CC BY
8УДК 66.069+544.77+648.23
Р.Ш. Абиев1, В.С. Давыдов2, Ю.В. Гурихина3, В.М. Барабаш4
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МОЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ СУПЕРПОЗИЦИИ МИКРО-И МАКРОМАСШТАБНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Введение
Процесс отмывки тканых материалов от загрязнений (стирка) зависит от состава синтетических моющих средств (СМС), основу которых составляют поверхностноактивные вещества (ПАВ), и от гидродинамической обстановки в аппаратах, в которых осуществляется этот процесс. Наряду со стиральными машинами активаторного и барабанного типов на рынке активно продвигаются стиральные устройства с ультразвуковыми излучателями.
В настоящее время в стиральных устройствах генерируют либо турбулентные пульсации в моющем растворе (макромасштабные воздействия), либо посредством ультразвука создают микромасштабные воздействия.
До настоящего времени нет опубликованных данных о моющем действии при использовании суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор. В то же время, применение такой суперпозиции позволит улучшить отвод загрязнений, отделившихся от ткани, в ядро потока, препятствуя резорбции. В одной из недавних работ выполнено исследование моющего действия в пульсационном аппарате [1]. По результатам наших предварительных исследований [2], сочетание ультразвуковых (микромасштабных) воздействий с макромасштабными воздействиями, например, посредством механического перемешивания, циркуляции либо низкочастотных пульсаций, приводит к улучшению моющего действия.
Концепция исследования
Нам представляется, что ультразвуковые волны можно рассматривать как микромасштабные воздействия на моющий раствор, а перемешивание моющего раствора в активаторной либо в барабанной машине, или другими способами рассматривается как макромасштабное воздействие. Такое разделение обусловлено тем, что четверть длины волны ультразвука в воде при ее частоте ~40 кГц составляет около 9 мм, т.е. по порядку величины сопоставима с толщиной ткани, тогда как любой вид макроперемешивания создает циркуляционные конвективные течения либо турбулентные вихри, масштаб которых сопоставим с размерами оборудования.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Исследована эффективность моющего действия при различных способах воздействия на моющий раствор в масштабах лабораторной установки. Показано, что использование суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор (ультразвука и циркуляции моющего раствора) приводит к 2.0-2.9-кратному увеличению моющего действия для шифона, бязи и льна по сравнению с применением только микромасштабных воздействий (ультразвука).
Ключевые слова: моющее действие, микро- и макромасштабные воздействия, интенсификация массопереноса, ультразвук, циркуляция, конвекция.
В работе [2] выполнено сравнение эффективности традиционных методов стирки тканых материалов в промышленно выпускаемых стиральных машинах. Там же описана методика подготовки (загрязнения) образцов ткани [3], методика измерения степени их загрязненности и расчета моющего действия, приведены результаты расчета параметров турбулентных пульсаций в стиральных машинах с использованием теории турбулентности [4-8], из которых видно, что в барабанной машине генерируются пульсации с более высокими частотами, нежели в ак-тиваторной машине.
Целью данной работы являлась проверка влияния на моющее действие суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор в лабораторной модели.
В предыдущих исследованиях было выявлено, что в серийно выпускаемых ультразвуковых стиральных устройствах моющее действие существенно хуже, чем в барабанных машинах. Последнее обстоятельство, на наш взгляд, в первую очередь связано с тем, что бытовые ультразвуковые стиральные устройства, как правило, не оборудованы элементами, поддерживающими колебания излучателя на резонансной частоте. Таким образом, производители таких устройств не регламентируют ни частоту, ни излучаемую мощность ультразвука.
По нашим представлениям, при воздействии ультразвуковой волны на загрязнения в ткани в моющем растворе практически полностью отсутствует конвекция, способная отвести моющий раствор с загрязнениями от поверхности ткани, препятствуя резорбции. В результате макромасштабный процесс стирки лимитируется диффузией загрязнений в растворе.
Помимо этого, на общий эффект стирки существенное влияние оказывает и химическое моющее действие. В связи с этим, для выявления влияния гидродинамики на моющее действие, в дальнейших опытах роль химического моющего действия была снижена за счет уменьшения концентрации моющих веществ в растворе.
1 Абиев Руфат Шовкетович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. оптимизации химической и биохтехнологической аппаратуры, зам. декана по научной работе механического факультета, rufat.abiev@gmail.com
2 Давыдов Владимир Сергеевич, : аспирант каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, Do-SPb@yandex.ru
3 Гурихина Юлия Владимировна, студентка каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры, neznaiu2@mail.ru
4 Барабаш Вадим Маркович, д-р техн. наук, профессор, генеральный директор ООО "МИКСИНГ" 191167, Санкт-Петербург, ул. Александра Невского, 9, barabash@mixing.ru
Дата поступления - 12 января 2012 года
Исследования интенсификации моющего действия в ультразвуковой ванне
В данной работе исследования проводились при стабилизированных параметрах ультразвука и управляемых макромасштабных воздействиях. Для получения стабильных условий ультразвукового воздействия на моющий раствор была использована серийно выпускаемая ультразвуковая ванна УЗВ2-0,16/37 (производитель - ООО "Ультразвуковая техника") объемом 5.4 л, в нижней части которой установлены три пьезокерамических ультразвуковых излучателя общей мощностью (160±40) Вт, генерирующих ультразвуковые колебания с фиксированной частотой (37±3.7) кГц.
В состав генераторного модуля ультразвуковой ванны входят источник питания, микросхема автогенератора со встроенной схемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), драйвер, усилитель мощности и схема защиты от перегрузки по току. На плате согласования расположены выходной трансформатор и датчик обратной связи (ДОС). Автогенератор вырабатывает переменное напряжение ультразвуковой частоты, которое через драйвер и усилитель мощности подаётся на преобразователь, возбуждая в нём механические колебания. ДОС, включённый последовательно с преобразователем, из его общего входного тока выделяет сигнал, амплитуда и фаза которого, характеризуют ультразвуковые механические колебания преобразователя. Этот сигнал по цепи обратной связи поступает на вход системы ФАПЧ, которая подстраивает частоту задающего автогенератора на частоту механического резонанса колебательной системы, изменяющегося в процессе работы ванны.
Внутри ванны для создания макромасштабных воздействий был смонтирован погружной циркуляционный насос М] 1000 с номинальным объемным расходом 1000 л/ч, напором 1.48 м и мощностью 13.8 Вт. Схема установки представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки. 1 - ультразвуковая ванна; 2 - ультразвуковые излучатели; 3 - циркуляционный насос; 4 -экспериментальный образец полотна с нашитыми кусочками ткани размером 50x50 мм.
На данном этапе проводили следующие исследования: 1) определение оптимальной навески стирального порошка; 2) исследование моющего действия при постоянно включенных УЗВ излучателях; 3) то же, что в п. 2, но при непрерывной циркуляции раствора насосом М] 1000.
Определение оптимальной навески стирального порошка С целью снижения роли химического моющего действия по сравнению с механическим моющим действием и по результатам работы [2] было решено сократить загрузку стирального порошка.
Для определения предельной концентрации моющих средств в растворе, когда эффект стирки снижается незначительно, было исследовано моющее действие при стирке в УЗВ ванне образцов шифона, бязи, льна и шерсти при концентрации стирального порошка 100%, 50% и 25% от рекомендуемой производителем порошка нормы. Эти исследования показали, что для шифона, бя-
зи, льна уменьшение навески стирального порошка вдвое почти не снижает эффект стирки, а при сокращении стирального порошка до 25% моющее действие для всех тканей, кроме шерсти, снижалось на 11.3-26.7% (см. таблицу 1), т.е. моющее действие достигало 0.733-0.887 от нормы. Для выявления роли механических воздействий на эффект стирки (моющее действие) было решено дальнейшие опыты проводить при навеске стирального порошка 25% от рекомендуемой. Кроме того, исследования позволяют сделать вывод о возможности сокращения расхода стирального порошка без существенного снижения моющего действия, по крайней мере, до 4 раз, при стирке бязи, льна и шифона. На качество стирки шерсти в исследованных пределах количество стирального порошка практически не влияет, что связано, по-видимому, с особенностями как строения шерсти (ее значительной толщиной и адсорбционной емкостью), так и метода определения моющего действия - по яркости поверхности ткани.
Таблица 1. Влияние массы стирального порошка на моющее действие
М для четь/рех видов тканей при стирке в УЗВ ванне.
Наименование ткани Количество порошка в долях от номинального 1 М0.25/М1, %
0.25 0.5 1
шерсть 0.044 ± 7.5 10-4 0.035 ± 2.0 10-3 0.04 ± 1.5 10-3 0
бязь 0.165 ± 4.9 10-3 0.179 ± 6.4 10-3 0.186 ± 6.7 10-3 11.3
лён 0.31 ± 0.027 0.4 ± 0.015 0.423 ± 4.8 10-3 26.7
шифон 0.248 ± 0.037 0.344 ± 0.023 0.299 ± 1.9 10-3 17.0
Как видно из таблицы 1, моющее действие для шерсти существенно ниже, чем для других тканей, и поведение кинетической кривой имеет аномальный характер. По-видимому, это связано с двумя обстоятельствами:
1) при сканировании кусочков шерсти загрязнения могут находиться в глубине структуры ткани, и не быть обнаруженными на поверхности; 2) при стирке, вероятно, происходит перераспределение загрязнений по толщине шерстяной ткани. В связи с этим применимость поверхностного метода определения загрязненности шерсти становится сомнительной. Дополнительно было выявлено, что совместная стирка шерсти с другими видами ткани приводит к непредсказуемому изменению моющего действия. Было выдвинуто предположение, что этот эффект обусловлен переносом загрязнений от шерсти к другим тканям. Для его исключения в последующем шерсть стирали отдельно от остальных видов ткани, в результате моющее действие для нешерстяных тканей стало монотонным, что подтвердило наше предположение о роли переноса загрязнений от шерсти.
Исследование моющего действия при постоянно включенных УЗВ излучателях В данной части проводили два вида исследований: 1) Стирка экспериментальных образцов с белковым загрязнением при воздействии только УЗВ с количеством порошка, равным 25% от рекомендуемого и температурой моющего раствора 30°С, длительностью 5, 10, 15, 25 и 30 минут. Все последующие опыты проводились при тех же условиях: количестве порошка, температуре и длительности стирки.
2) Стирка экспериментальных образцов с белковым загрязнением при воздействии УЗВ и одновременной циркуляцией моющего раствора, осуществляемой погружным насосом. Циркуляционный расход (измерялся объемным методом) составлял 14.3 л/мин.
Результаты экспериментов и их обсуждение. Кинетические кривые моющего действия при обработке в УЗВ ванне без циркуляции (микромасштабные воздействия) и с циркуляцией (суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий) представлены на рисунке 2.
Из графиков на рисунке 2 видно, что для всех видов ткани моющее действие при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий (УЗВ совместно с циркуляцией) улучшается.
е/ 0) =
МУН ) М у ( )
(3)
Рисунок. 2. Кинетические кривые моющего действия при обработке в УЗВ ванне: а - бязь; б - лен; в - шифон; г- шерсть. 1 - микромасштабные воздействия; 2 - суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий.
Для оценки эффекта от суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий (УЗВ совместно с циркуляцией) по сравнению с действием одних лишь микромасштабных воздействий (УЗВ) и обобщения данных предложено три показателя эффективности.
С целью обобщения данных по различным видам тканей, и в особенности для образцов из разных партий, было предложено рассчитывать соответствующий нормированный коэффициент интенсификации моющего действия по формуле
Е (() =
Мун ) М У )
тах( МУН ) - тт( МУ )
(1)
Результаты обобщения данных по формуле (1) представлены на рисунке 3.
Как видно из графиков рисунке 3, закономерности по интенсификации моющего действия для бязи, льна и шифона поддаются обобщению, и разброс данных можно считать вполне удовлетворительным, учитывая сложность исследуемого процесса и влияние на него большого количества факторов. Линейная аппроксимация, представленная на рисунке 3 прямой 1, описывается уравнением, полученным методом наименьших квадратов: ДО = 0.072 + 0.0271:, где время t задано в минутах. Из физики процесса следует, что начальное значение полученной аппроксимации равно нулю, и для варианта с нулевым начальным значением функции Е методом наименьших квадратов получено ДО = 0.032£
В качестве характеристики эффекта от применения суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий (УЗВ плюс циркуляция) по сравнению с применением только микромасштабных воздействий (УЗВ) предложено использовать два критерия:
1) коэффициент эффективности глобальный
Рисунок. 3. Кинетические зависимости коэффициента интенсификации моющего действия при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий: а - бязь; б - лен; в - шифон; г- шерсть. 1 - линейная аппроксимация данных по бязи, льну и шифону.
Первый из этих коэффициентов характеризует улучшение моющего действия по сравнению с наилучшим эффектом при простом использовании микромасштабных воздействий (УЗВ), а второй - мгновенное улучшение моющего действия по сравнению с микромасштабными воздействиями (УЗВ) за тот же промежуток времени.
Результаты расчетов по формулам (2) и (3) приведены в таблицах 2 и 3 соответственно, из которых следует, что глобальное улучшение моющего действия для шерсти составляет примерно 1.5, для бязи и льна доходит до 2.0, а для шифона - до 2.9. Значения мгновенного коэффициента эффективности для всех тканей, кроме шерсти, в среднем монотонно увеличиваются с течением времени, доходя до 2.75 для бязи, 2.6 для льна и 5.8 для шифона. Для шерсти зависимость этого коэффициента от времени носит существенно осциллирующий характер, что можно объяснить как перераспределением загрязнений по объему ткани, так и явлением резорбции, т.е. повторного поглощения загрязнений из раствора.
Таблица 2. Зависимость глобального коэффициента эффективности суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий от времени для
Длительность стирки, мин Наименование ткани
шерсть бязь лён шифон
5 1.667 1.27 1.367 1.966
10 1.524 1.358 1.08 1.273
15 1.714 1.182 1.346 1.114
25 0.81 1.956 1.883 2.852
30 1.429 1.927 2.085 2.886
В/ (I) = Мун (?)
тах( М у )
2) коэффициент эффективности мгновенный
Таблица 3. Зависимость мгновенного коэффициента эффективности суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий от времени для ______________________четырех видов тканей. Расчет по формуле (3).
Длительность стирки, мин Наименование ткани
шерсть бязь лён шифон
5 1.667 1.450 1.367 1.966
10 4.341 1.706 1.678 1.867
15 2.571 1.227 2.364 2.178
25 1.00 1.956 2.476 3.638
30 1.667 2.750 2.631 5.773
Таким образом, при постоянной суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор моющая способность увеличивается для различных типов тканей (бязи, льна, шифона) от 2.0 до 2.9 раз, что подтверждает сделанное нами предположение о необходимости отвода загрязнений от ткани за счет конвективного массопереноса, обусловленного макромасштабными воздействиями.
Кроме того, применение суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий позволяет сократить расход моющих средств до четырех раз не только без снижения эффективности стирки, но и с одновременным повышением качества стирки в (2.0-2.9)х(0.887-0.733) = 1.466 - 2.572.
Заключение
1. При непрерывной суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор (т.е. при сочетании УЗВ и циркуляционного перемешивания) моющая способность увеличивается для различных типов тканей (бязь, лён, шифон) в 2.0-2.9 раза.
2. Исследованный метод позволяет сократить расход моющих средств до четырех раз не только без снижения эффективности стирки, но и с одновременным повышением качества стирки в 1.47-2.57 раза.
3. Для определения моющего действия шерсти, как и других материалов большой толщины, использованный в данной работе метод, по-видимому, является неприемлемым, поскольку он позволяет определять поверхностное распределение загрязнений, тогда как загрязнения в таких тканях могут распределяться (и перераспределяться) по их объему. Для таких тканей нужно использовать объемные методы определения загрязненности, либо анализировать загрязненность моющего раствора.
В настоящее время проводятся дальнейшие исследования для определения оптимального режима воздействия на моющий раствор с попеременным включением УЗВ и вспомогательного устройства для реализации макроперемешивания в соответствии с [9].
Благодарности
Авторы благодарят фонд РФФИ за финансовую поддержку данной работы (грант № 10-03-00100-а).
Литература
1. Абиев Р.Ш. Пневматические пульсации — новый эффективный и энергосберегающий способ интенсификации моющего действия // Гидравлика и пневматика. 2004. № 13-14. С. 29-31.
2. Абиев Р.Ш., Давыдов В.С., Барабаш В.М. Экспериментальное сравнение методов интенсификации моющего действия при суперпозиции микро- и макромасштабных воздействий на моющий раствор // Известия СПбГТИ(ТУ). 2010. № 9 (35). С. 60-63.
3. ГОСТ 22567.15-95 Средства моющие синтетические. Метод определения моющей способности. М., ИПК Издательство стандартов, 1999. 12 с.
4. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука 1969. 511 с.
5. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1977. С. 43.
6. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локально-изотропной турбулентности // Доклады АН СССР. 1941. Т. 32. № 1. С. 19-21.
7. Колмогоров А.Н. О дроблении капель в турбулентном потоке // Доклады АН СССР. 1949. Т.66. № 5. С. 825-828.
8. Обухов А.М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Известия АН СССР. Сер. Геогр. и геофиз. 1941. №. 4-5. С. 453-463.
9. Способ стирки: пат. № 2410479 Рос. Федерация. 2009124686/05; заявл. 29.06.2009; опубл. 27.01.2011. Бюлл. № 3, 2011.
