Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния ультразвуковой техники и технологий 12
1.1 Анализ физических эффектов, обуславливающих интенсификацию технологических процессов в жидких средах 12
1.2 Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях 16
1.2.1 Ультразвуковое эмульгирование и получение суспензий 17
1.2.2 Экстракционные процессы 19
1.2.3 Ультразвуковое диспергирование 21
1.3 Ультразвуковые аппараты для интенсификации химико- технологических процессов, протекающих в жидких средах 23
1.3.1 Общие сведения об ультразвуковых технологических аппаратах 23
1.3.2 Ультразвуковые технологические аппараты химических производств 28
1.3.3 Структура ультразвукового технологического аппарата. Требования к ультразвуковым аппаратам 33
1.3.4 Анализ недостатков ультразвуковых аппаратов химических технологий 38
2 Теоретическое исследование ультразвуковых технологических аппаратов с целью выявления причин, снижающих эффективность их работы 41
2.1 Характеристики обрабатываемых сред в технологических процессах 42
2.2 Механический импеданс колебательной системы 50
2.3 Эквивалентная электрическая схема ультразвуковой колебательной системы 52
2.3.1 Выявление параметров модели, чувствительных к изменению свойств жидких сред подвергаемых воздействию ультразвуковой энергии 54
2.3.2 Выявление причин снижающих точность настройки электронных генераторов на резонансную частоту ультразвуковых колебательных систем 58
2.3.3 Выявление причин снижающих точность косвенной оценки амплитуды механических колебаний ультразвуковых колебательных систем 65
3 Исследование влияния свойств обрабатываемых технологических сред на электрические параметры ультразвуковых колебательных систем и электронных генераторов 69
3.1 Разработка измерительного стенда для исследования влияния свойств обрабатываемых сред на электрические параметры колебательных систем 69
3.2 Выбор оборудования и материалов для проведения экспериментальных исследований 71
3.3 Методика проведения экспериментов 73
3.4 Исследование влияния свойств сред на частотные характеристики электрических параметров колебательных систем 75
3.4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния свойств сред на параметры ультразвуковых колебательных систем 76
3.4.2 Исследование влияния свойств жидких сред при излучении ультразвуковых колебаний через цилиндрические рабочие инструменты 78
3.4.3 Исследование влияния свойств сред при излучении ультразвуковых колебаний через грибовидные рабочие инструменты диаметром 25, 30,40 и 50 мм 81
4 Разработка методов проектирования узлов ультразвуковых аппаратов и излучателей 96
4.1 Методика определения основных параметров ультразвуковых генераторов 96
4.2 Разработка узлов и элементов систем автоматической подстройки частоты и систем контроля амплитуды механических колебаний 100
4.2.1 Разработка устройства выделения сигнала, пропорционального величине амплитуды механических колебаний 104
4.2.2 Разработка устройства выделения сигнала с частотными характеристиками колебательной скорости ультразвуковой колебательной системы 106
4.2.3 Обеспечения режима регулирования энергетического воздействия при реализации ультразвуковых технологических процессов 108
4.3 Разработка электронных генераторов для реализации различных технологических процессов 111
4.4 Анализ работы ультразвуковых аппаратов при обработке технологических сред с изменяющимися свойствами 114
4.5 Исследование эффективности разработанных ультразвуковых аппаратов при реализации процесса диспергирования 116
Заключение 121
Список литературы
- Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях
- Эквивалентная электрическая схема ультразвуковой колебательной системы
- Выбор оборудования и материалов для проведения экспериментальных исследований
- Разработка устройства выделения сигнала с частотными характеристиками колебательной скорости ультразвуковой колебательной системы
Введение к работе
Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности является перспективным и прогрессивным направлением в развитии химических производств. Ультразвук оказывает влияние на все известные процессы химических производств. Это воздействие может носить различный характер:
- стимулирующий, в тех случаях, когда ультразвуковые колебания
являются движущей силой процесса (например, при реализации
звукохимических реакций, акустическом диспергировании и удалении
отложений с теплообменных поверхностей);
- интенсифицирующий, в тех случаях, когда колебания лишь
увеличивают скорость процесса (например, при акустическом растворении,
эмульгировании, экстрагировании, дегазации);
- оптимизирующий, в тех случаях, когда акустические колебания
упорядочивают течение процесса (например, при стимуляции роста бактерий,
кристаллизации, акустической грануляции и акустическом центрифугировании,
мелкодисперсном распылении).
Повышение эффективности химических производств путем применения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности может быть обеспечено только за счет совершенствования существующих и создания новых технологических аппаратов, способных обеспечить максимально эффективное ультразвуковое воздействие на различные технологические среды.
К сожалению, используемые в настоящее время на химических производствах ультразвуковые аппараты, не обеспечивают автоматической оптимизации УЗ воздействия при изменении свойств технологических сред и не учитывают влияния этих сред и происходящих в них изменений на работу аппаратов. Это обусловлено отсутствием в используемых аппаратах систем, обеспечивающих изменение режимов работы электронного генератора при всех возможных статических и динамических явлениях, происходящих в обрабатываемых технологических средах.
В связи с этим, необходимость повышения эффективности химических производств и отсутствие пригодного для этого оборудования свидетельствуют об актуальности задачи дальнейшего совершенствования УЗ технологических аппаратов.
Цель работы - повышение эффективности ультразвуковых технологических процессов за счет создания ультразвуковых технологических аппаратов, построенных по новым конструктивным и принципиальным схемам, способных обеспечивать максимально эффективное воздействие на различные технологические процессы при минимальных энергетических затратах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Обосновать возможность повышения эффективности использования ультразвуковой аппаратуры для интенсификации технологических процессов, протекающих в жидких средах.
Разработать модель, описывающую свойства жидких технологических сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию и позволяющую определять волновое сопротивление технологических сред в зависимости от величины звукового давления и свойств обрабатываемой среды.
3. Экспериментально исследовать влияние обрабатываемых сред на
электрические параметры ультразвуковых колебательных систем (резонансную
частоту, добротность, входное сопротивление, импеданс) и электронных
генераторов для установления диапазонов необходимой перестройки
параметров электронных генераторов при обработке различных
технологических сред.
4. Предложить и разработать методику определения основных
параметров УЗ технологических аппаратов, позволяющую осуществлять выбор,
необходимой и достаточной для реализации в жидких технологических средах
режима развитой кавитации, акустической и электрической мощности, а также
определять диапазон изменения резонансной частоты ультразвуковой
колебательной системы при работе ультразвукового аппарата в различных
режимах (докавитационный режим, режим зарождения кавитации, режим развитой кавитации).
5. Разработать серию ультразвуковых технологических аппаратов для
интенсификации различных технологических процессов.
6. Исследовать особенности использования разработанных
ультразвуковых технологических аппаратов различной мощности,
обеспечивающих повышение эффективности ультразвукового воздействия на
различные жидкие среды.
Работа является продолжением исследований, проводимых в «Лаборатории акустических процессов и аппаратов» Бийского технологического института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность коллективу лаборатории, а также Хмелеву Владимиру Николаевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.
Интенсификация технологических процессов в ультразвуковых полях
Одной из наиболее продолжительных стадий переработки природного сырья является процесс экстрагирования из него целевых компонентов. На большинстве заводов экстрагирование осуществляется малоэффективными, трудоемкими и длительными методами перколяции (одноступенчатое динамическое экстрагирование) длительностью от 6 до 28 часов и мацерации (настаивание) длительностью несколько суток.
Практика показывает, что одним из наиболее перспективных способов интенсификации экстрагирования целевых компонентов из растительного сырья в условиях фармацевтических предприятий является применение ультразвука [28 - 35].
Установлено, что ультразвуком частотой (19-44) кГц из растений с сокращением процесса экстракции на 1-2 порядка можно извлекать флавоноиды, дубильные вещества, фенолгликозиды, связанные кумарины, антоцианы, фенолкарбоновые кислоты. При этом, как правило, имеет место не только значительное ускорение процесса извлечения из растений полезных веществ, но и увеличение, по сравнению с другими методами экстрагирования, выхода основного продукта.
Так, например, выход розового и облепихового масла увеличивается на (10-15)%, саланидина, из ростков картофеля, на 30%, атропина на (18-25)%, валериановой кислоты на 20%, платифиллина на 15%, фуранахромонов на 30%, кверцетина на 47%, эргостерина на (45-60) %, урсоловой кислоты на 10%.
При озвучивании мезги сырой капусты на одну треть увеличивается выход тартроновой кислоты, на 18% увеличивается выход инулина из корней лопуха и клубней топинамбура.
При применении ультразвука имеет место звукокапиллярный эффект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но и создает условия для их растворения в жидкости. В результате имеет место резкое сокращения процесса замачивания. Например, в обычных условиях время замачивания измельченных трав горицвета, чабреца, пустырника составляет около 2 ч, а корневищ с корнями валерианы, синюхи, девясила, аира и др. (6-8) часов. При применении ультразвука достаточно 30 мин на замачивание и 10 мин на ультразвуковую обработку, чтобы сырье полностью набухло.
Что касается выбора интенсивности ультразвука, то обычно ориентируются на таком ее значении, которое вызывает появления кавитации в жидкости. Опытным путем найдено, что для различного сырья наиболее приемлема интенсивность ультразвука лежит в пределах (1,5-2,3) Вт/см [36].
Таким образом, можно сделать вывод, что применение ультразвукового воздействия для интенсификации процесса экстрагирования является перспективным и эффективным.
Фундаментальные исследования тепло - массообмена (это основные процессы экстракции) были проведены многими авторами [9, 13, 37].
Положительное влияние ультразвуковых колебаний на процесс экстракции в системе твердое тело - жидкость зарегистрировано многими исследователями. Л.П. Капустин и М.А. Фокин [26] изучали кинетику процессов в условиях ультразвуковых колебаний и без них. При воздействии ультразвука скорость процесса возросла в 3 - 20 раз.
Х.С. Багдасаров [38] осуществил визуализацию диффузионного пограничного слоя на поверхности растворяющегося объекта в условиях ультразвуковых колебаний жидкости. Под действием ультразвука строение диффузионного слоя изменилось. В диффузионном слое различались места с наибольшей и наименьшей плотностью растворимого вещества. Теоретически обосновывается и практически подтверждается «пятнистая структура» поверхности растворения; горбы разделяются впадинами, а расстояние между горбами или впадинами зависит от длины волны и направления распространения колебаний.
Воздействие ультразвука ускоряет процесс на (30-40) % по сравнению с механическим перемешиванием. Установлено также влияние ультразвуковых колебаний на процессы диффузионного проникновения растворенного вещества в коллоидное тело. Как известно, экстракционный процесс может быть ускорен различными способами, в том числе, такими традиционными как нагревание или перемешивание. Ультразвуковая обработка вызывает эффекты перемешивания и нагрева, однако, из этого не следует, что ультразвуковой излучатель целесообразно использовать как нагреватель или перемешивающее устройство.
Оценка специфических воздействий ультразвука на кинетику диффузионных процессов в гетерогенных системах лежит в основе фундаментальной работы А.В. Кортнсва [36]. Важнейшим аспектом этого исследования является анализ влияния ультразвукового воздействия на диффузионный перенос вещества в жидкой среде, который определяется степенью кавитации, толщиной и свойствами диффузионного слоя на твердой поверхности, диффузионной проницаемостью твердых материалов.
Очень часто термин диспергирование относят к двум различным процессам - диспергированию (разрушение монолитных частиц) и к дезагломерации (нарушение связи между частицами в агломерате).
Известно, что между частицами агломерата возможны три вида связи: под действием капиллярных сил, под действием сил Ван-дер-Ваальса и в так называемых «мостиков твердого вещества» [27]. Значение капиллярных сил -от 10"5 Па и ниже, сил Ван-дер-Ваальса - от 10"5 до 10"2 Па. При наличии «мостиков твердого вещества» силы связи могут быть значительно больше. При такой прочности агломератов их разрушение в акустическом поле происходит не только под действием ударных волн и микроструек жидкости, но и в результате микротечений вблизи пузырьков, а так же так называемых у; фрикционных потоков, образующихся при торможении акустических течений у твердой плоской поверхности.
Процесс диспергирования в акустическом поле при наличии кавитации происходит двумя путями [II]: во-первых, под действием ударных волн, возникающих при захлопывании кавитациопных пузырьков, во-вторых, под действием микроструек жидкости, возникающих при захлопывании несферических кавитационных пузырьков.
Преобладание того или иного механизма при акустическом диспергировании обуславливается масштабным фактором, так как это связано с начальной формой кавитационного пузырька при захлопывании. Если размер кавитационного пузырька преобладает над размером твердой частицы, то условия для начального искажения формы пузырька не создается, и он захлопнется с образованием ударной волны. В тех случаях, когда размеры твердого тела превосходят размер пузырька, он теряет сферическую форму и при захлопывании образует микроструйку жидкости [11].
Выбор параметров ультразвукового воздействия для оптимизации процесса диспергирования связан с созданием условий для максимального развития кавитации при сохранении или увеличении скорости схлопывания кавитационных пузырьков [38].
Эквивалентная электрическая схема ультразвуковой колебательной системы
При подключении нагрузки через резонансную стержневую колебательную систему ее эквивалентное сопротивление (механический импеданс) приближенно равняется сумме сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления стержневой системы. Следовательно, в рассматриваемой электрической модели (рисунок 2.7) ультразвуковой колебательной системы можно учесть сопротивление нагрузки путем введения элемента ZH3 как показано на рисунке 2.8.
В общем случае, элемент Zin, определяющий импеданс технологической среды, является комплексной величиной ZN3 = a + jb, поэтому элемент ZH3 влияет не только на величину активных потерь, но на реактивные элементы эквивалентной электрической схемы, т.е. может влиять на резонансную частоту колебательной системы.
Таким образом, сопротивление акустической нагрузки на эквивалентной электрической схеме ультразвуковой колебательной системы может быть представлено в виде RLC цепи, как показано на рисунке 2.9.
В этой схеме индуктивность ст- эквивалентна массе среды, присоединенной к излучающей поверхности колебательной системы, емкость ССР -эквивалентна упругости среды, присоединенной к колебательной системе, активный элемент Rim определяет выход акустической энергии в технологическую среду. При рассмотрении условий ультразвукового воздействия на жидкие среды, которые изменяются по мере увеличения амплитуды механических колебаний, следует различать следующие режимы: - работа при малых интенсивностях ультразвукового воздействия (докавитационный режим), при которых не нарушается сплошность обрабатываемой среды. В этом случае выход энергии определяется элементом Ким, который остается неизменным при реализации докавитационного режима и индивидуален для отдельно взятой среды. - работа в режиме зарождения кавитации. Режим характеризуется возникновением в жидкой среде кавитационных парогазовых пузырьков, которые насыщают жидкую среду, изменяя ее волновое сопротивление (импеданс). Изменение (уменьшение) импеданса обрабатываемой жидкой среды приводит к снижению ввода в нее акустической энергии, т.е. активные потери, связанные с излучением ультразвуковой энергии в среду уменьшаются. С другой стороны, с возникновением кавитации начинают возрастать активные потери, связанные с развитием и необходимостью поддержания кавитирующего состояния жидкой среды. - работа в режиме развитой кавитации. Режим характеризуется малым выходом ультразвуковой энергии, что связано с приближением импеданса водно - газовой среды к импедансу воздушной среды. С другой стороны на развитие и поддержание кавитационного режима затрачивается большая часть ультразвуковой энергии. Таким образом, при рассмотрении режимов ультразвукового воздействия на жидкие среды, элемент эквивалентной электрической модели К[Ш можно представить в виде суммы двух слагаемых Rmi = J?WB + RfrncP, где элемент RKM определяет затраты энергии на развитие и поддержание кавитации, а элемент R[mrF определяет ввод ультразвуковой энергии в обрабатываемую среду.
В случае, когда в жидкой среде не развивается кавитация (малые значения амплитуд механических колебаний), элемент Д л -0, то выполняется следующее равенство Rim = И1Ш(Т, т.е. большая часть ультразвуковая энергия (определяемая отношением импедансов среды и материала излучателя) выводится в технологическую среду в виде колебаний ультразвуковой частоты.
В момент зарождения кавитации часть излучаемой акустической энергии начинает расходоваться на поддержание кавитации (ЛИЛ Ф 0), в то время как R-излсг начинает уменьшаться в связи с изменившимся волновым сопротивлением насыщенной кавитационными пузырьками жидкости.
В случае развитой кавитации, когда насыщенная газовыми пузырьками жидкость имеет волновое сопротивление близкое к волновому сопротивлению воздуха, а на поддержание кавитации идет максимальное количество акустической энергии, RKAB принимает максимальное значение, а Я,ШСР минимально и соответствует RH11CP, определяющего выход акустической энергии при работе колебательной системы в газовых средах.
Выбор оборудования и материалов для проведения экспериментальных исследований
Выбор указанного ряда технологических сред обусловлен необходимостью реализации максимально широкого диапазона акустических нагрузок на электронный генератор, с целью установления его предельных диапазонов перестройки.
Измерения электрических параметров колебательных систем и электронных ультразвуковых генераторов в воздушной среде необходимы для определения собственных характеристик и параметров ультразвуковых колебательных систем (резонансная частота, добротность, собственный импеданс, сопротивление собственных механических потерь) и для сравнения с режимом развитой кавитации в жидких средах.
Выбор остальных, указанных выше, технологических сред, при проведении экспериментов, так же обусловлен необходимостью выявления влияния на электрические параметры колебательных систем и параметры электронных генераторов технологических сред с различными физико-акустическими свойствами: во-первых - различной кавитационной прочностью, во-вторых, различным акустическим импедансом. При проведении экспериментов использовались полуволновые колебательные системы [51, 96] с пьезоэлектрическим преобразователем и сменными рабочими инструментами [54,98], внешний вид которых представлен на рисунке 3.2.
При проведении экспериментов были использованы рабочие инструменты в виде цилиндра (диаметр инструмента равен диаметру присоединяемой к нему части концентратора), а так же инструменты «грибовидной» формы с диаметром Db равным 25мм, 30мм, 40мм, 50мм, Выбор инструментов обусловлен их широким использованием при реализации технологических процессов в различных технологических объемах.
Диапазон частотных характеристик измеряемых электрических параметров колебательных систем и электронных генераторов был принят равным (15 - 25) кГц, что обусловлено разбросом собственных резонансных частот колебательных систем при присоединении к ним различных рабочих инструментов.
Для проведения экспериментов, был использован электронный генератор для питания ультразвуковых колебательных систем с пьезоэлектрическим преобразователем, электронная схема которого была модернизирована для возможности использования электронного генератора в составе автоматизированной измерительной установки, структурная схема которой представлена на рисунке 3.1.
Проведение эксперимента осуществлялось в два этапа. Первый этап заключался в получении амплитудно-частотных характеристик электрических параметров ультразвуковой колебательной системы. Получение амплитудно-частотных характеристик электрических параметров колебательной системы осуществлялось путем их прямых измерений (при помощи аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав устройства управления) при различных частотах напряжения питания колебательной системы, накоплении измерительной информации в устройстве управления (смотри рисунок 3.1) и ее последующей передачи в виде последовательного потока цифровых данных на ЭВМ.
Получение амплитудно-частотных зависимостей электрических параметров колебательной системы заключается в плавной перестройке частоты электронного генератора в заданном частотном диапазоне с непрерывным измерением электрических параметров колебательной системы. При ширине частотного диапазона перестройки электронного генератора 10 кГц, время его сканирования составляло 5 секунд.
Получение амплитудно-частотных характеристик осуществлялось при разных напряжениях питания ультразвуковой колебательной системы. Таким образом, для отдельного эксперимента (УЗ обработка конкретной технологической сред с использованием определенного типа рабочего окончания) было получено 250 кривых, соответствующих разным напряжениям питания колебательной системы.
В ходе проведения измерений происходило накопление и передача измерительной информации по последовательному каналу (RS-232) ЭВМ для ее дальнейшей обработки.
Второй этап заключался в обработке накопленных данных, а именно визуализации первичных данных (амплитудно-частотных характеристик), обработке первичных данных, получении новых параметров. Результатом обработки накопленных данных являются графические зависимости измеряемых параметров и их численные значения.
Разработка устройства выделения сигнала с частотными характеристиками колебательной скорости ультразвуковой колебательной системы
Косвенная оценка амплитуды механических колебаний является наиболее целесообразной, поскольку амплитуда является основным воздействующим параметром, при реализации технологических процессов, а ее непосредственные измерения в большинстве случаев являются невозможными и неоправданными. Кроме того, возможность измерения амплитуды механических колебаний позволяет контролировать импеданс излучению, который является отношением силы, приложенной к поверхности излучения, к амплитуде механических колебаний поверхности излучения.
На основании исследований, проведенных предыдущих главах, и рассмотренного выше способа выделения тока механической ветви колебательной системы, была предложена и разработана принципиальная схема (рисунок 4.3) и создано устройство выделения электрического сигнала, значение амплитуды которого пропорционально текущему значению колебательной скорости (амплитуде механических колебаний) колебательной системы.
Разработанное устройство работает следующим образом. С выхода трансформатора ТІ на не инвертирующий вход операционного усилителя DD3, который включен по схеме дифференциального усилителя, поступает сигнал, пропорциональный току, протекающему через согласующий контур Ы,С1. Коэффициент пропорциональности определяется коэффициентом трансформации трансформатора ТІ и номиналом резистора R2.
С выхода трансформатора Т2 на инвертирующий вход DD3 поступает сигнал пропорциональный току, протекающему через колебательную систему. Выходной сигнал дифференциального усилителя используется для стабилизации колебательной скорости преобразователя, и для защиты аппарата от резкого, аварийного повышения амплитуды тока в выходных каскадах аппарата. Для этого сигнал через R9, RIO, VDl, VD2, СЗ поступает на вход АЦП (для стабилизации колебательной скорости преобразователя) и на вход аналогового компаратора контроллера (для защиты от превышения амплитудой тока максимально допустимых значений). На второй вход аналогового компаратора поступает сигнал уровня срабатывания защиты, с переменного резистора R1. При превышении выходным сигналом дифференциального усилителя уровня срабатывания защиты, выходные транзисторы генератора обесточиваются. Цепь R9, RIO, VDl, VD2, СЗ представляет собой импульсный детектор.
Микросхема DD2 представляет собой цифровой переменный резистор. Этот резистор имеет 100 дискретных значений сопротивления. Значение резистора инкрементируется / декремеитируется через подачу импульсов на вывод INC. Вход U/D выбирает к инкременту или декременту приводит подача на вход INC импульсов. Этот резистор служит для начальной балансировки дифференциального усилителя.
Управляющий микроконтроллер DD1, в качестве которого используется RISK микроконтроллер фирмы Atrael AT90S8535, определяет алгоритм работы устройства в целом: производит калибровку дифференциального усилителя, оцифровку амплитудного значения сигнала, пропорционального амплитуде тока механической ветви колебательной системы.
Таким образом, разработанная схема может быть использована в системах измерения амплитуды механических колебаний ультразвуковых колебательных систем, а так же в системах автоматической стабилизации амплитуды механических колебаний.
Применение предложенного устройства позволит осуществлять косвенную оценку амплитуды механических колебаний, при реализации различных технологических процессов, исключить использование специальных акустических датчиков, и дорогостоящих систем измерения амплитуды механических колебаний. Кроме того, в большинстве случаев, предлагаемый способ является единственным возможным.
