуковых инструментов 2 4.4. Технологическая установка для исследования ультразвуковой окорки лесоматериалов 263
4.5. Обоснование технологичности технических систем окорки лесоматериалов ультразвуком 2 4.5.1. Общая методика расчёта комплексного показателя (коэффициента) технологичности изделия 266
4.5.2. Определение комплексного показателя технологичности ультразвуковой колебательной системы для окорки лесоматериалов 269
4.6. Разработка комплексных методов по устранению допустимых вредных воздействий при реализации 6
технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком 282
4.7. Выводы по главе 287
Глава 5. Комплексное использование и переработка отходной коры, полученной при ультразвуковой окорке лесоматериалов 289
5.1. Пути утилизации коры 289
5.2. Использование коры в качестве топлива 291
5.3. Использование коры в сельском хозяйстве 291
5.4. Использование коры для получения дубильных экстрактов.. 294
5.5. Использование коры в ландшафтном дизайне и лесопитомническом хозяйстве 295
5.6. Использование коры в производстве строительных материалов 300
5.7. Выводы по главе 305
Глава 6. Реализация результатов исследований и комплексная оценка экономической эффективности 306
6.1. Реализация результатов исследований 306
6.1.1. Характеристика опасных и вредных факторов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации 306
6.1.2. Технические требования и рекомендации на разработку и внедрение в производство ультразвукового технологического комплекса 310
6.2. Комплексная оценка экономической эффективности 314
6.2.1. Оценка производительности технологического комплекса для окорки лесоматериалов ультразвуком 314
6.2.2. Оценка экономической эффективности технологии ультразвуковой окорки лесоматериалов 315
6.3. Выводы по главе 318
Общие выводы и рекомендации 319
Список использованных источников 321
Приложения
- Пневматическая окорка
- Математическое моделирование генератора для ультразвуковой окорки лесоматериалов
- Результаты экспериментальных исследований характеристик ультразвукового концентратора
- Обоснование комплекса показателей ультразвуковой колебательной системы
Введение к работе
Актуальность темы. При комплексном и экономически выгодном использовании древесного сырья возникает требование обязательной его окорки, которую выполняют на предприятиях лесной промышленности или непосредственно у потребителей древесного сырья.
Существующее технологическое оборудование для окорки лесоматериалов является металлоёмким и энергоёмким, что приводит к повышению себестоимости конечного продукта и высокую степень зависимости от рынка энергообеспечения.
Также при окорке лесоматериалов существующим оборудованием происходит потеря древесины (в барабанах до 1,5...8 %, в роторных станках до 0,5...7 %). На потери древесины также влияет требуемая степень удаления коры. Полное удаление коры приводит к значительным экономически неоправданным потерям древесины, поэтому в древесине, идущей на химическую переработку допускается наличие некоторого количества коры, содержание которой регламентируется в зависимости от конечного продукта.
Многие научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации проводят исследования и изыскания в области совершенствования технического вооружения, технологических процессов при обработке древесного сырья и разработки комплексного его использования.
Совершенствование процесса окорки лесоматериалов является вопросом актуальным и требует развития и оптимизации посредством повышения уровня техники и технологии с применением новых принципов эксплуатации существующего оборудования с рационализацией их конструкций или интродукции новых методов окорки.
Учитывая многолетние исследования в области применения ультразвукового излучения, а также изучение физических и акустических свойств в работе предлагается новое технологическое решение – использование ультразвукового излучения (УЗИ) в технологическом процессе окорки древесины.
Одним из перспективных методов воздействия на лесоматериал с целью его окорки является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона в водной среде. Формирование научно-методологических принципов использования ультразвука в процессе окорки круглых лесоматериалов и составляет главное содержание диссертационного исследования.
Работа выполнялась в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утверждённым Указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011г. и соответствует двум направлениям: рациональное природопользование; энергоэффективность, энергосбережение.
Степень разработанности проблемы. Важной проблеме окорки лесоматериалов посвящен целый спектр работ, направленных на исследование различных принципов и способов с различными технологическими и техническими решениями. Однако вопросы оптимизации параметров технологического процесса окорки лесоматериалов, с точки зрения энергоэффективности, качества окорки, безопасности и многих других качественных показателей является до сих пор не решёнными в полной мере.
Большой вклад в развитие техники и технологии окорки лесоматериалов внесли такие отечественные и зарубежные учёные как: Бойков С.П., Пигильдн Н.Ф., Залегаллер Б.Г., Пижурин А.А., Редькин А.К., Уголев Б.Н, Полозов М.И., Пыстин А.И., Зыков Ф.И., Никифоров В.М., Силаев В.И., Торговников Г.И., Симонов М.Н., Мехренцев А.В., Юн Е.В., Григорьев И.В., Воробьёв И.В., Крисько А.С., Газизов А.М., Гумерова О.М., Югов В.Г., Цывин М.М., Rosko P., Butora A., Calver W.W., Carlicki A.M. и многие другие.
Большинство работ Бойкова С.П., Пигильдина Н.Ф., Редькина А.К. и др. посвящены механической окорке лесоматериалов различными способами. Во многих обзорных работах Львовского Л.В., Орлова А.Т., Мальцева Н.Ф. и др. принципы и способы окорки лесоматериалов условно разделяли по различным признакам: контактные и бесконтактные; механические и немеханические; традиционные и нетрадиционные. Львовский Л.В. и Орлов А.Т. к традиционным способам окорки относят такие, как окорку роторными окорочными станками или цепными, а к нетрадиционным – СВЧ, гидравлический, химический.
Имеются многочисленные исследования в области окорки лесоматериалов бесконтактным способом: Мирецкий В.О. исследовал вопросы окорки древесины электрическими разрядами в жидкости; Гулисашвили Б.Г. проводил комплексные исследования по химической окорки лесоматериалов на корню; Дмитриев Ю.Я., Кислицына Г.Ф. и др. занимались гидравлической окоркой; воздействием СВЧ на лесоматериал с целью окорки занимались учёные Торговников Г.И. и Мануйлов Н.А.
Главным образом исследования указанных ученых направлены на повышение эффективности процесса окорки лесоматериалов: снижение энергоёмкости оборудования; повышения качества и чистоты снятия коры; снижение механических повреждений древесины, что приводит к потере биомассы, и другим показателям. Однако современные требования к качеству конечной продукции и повышению энергоэффективности позволяют использовать и развивать более технологичные направления окорки лесоматериалов.
Применение различных способов воздействия на лесоматериал с целью его окорки позволяет оценить физические свойства и структуру коры и определить иные принципы влияния на её элементы для послойного разрушения, основанные на различных физических явлениях, происходящих в водной среде под действием ультразвука.
Большой вклад в области изучения технологии ультразвука внесли многие отечественные и зарубежные учёные такие как: Л.Г. Бергман, В.А. Красильников, И.Г. Михайлов, В.А. Соловьёв, Ю. П. Сырников, И.А. Викторов, Ю.В. Холопов, В.Н. Хмелёв, В.Т. Фаерман, С.С. Уразовский, И.Г. Полоцкий, Б.А. Аграната, И.П. Галямина и многие другие.
Учёные Абрамов О.В., Абрамов В.О., Градов О.М., Смирнов О.М., Зоммер Ф. в своих работах приводят исследования процессов ультразвукового ударного упрочнения различных материалов, но при этом нет описания воздействия на лесоматериалы. Большой вклад в развитие ультразвуковых технологий внёс учёный В.Н. Хмелёв, применяя физические явления под действием ультразвука в различных биологических веществах в сельском хозяйстве.
Вопросам воздействия ультразвука на различные материалы посветили многие учёные И.А. Викторов, Ю.В. Холопов, В.Н. Хмелёв, В.Т. Фаерман, С.С. Уразовский и др.
Однако ультразвуковая технология в лесной промышленности, а в частности в процессе окорки, не использовалась. Поиск новых, эффективных технологических решений требует продолжения и существенного развития научных исследований по данной проблеме.
Цель работы. Повышение эффективности процесса окорки лесоматериалов путём внедрения нового технологического решения с применением ультразвука.
Задачи исследований:
-
Разработать комплекс теоретических основ формирования технических систем и технологических комплексов окорки лесоматериалов ультразвуком;
-
Разработать теоретические основы процесса воздействия ультразвука на элементы коры и определить протекающие при этом физические процессы;
-
Построить математическую модель технических систем ультразвуковой окорки лесоматериалов;
-
Построить комплексную математическую модель процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов с описанием протекающих при этом физических процессов;
-
Разработать концептуальную технолого-экологическую модель процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;
-
Провести на основе системного анализа многофакторные исследования параметров технических систем, технологических комплексов и процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов;
-
Разработать комплексную методику и дать рекомендации для формирования и реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;
-
Определить наиболее рациональную технологию использования отходной коры, полученной при ультразвуковой окорке лесоматериалов;
-
Провести комплексную оценку экономической эффективности, полученной при реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком.
Объект исследований. Технологический процесс окорки круглых лесоматериалов.
Предмет исследований. Технологии, процессы, технологические комплексы и технические системы окорки лесоматериалов ультразвуком.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований.
В работе применены методы исследования, включающие: анализ литературных источников, посвященных вопросам совершенствования технологического процесса окорки лесоматериалов, основных энергетических и физических параметров ультразвука и его применения в различных сферах деятельности человека; анализ и систематизация существующих и перспективных технологических процессов с применением ультразвука.
Использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, теории вероятностей, имитационного и математического моделирования, математической статистики, экономического анализа, натурные наблюдения и эксперименты. Обработка результатов производилась методами математической статистики с применением современных компьютерных программно-модульных комплексов обработки информации.
Для проведения комплексных экспериментальных и теоретических исследований ультразвуковой окорки были использованы образцы лесоматериалов наиболее распространённой в Восточной Сибири породы сосны.
Научная новизна. В работе приведены следующие положения, обладающие научной новизной:
математические модели технических систем и технологических комплексов ультразвуковой окорки лесоматериалов;
комплексные математические модели процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов с описанием происходящих физических процессов;
комплекс показателей технических систем, влияющих на эффективность окорки лесоматериалов ультразвуком;
концептуальная технолого-экологической модель ультразвуковой окорки лесоматериалов;
комплексная методика формирования и реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют:
решать задачи проектирования процесса окорки лесоматериалов ультразвуком как единую технологическую цепочку эффективной переработки лесных ресурсов;
формировать технологические комплексы ультразвуковой окорки лесоматериалов;
формировать и реализовать технологический процесс окорки лесоматериалов ультразвуком;
определять наиболее рациональные технологические параметры процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;
разработать рекомендации по реализации технологического процесса окорки лесоматериалов ультразвуком;
определять степень технологичности элементов технических систем ультразвуковой окорки лесоматериалов.
Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
-
Общая теория воздействия ультразвука на лесоматериал с целью его окорки.
-
Математическая модель технических систем, применяемых при реализации процесса ультразвуковой окорки лесоматериалов, позволяющая оценить наиболее рациональные показатели технологического комплекса.
-
Математические модели физических явлений, влияющих на процесс и качественные показатели окорки лесоматериалов ультразвуком.
-
Результаты оценки качественных и эксплуатационных характеристик элементов технических систем технологии ультразвуковой окорки лесоматериалов.
-
Концептуальная модель технолого-экологических аспектов окорки лесоматериалов ультразвуком.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Наиболее существенные результаты, выносимые на защиту, относятся к пунктам 3 – Разработка операционных технологий и процессов в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах: заготовительном, транспортном, складском, обрабатывающем, лесовосстановительном и др., 7 – Разработка технологий и систем машин, обеспечивающих комплексное использование древесного сырья и отходов в технологических и энергетических целях, 8 – Обоснование технологий и оборудования лесообрабатывающих производств на лесопромышленных и лесохозяйственных предприятиях паспорта научной специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Достоверность получаемых результатов подтверждается методологической базой исследований, обеспечена проведением системного анализа проблемы и применением аналитических, теоретических и экспериментальных исследований, а также методов математической статистики при планировании экспериментов и обработке их материалов.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертации использованы в практике работы ООО «ЛП «Ангара», ООО «Лесторг», ООО «Лесные инновации».
Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Братском государственном университете, где полученные результаты используются при чтении лекций, в том числе на факультете повышения квалификации работников отрасли, подготовке аспирантов, путем использования монографии «Энергосберегающие технологии окорки круглых лесоматериалов».
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях в Сибирском государственном технологическом университете, г. Красноярск, 2004г.; межрегиональных научно-технических конференциях Братского государственного университета, г. Братск, 2002-2012 г.; международной научно-технической конференции в Уральском государственном лесотехническом университете, г. Екатеринбург, 2003 г.; Международной выставке-ярмарке «Экспо-Сибирь», г. Кемерово, 2005 г., где был получен диплом второй степени за лучший экспонат; научно-практической конференции в Иркутском государственном техническом университете, 2005 г.; международной выставке-ярмарке «Сиблесопользование. Деревообработка», г.Иркутск, 2006 – 2012 г.; на заседания Союза лесопромышленников и лесоэкспортеров Иркутской области, г.Иркутск; на заседаниях рабочей группы по реализации партийной проекта «Российский лес»; на расширенных заседаниях кафедр профильных вузов в г. Вологда (ВГТУ), г. Санкт-Петербург (ЛТУ им. С.М. Кирова), г. Воронеж (ВГЛТА).
Публикации. Результаты исследований отражены в 38 научных работах, в том числе 13 статей в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 2 патентах на изобретение, 1 монографии. В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 270 наименований и 18 приложений. Содержание работы изложено на 388 страницах машинописного текста, иллюстрировано 67 рисунками и 36 таблицами.
Пневматическая окорка
Фрикционный способ окорки основан на различии механической прочности коры и древесины. Удаление коры происходит по наиболее слабой связи - камбиальному слою или по слою луба за счет сил трения сырья друг о друга и об элементы барабана. Эти силы возникают при движении беспорядочно или параллельно уложенной массы сырья (групповая окорка). Поэтому на качество и производительность окорки большое влияние оказывает состояние наружной поверхности коры, ее механическая прочность и силы сцепления ее с древесиной. Наиболее успешно поддаются окорке древесина, имеющая шероховатую, с большим количеством трещин кору. Древесину с гладкой и прочной подсохшей корой окаривать гораздо хуже [20, 82, 136].
Для окорки фрикционным способом необходимо сырье с влажностью коры не менее 43 %. Наилучшее окаривание обеспечивается при влажности 50 % и выше. В зависимости от вида и породы сырья и требований, предъявляемых к чистоте окорки, используют сухую (без применения воды) и мокрую окорку с расходом воды более 0,03 м /с. Чураки различных диаметров и формы обрабатывают паром при температуре 90-95С и теплой водой при температуре 60-70С, что значительно облегчает окорку. При обработке паром исходная белизна древесины уменьшается на 6-7 %, а при обработке теплой водой она сохраняется.
При окорке происходит потеря древесины (в барабанах до 1,5...8 %, в роторных станках до 0,5...7 %). Потери древесины, в первую очередь, зависят от породы и качества балансов и способа окорки. Так, например, окорочные барабаны могут быть для мокрой, полусухой и сухой окорки. При мокрой окорке потери древесины, обычно, не превышают 1,5 %, тогда как при сухой окорке эти потери увеличиваются в 2 раза и более. Однако, при мокрой окорке потребление воды, а, соответственно, и объем стоков, порядка 10 м3 на кубометр древесины. Жидкие отходы окорки будут загрязнены мелкими твердыми частицами и растворенными веществами, главным образом, фенольной природы, что потребует организации их очистки. При полусухой окорке удельный расход воды можно сократить до 2...3 м и менее. Сухая окорка не дает мокрых отходов. Используемое при этом небольшое количество воды в виде пара (0,025...0,055 м3/м3 древесины) лишь на 1,0... 1,5 % повышает влажность коры, что не затрудняет последующую утилизацию отходов окорки. В результате, в настоящее время наибольшее распространение получила сухая окорка.
На потери древесины также влияет требуемая степень удаления коры. Полное удаление коры приводит к значительным экономически неоправданным потерям древесины, поэтому в древесине, идущей на химическую переработку допускается наличие некоторого количества коры, содержание которой регламентируется в зависимости от конечного продукта.
В целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) используют барабаны большого диаметра, надежные в работе и простые в управлении. Они состоят из нескольких последовательно смонтированных барабанных секций. При окорке мокрым способом в отличие от сухого уменьшаются потери древесины (0,5-2%), так как чураки подвергаются менее интенсивному ударно-истирающему воздействию. Качество окорки в барабане регулируют с помощью выпускных заслонок, а производительность - частотой его вращения. При некачественной окорке сырье повторно возвращают в барабан для доокорки.
В отечественной и зарубежной практике в последнее время используют смешанный способ окорки - мокро-сухой, для чего применяют двухсекционный барабан. В первой секции окаривают сухим способом, а во второй - мокрым. Производительность крупногабаритных барабанов непрерывного действия составляет более 200 м3/ч, а малогабаритных периодического действия - более 20 м3/ч. При сухом способе окорки подсушенное сырье теряет товарный вид, торцы чураков размочаливаются. Потери древесины в линиях УПЩ достигают 25 %. При обработке колотого сырья одновременно с корой частично удаляется внутренняя гниль. Сухой способ окорки в отличие от мокрого не требует использования сложной системы очистки корусодержащей воды и обезвоживания коры перед ее сжиганием. На некоторых линиях УПЩ-6 и УПЩ-12 окорка сырья производится с использованием пара. Конструкция, эксплуатация и интенсификация работы барабанов в леспромхозах и ЦБП изложены во многих источниках.
В ЦБП применяют также окорочные бункерные установки непрерывного и периодического действия. Бункерная установка представляет собой в поперечном сечении треугольник, ёмкость её составляет 30 м и принцип работы аналогичен работе сучкорезной установки МСГ-2. Наиболее интенсивное перемещение бревен происходит в нижней части бункера, и эффективность отделения коры определяется общей массой загруженного в бункер сырья. В бункера лесоматериалы укладывают параллельно. Сырье подвергают предварительной подготовке, состоящей из размораживания или увлажнения коры горячей или холодной водой или паром, которые подаются в бункер. Потери древесины равны 0,5 %; расход воды на окорку 1 м3 - 8-10 м3 при давлении 0,3-0,5 МПа. Применяют также бункерные установки с объемом бункера 20 м3. Установленная мощность приводов отечественных и зарубежных бункерных установок зависит от размера бункера и достигает 140-150 кВт. Производительность установки пропорциональна квадрату давления на окариваемые лесоматериалы и равна 40-60 м3/ч. В условиях лесопромышленных предприятий используют бункерные установки ЦЛС-112 для окорки сплавного сырья.
Математическое моделирование генератора для ультразвуковой окорки лесоматериалов
Активное воздействие УЗ на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие УЗ на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
В газах основным действующим фактором являются акустические течения, вызывающие интенсивное перемешивание среды и ускоряющие процессы тепломассообмена в ультразвуковом поле в несколько раз. При этом действие акустических потоков оказывается значительно более эффективным, чем действие обычных, гидродинамических, поскольку пограничный слой их имеет меньшую толщину. Ускорение тепломассообмена под действием УЗ используется в процессе ультразвуковой сушки, в ряде химико-технологических процессов, протекающих в газовой среде. Оно играет существенную роль при горении в ультразвуковом поле. Ультразвуковая сушка, помимо ускорения процесса, позволяет обойтись без существенного повышения температуры; по этой причине она применяется для обработки мелкодисперсных термочувствительных веществ, направленных в фармакологии. Горение в ультразвуковом поле позволяет при определённых условиях увеличить теплоотдачу факела, ускорить процесс горения и стабилизировать его. При акустической коагуляции аэрозолей, помимо акустических течений, существенную роль играют пондеромоторные силы в акустическом поле и радиационное давление. Она применяется на практике для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов. При воздействии на процессы в газовой среде применяются самые низкие ультразвуковое частоты и частоты звукового диапазона вплоть до 8-10 кГц, что вызвано сильным поглощением звука в газах. Интенсивности звука при этом относительно велики: пороговые интенсивности для большинства процессов составляют 0,01-0,1 Вт/см2, что соответствует уровню звукового давления 130-150 дБ [26, 88].
В жидкостях основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распространение ультразвуковой технологический процесс -очистка поверхностей твёрдых тел. В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь различные проявления кавитации - микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, её газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разновидностью очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов. Ультразвуковая металлизация и пайка основывается фактически на ультразвуковой очистке (в т. ч. и от окисной плёнки) соединяемых или металлизируемых поверхностей; очистка обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами. В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры и сам обусловленный кавитацией. Этот эффект применяется для пропитки пористых материалов, он оказывает влияние на все процессы ультразвуковой обработки твёрдых тел в жидкостях. Ультразвуковое диспергирование твёрдых тел происходит под действием микроударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков, и заметно интенсифицируется при наличии статического давления. Этим способом можно получать мелкодисперсные материалы, необходимые для лабораторных анализов минералов и применяемые в фармацевтической, химической, лакокрасочной и др. отраслях промышленности, а также играющие большую роль в порошковой металлургии. Размер получаемых при ультразвуковом диспергировании частиц может составлять доли мкм. Аналогичным процессом для жидкости является процесс эмульгирования, также обусловленный кавитацией и обеспечивающий получение стойких однородных мелкодисперсных эмульсий (минимальный размер капель достигает 0,1 мкм) [26, 88].
Дегазация жидкости, протекающая в ультразвуковом поле и при малых интенсивностях звука, существенно усиливается с появлением кавитации: под влиянием направленной диффузии начинается интенсивный рост пузырьков и вынесение их акустическими течениями. При дегазации существенную роль играют и пондеромоторные силы ультразвукового поля, вызывающие укрупнение пузырей за счёт их слияния и подталкивающие их при движении. Особую роль играет ультразвуковая дегазация расплавов металлов: она способствует их рафинированию и получению бездефектных отливок.
Одним из ультразвуковых методов, используемых в металлургии, является кристаллизация под действием УЗ. При наличии кавитации изменяются условия зарождения и роста кристаллов; существенную роль в этом случае играют кавитационные микропотоки и акустического течения, дегазация расплава, улучшенное смачивание твёрдых примесей, наконец, дополнительное нагревание из-за поглощения звуковой энергии. В таких условиях получаются металлические отливки с измельченной структурой, повышенной плотностью и чистотой.
Для интенсификации некоторых технологических процессов, осуществляемых В жидкости, используются воздействие ультразвука на электрохимические процессы и химическое действие ультразвука. Интенсификация электрохимических процессов в ультразвуковом поле обусловлена связанными с кавитацией явлениями: перемешиванием электролита с выравниванием концентрации ионов, дегазацией электролита, увеличением активной поверхности катода благодаря очистке; одновременно имеют место улучшение качества покрытия (мелкозернистость), а в ряде случаев возможно электроосаждение металлов, неосуществляемое в отсутствии УЗ. Инициирование химических реакций в жидкостях в подавляющем большинстве случаев также связано с кавитацией, под воздействием которой происходит расщепление молекул (в основном воды) на радикалы, ионизация и т. п. Существенным оказывается и воздействие УЗ на макромолекулы, приводящее к деструкции молекул полимеров. Ряд химических технологических процессов интенсифицируется под действием различных ультразвуковых эффектов в жидкостях: эмульгирования, диспергирования, дегазации, локального нагревания. Такая связь различных проявлений воздействия УЗ характерна для большинства ультразвуковых технологических процессов.
Несколько особняком стоит процесс ультразвукового распыления жидкостей. Механизм получения аэрозолей связан с образованием капиллярных волн в колеблющемся с ультразвуковой частотой слое жидкости или в ультразвуковом фонтане, возникающем при попадании на поверхность жидкости мощного ультразвукового излучения из глубины. Таким способом получаются стойкие мелкодисперсные аэрозоли с размером капель в несколько мкм.
Результаты экспериментальных исследований характеристик ультразвукового концентратора
Варьированием Ультразвуковой узел состоит из участков, в пределах каждого из которых закон изменения площади поперечного сечения таков, что может быть аппроксимирован из перечисленных выше функций. Если концентратор состоит из п участков, то количество произвольных постоянных в решениях =2п. Указанные постоянные определяются из граничных условий для конкретного концентратора, обычно это условие вида Ng(z)\z=i = 0 и NQ(Z)\Z=Q=0 (свободные края концентратора), а также из так называемых условий стыковки участков, в соответствии с которыми, в силу гипотезы СПЛОШНОСТИ UQ (ZQ ) = Ut (ZQ ), т.е. продольное смещение слева от плоскости стыковки участков равно смещению справа от указанной плоскости [91]. Аналогично, в силу справедливости принципа Даламбера, при отсутствии сосредоточенных сил имеем NQ(ZQ) = NQ(ZQ). Для концентратора из п участков имеем 2(п-1) условий стыковки, и 2 граничных условия, т.е. 2п условий, которые можно представить в виде однородной системы из 2п алгебраических уравнений вида [91], А(а-1к)С=0 (2.13) где Afa-lfc) — матрица коэффициентов размером 2п 2п; а- волновое число (а = к); С =(С],С2,---Сп) - вектор-столбец неизвестных коэффициентов; Су = А, С2 =5 (из уравнения 2.10) Нетривиальное решение системы (2.13) находится из следующего условия: detA(a-lk) = 0 (2.13а)безразмерного параметра а/д. добиваются выполнения условия (2.13а), резонансная частота системы задана, значит, задано и волновое число а, а варьируется длина к-го участка 4 (к п) элемента, и тем самым определяется резонансная длина 1к к-го участка.
Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. Среди различных причин затухания колебаний механических систем одной из важнейших является рассеяние энергии внутри самой колебательной системы (внутреннее трение в материале и в сочленения). Достоверные оценки влияния внутреннего трения важны при решении множества разнообразных задач, особенно для систем, при эксплуатации которых возможны резонансные режимы.
При постановке задач механики деформируемых тел зачастую допустима замена последних идеально упругими моделями. Таковы, например, статические задачи о нагружении тел при столь малых напряжениях и температурах, когда пластические и вязкие эффекты пренебрежимо малы. В этих случаях характеристика поведения материала принимается в виде закона Гука, а при больших деформациях принимаются нелинейные зависимости, устанавливающие, однако, взаимно однозначное соответствие между деформациями и напряжениями. Соответственно и механическая система в целом практикуется как вполне упругая.
Однако такая «чисто упругая» постановка задачи далеко не универсальна. Существует большое число динамических задач, при которых нельзя игнорировать различные сопротивления неупругого характера. Последние можно разделить на две группы: 1. внешние сопротивления: трение в опорах систем; аэро- или гидродинамическое сопротивление среды; сопротивление, создаваемое специально вводимыми в систему демпферами. 2. внутренние сопротивления: внутреннее трение в материале; трение в так называемых неподвижных соединениях (заклепочные, прессовых, шлицевых, резьбовых и т.п.) Сопротивления указанного вида неизбежно сопровождают всякий процесс деформирования реальных механических систем, т.е. кривые зависимости между напряжением и деформацией при увеличении нагрузки и при её уменьшении, строго говоря, не совпадают между собой (рис. 2.4).
Работа, затрачиваемая на деформацию (площадь под кривой ОАВ) больше, чем работе, отдаваемая материалом при разгрузке (площадь под кривой ВСО). Таким образом, при каждом цикле колебания рассеивается (превращается в теплоту) энергия, соответствующая площади петли гистерезиса ОАВС. Рассеивание энергии становится особенно значительным, если в процессе деформации возникают пластические деформации; однако потери энергии имеют место и при напряжениях, меньших предела упругости (упругий гистерезис) [91, 92].
Игнорируя неупругие сопротивления, мы лишаемся возможности объяснить многие реально наблюдаемые явления; так, в интересующей нас области колебаний наглядным примером явлений этого типа может служить затухание свободных колебаний. Учет неупругих сопротивлений приобретает также первостепенное значение при определении амплитуд вынужденных колебаний в резонансной зоне и в ряде других задач динамики деформируемых тел.
Очевидно, отчетливых представлений о закономерностях, описывающих соответствующие неупругие сопротивления. Эти экспериментально устанавливаемые закономерности неизбежно приходится что решение различных задач о колебаний систем с внутренним трение требует описывать таким образом, чтобы облегчить последующее решение соответствующих дифференциальных уравнений.
Введем в рассмотрение внутреннее трение и заменим «чисто упругую» задачу моделью вязкоупругого тела Бока-Сорокина [91] (эллиптическая форма петли гистерезиса), приводящую к наиболее простым решениям. Запишем связь между напряжение и деформацией для одноосного напряженного состояния в виде: е \ (2.14) 2л:а at а = Е V где а - нормальные напряжения в поперечном сечении бруса, Па; є -деформация; Е — модуль упругости материала стержня (модуль Юнга); со - круговая частота, рад/с; щ — коэффициент поглощения, определяемый как y/0=AW/W ; Wамплитудное значение потенциальной энергии; AW -рассеянная за один цикл деформирования энергия. Продольные колебания.
Обоснование комплекса показателей ультразвуковой колебательной системы
Исходя из целевого предназначения ультразвуковых технологий окорки лесоматериалов и масштабного применения ультразвуковых установок в условиях предприятий необходимо исследование проблем экологической безопасности и факторов, обеспечивающих рациональное использование сырья и качество получаемых продуктов.
Известно, что проникновение экологических новшеств в промышленность происходит по нескольким направлениям. Вся совокупность методов охраны окружающей среды, позволяющих свести к минимуму сбросы и выбросы в биосферу как материальных, так и энергетических загрязнений, в современной промышленной экологии делится на пассивные и активные [156, 157].
Первые из них - это перемещение вредных начал в пространстве. Среди них наиболее распространенные пути: рациональное размещение источников загрязнений, локализация загрязнений (экранирование, глушение, изоляция, захоронение и др.) и очистка выбросов и сбросов от загрязнителей. Наиболее опасный из пассивных методов — складирование на полигонах и в хранилищах, а также дампинг («утопление» в морях) твердых или отвержденных вредных химических и радиоактивных отходов в специальных емкостях или «навалом». Но и другие пассивные методы защиты окружающей природной среды от промышленных загрязнений не предполагают непосредственного воздействия на источник загрязнения, тем самым сохраняя опасность для природы.
Для наиболее полной и качественной защиты природы от воздействия любых загрязнений применяются активные методы охраны окружающей среды. Это совершенно иная сфера экологизации производства, предусматривающая совершенствование существующих и разработку новых технологий производства, обеспечивающих максимальное снижение материальных и энергетических загрязнений. Активные (технические и технологические) методы борьбы с загрязнениями окружающей природной среды могут осуществляться следующими путями: 1. Сведение к минимуму отходов путем улавливания выбросов, стоков и отходов не в форме загрязнителей, а в виде полезных материалов, вторичного сырья для промышленности; 2. Замена исходного сырья и совершенствование технологических режимов с целью получения побочных продуктов в неопасной, адаптируемой к природным состояниям форме; 3. Создание малоотходных, реутилизационных и ресурсосберегающих технологий. Наиболее перспективным среди активных методов охраны окружающей среды и рационального природопользования экологи считают третье направление т.е. создание малоотходных, реутилизационных и ресурсосберегающих технологий, сочетание которых получило условное название безотходных технологий.
Исходя из первого следствия закона экологии о развитии природных и искусственных экологических систем за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей её среды, которое гласит: «Абсолютно безотходное производство невозможно (оно равнозначно созданию «вечного» двигателя)», предельной степени экологической безопасности отдельного технологического процесса можно достигнуть лишь комплексно используя малоотходные, реутилизирующие и ресурсосберегающие технологии. В программе Организации объединенных наций по окружающей среде (ЮНЕП ООН) и документах Европейской экономической комиссии Организации объединенных наций (ЕЭК ООН) в 1984 году введены определения таких технологий, в том числе:
Малоотходная технология - это технология, позволяющая получить минимум твердых, жидких, газообразных и тепловых отходов и выбросов, рассчитываемый как теоретически достижимый максимум безотходности для каждого конкретного технологического процесса.
Реутилизационная технология - это цепь технологических процессов, где отходы одного процесса становятся материальным или энергетическим сырьем для другого (предполагается использование этого сырья без остатка). Использование такой технологии может приблизить промышленное производство к теоретическому минимуму отходов, равному отходам в биосферных циклах (не более 2% от общего кругооборота веществ и энергии, участвующих в процессе), а главное получить отходы перерабатываемые природными системами самостоятельно т.е. направлять в природу отходы в виде трофических составляющих (участие в трофических цепях в качестве пищи), либо сырья (на пример - переработка в гумус редуцентами), а значит не несущие отрицательного антропогенного влияния на окружающую природную среду.
Ресурсосберегающая технология - это производство и реализация конечных продуктов с минимальным расходом вещества и энергии на всех этапах производственного цикла и с наименьшим воздействием на человека и природные системы. При этом должны учитываться все расходы на промежуточные этапы производства. Ресурсосберегающая технология включает требование минимизации используемых природных ресурсов и минимального нарушения природных (естественных) условий. Нижний предел такой минимизации зависит как от способов получения традиционной продукции, так и от возможностей перехода к выпуску сопутствующей на основе миниатюризации и технической д опол нител ьности.
Исходя из сочетания трех названных технологий ЕЭК ООН дает обобщенное определение безотходных технологий. Безотходная технология - это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-промышленный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используется сырье и энергия в цикле: сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные сырьевые ресурсы и таким образом любые воздействия на окружающую среду не нарушают её нормального функционирования. Расширенное определение сделано на семинаре по вопросам последствий применения малоотходных технологий в 1989 году в Гааге. Безотходная технология -как сочетание малоотходных, реутилизационных и ресурсосберегающих технологий — это эквивалент экологически чистых технологий, то есть технологий, построенных по типу процессов, характерных для природы. В наиболее общем виде развитие и расширение масштабов создания безотходных технологических процессов и производств может осуществляться по четырем магистральным направлениям:
