Ультразвуковая кавитация - основной действующий фактор ускорения процессов в жидких средах

Форостянко В. С.

Національний технічний інститут України

«Київський політехнічний інститут»

Одним из перспективных физических методов воздействия на вещества с целью интенсификации технологических процессов является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового (УЗ) диапазона.

Ультразвуковая интенсификация процессов основана на введении ультразвуковых колебаний высокой интенсивности (более 3…10 Вт/см²) непосредственно в жидкие среды. На практике успешно реализуются несколько вариантов контактного введения ультразвуковых колебаний в жидкие среды. Один из самых распространенных – это обработка путем погружения рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы в произвольный технологический объем или обработка в реакторах проточного типа, содержащих технологический объем в виде проточной камеру и расположенный в ней излучатель ультразвуковых колебаний.

Традиционными средами для эффективной реализации ультразвуковых технологий (растворение, экстрагирование, очистка, диспергирование, эмульгирование) являются вода, органические растворители, жидкие среды на водной основе с малым объемным содержанием твердых фракций. Применение водных сред обусловлено возможностью создания режима развитой кавитации при минимальных энергетических затратах.

Наиболее успешно УЗ колебания используются в процессах, связанных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс - УЗ кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества.

Кавитация — образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных паром, газом или их смесью. В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн. При этом, в жидкости происходит разрушение поверхностей твёрдых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.

Производительность и эффективность ультразвуковой (УЗ) кавитационной обработки жидких сред зависит главным образом от степени развитости кавитации в обрабатываемой жидкости, размера кавитационного облака и равномерности распределения интенсивности УЗ воздействия по всему технологическому объёму. Степень развитости кавитации определяется многими факторами, основными из которых являются физические характеристики рассматриваемой жидкости (плотность, вязкость, начальный радиус кавитационных зародышей и т.д.) и интенсивность УЗ колебаний. А размер кавитационного облака и равномерность распределения интенсивности кавитации по всему технологическому объёму определяется как волновыми свойствами кавитационной области, так размерами и формой технологического объёма.

Возникновение кавитационных пузырьков в жидкости и значительное

изменение их размеров в процессе развития кавитации влечет за собой изменение акустических и физических свойств обрабатываемой жидкости. При этом размеры отдельных пузырьков и их скоплений, как правило, оказываются существенно меньше длины волны первичного УЗ поля. Это позволяет рассматривать жидкость вместе с газовыми вкраплениями, как некую новую среду с эквивалентными акустическими характеристиками, отличными от акустических характеристик капельной жидкости.

При ультразвуковом кавитационном воздействии выделяют следующие режимы в зависимости от его интенсивности: работа при малых интенсивностях воздействия (докавитационный режим), при которых не нарушается сплошность обрабатываемой среды; работа в режиме зарождения кавитации, который характеризуется возникновением в жидкой среде кавитационных парогазовых пузырьков, которые насыщают жидкую среду, изменяя ее волновое сопротивление (импеданс); работа в режиме развитой кавитации, который характеризуется малым излучением УЗ энергии, что связано с приближением импеданса кавитирующей (водно-газовой) среды к импедансу воздушной среды; работа в режиме сверхразвитой кавитации, при которм пузырьки достигают критических размеров и происходит ихвырождение в резонансные.

Таким образом, воздействие УЗ колебаний на различные технологические процессы позволяет: не менее чем в 10-1000 раз ускорить процессы, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистку, обезжиривание, крашение, измельчение, пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, полимеризацию, предотвращение накипеобразования, гомогенизацию, эрозию, химические и электрохимические реакции и др.); увеличить выход полезных продуктов (например, экcтрактов) и придать им дополнительные свойства (например, биологическую активность и стерильность); получить новые вещества (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии) и реализовать технологические процессы, не реализуемые традиционными методами.