Айтбаева З

Айтбаева З.К.

Таразский государственный университет, Казахстан

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ

При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности возникает чередование её сжатия и разрежения, приводящее частицы среды в индивидуальное колебательное движение и групповое смещение в направлении распространения волны (так называемое «акустическое течение» или «ультразвуковой ветер»). Наступает довольно интенсивное перемешивание жидкой среды, а при интенсивностях ультразвука, больших 1 Вт/см, наблюдается эффект кавитации, при котором в жидкости образуются полости, заполненные парами жидкости и газами, растворенными в ней. При этом в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т.е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки и являются кавитационными. Динамика развития кавитационной области подчиняется закономерностям цепного процесса с размножением кавитации на «осколочных» зародышах и установлением стационарной концентрации микро-пузырьков, возрастающей с частотой и интенсивностью ультразвука и уменьшающейся с гидростатическим давлением или коэффициентом поверхностного натяжения на границе парогазового пузырька с жидкостью. Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области подходит фаза разрежения ультразвуковой волны. Как правило, кавитационные, пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию, большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхность. Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения. Кавитационное облачко неоднородно, вблизи центра оно имеет вид небольшой плотной области; по плоскости кавитационные пузырьки распределяются в виде своеобразной, похожей на многоконечную звезду фигуры. Сжатие кавитационных пузырьков при захлопывании приводит к сильному нагреванию и свечению содержащегося в них газа. Свечение газа в кавитационных пузырьках обусловлено электрическими разрядами. Опыты свидетельствуют об огромной разрушающей силе кавитации. Ультразвук - это упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5 - 2*104 Гц (15 - 20 кГц) и до 109 Гц (1 ГГц), область частот ультразвука от 109 до 1012-13 Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5*104 - 105 Гц) - УНЧ, ультразвук средних частот (105 - 107 Гц) - УСЧ и область высоких частот ультразвука (107 - 109 Гц) - УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения. В промышленности применение ультразвука для появления эффекта кавитации обычно используют диапазон 20-25 кГц. По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами, поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Выбор метода генерации ультразвука зависит от области частот ультразвука, характера среды (газ, жидкость, твёрдое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.

Вторым способом получения и использования эффекта кавитации, является гидродинамический способ. Гидродинамическая кавитация, возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается, и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Если внутрь каверны, через тело, около которого возникает кавитация, подвести атмосферный воздух или иной газ, то размеры каверны увеличиваются. При этом установится течение, которое будет соответствовать числу кавитации, образованному уже не по насыщающему давлению водяного пара, а по давлению газа внутри каверны. В таких условиях есть возможность при малых скоростях набегающего потока получать течения, соответствующие очень низким значениям, т.е. глубоким степеням развития кавитации. Так, при движении тела в воде со скоростью 6-10 м/сек можно получить его обтекание, соответствующее скоростям до 100 м/сек. Кавитационные течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, называют искусственной кавитацией (суперкавитация). При условии, что жидкость была идеально однородной, а поверхность твёрдого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости. Прочность на разрыв воды, вычисленная при учёте тепловых флуктуаций, равна 150 Мн/м2 (1500 кг/см2). Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды с температурой 10°С, составляет 28 Мн/м2 (280 кг/см2). Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твёрдого тела, твёрдых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от несколько сотен герц до сотен кГц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной коррозии) поверхности обтекаемого тела (лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и др. гидротехнических устройств). Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков. Увеличение скорости потока после начала кавитации влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед, за чем происходит их объединение в общую навигационную каверну и течение переходит в струйное. При этом течение сохраняет нестационарный характер только в области замыкания каверны. Особенно быстро струйное течение организуется в случае плохо обтекаемых тел. Гидродинамическая кавитация может сопровождаться рядом физико-химических эффектов, например искрообразованием и люминесценцией.

Кавитационные деструкторы в биогазовых установках
Благодаря управляемому процессу кавитации в деструкторах биомассы, они нашли широкое применение в производстве биогаза. Специально спроектированная конструкция деструктора позволяет использовать разрушительный эффект кавитации для придания исходному сырью однородной и гомогенной массы. Под воздействием направленной и управляемой кавитации, в биологическом сырье рвутся сложные связи волокон органических веществ на молекулярном уровне (лигнин, целлюлоза). Как следствие этого процесса дисперсность биологического сырья значительно увеличивается, и его частицы уменьшаются в размерах до 0,1-8 мкм. Таким образом, всем штаммам бактерий участвующих в процессе образования биогаза, на всех его этапах, становится легче разлагать биогенные материалы, т.к. их однородная структура разрушена и соответственно увеличивается площадь покрытия бактериями биологического сырья.

К важнейшим положительным результатам предварительной обработки биологического сырья, перед его направлением в биореактор, можно отнести следующие показатели:

1. Высокая степень измельчения и гомогенизации сырья, как следствие увеличение количества частиц на поверхности позволяет увеличить и интенсифицировать производство биогаза на 30-50%.

2. Благодаря высокой дисперсности и интенсификации процессов анаэробного брожения, значительно уменьшается период сбраживания биомассы. Результатом уменьшения периода сбраживания, является возможность строительства биореакторов меньших объёмов и размеров, что приводит к значительной экономии затрат на капитальные строения.

3. При деструкции биомассы из клеточных и субклеточных материалов интенсивнее высвобождаются природные энзимы, которые являются биологическими катализаторами процесса сбраживания биомассы. Этот эффект также увеличивает объём производимого биогаза.

4. Существенно стабилизируются биологические процессы, что приводит к отсутствию пенообразования и плавающей корки в верхней части биореактора. Таким образом, весь полезный объём реактора используется эффективно.

5. Процентное содержание метана в биогазе увеличивается до 70-75%. Этот показатель содержания метана свойственен обычному природному газу в зависимости от его географического происхождения.