CC BY
11РАЗДЕЛ 3. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 534.64
ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД ПУТЕМ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, Е.В. Ильченко, Н.С. Попова, Д.В. Генне
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований, позволивших установить зависимости между электрическими параметрами пьезоэлектрических колебательных систем и мощностью кавитационного шума, возникающего при ультразвуковой обработке жидких технологических сред.
Ключевые слова: ультразвук, электронный генератор, нагрузка, контроль, кавитация.
Реализация большинства ультразвуковых (УЗ) технологических процессов в жидких средах возможна благодаря явлению кавитации. В связи с этим различают несколько режимов УЗ воздействия на жидкие технологические среды.
Докавитационный режим - реализуется при интенсивностях УЗ воздействия ниже порога зарождения кавитации. Для такого режима характерно отсутствие в жидкой среде кавтационных пузырьков.
Режим зарождения кавитации - реализуется при превышении интенсивности УЗ воздействия некоторого порогового значения (для каждой среды величина порога различна). Для такого режима характерно зарождение небольшого количества кавитационных пузырьков, которые в процессе роста не достигают своего максимального размера (эффективность кавитации невысокая).
Режим развитой кавитации - реализуется про больших интенсивностях УЗ воздействия (10-20 Вт/см2). Для такого режима характерны высокие концентрации зарождающихся кавитационных пузырьков, а так же высокая эффективность кавитации.
Зарождение и развитие в жидкой среде кавитации изменяет ее акустические свойства. При реализации режима развитой кавитации акустическое сопротивление кавитирую-щей среды в области излучателя приближается к акустическому сопротивлению газовых сред. Очевидно, что такое сильно изменение волнового сопротивления среды вблизи излучателя изменяет его механические и электромеханические параметры. Далее в работе представлены результаты исследования
влияния кавитационной активности на параметры ультразвуковых колебательных систем.
Практическую часть можно условно разбить на две части. В первой части приводятся результаты экспериментальных исследований электрических параметров пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем (УЗКС). Во второй части устанавливаются зависимости между электрическими параметрами пьезоэлектрических колебательных систем и мощностью кавитационного шума, возникающего при ультразвуковой обработке жидких технологических сред.
При проведении исследований в качестве технологических сред использовались:
- водный раствор №С1, концентрация менялась дискретно в диапазоне 0-25 % с шагом 2,5 %;
- водный раствор сахарозы, концентрация менялась дискретно в диапазоне 0-40 %, с шагом 5 %;
- водный раствор глицерина, концентрация менялась дискретно в диапазоне 0-35 %, с шагом 5 %.
В качестве источника УЗ воздействия был использован аппарат "Волна" модели УЗТА-0,4/22-ОМ [1], электрическая схема которого была дополнена контрольными точками для проведения контрольных измерений.
В основу проводимых измерений был положен анализ физической модели (эквивалентная электрическая схема), разработанной в ранних работах [2, 3, 4] по определению RLC параметров технологической среде (рисунок 1).
I______________I
Рисунок 1 - Эквивалентная электрическая схема замещения УЗКС с преобразователем пьезоэлектрического типа
В эквивалентной электрической схеме: индуктивность -0 - является эквивалентом колеблющейся массы, обусловленной собственными свойствами (инерционными) УЗ колебательной системы, электрическая емкость С0 - является эквивалентом упругости материала, из которого изготовлена УЗКС, активное сопротивление Я0 - эквивалентно сопротивлению механических потерь, ЯН - сопротивлению излучения колебательной системы, 1-1-1 - эквивалентна колеблющейся массе обрабатываемой жидкой фазы, присоединенной к излучающей поверхности, емкость СН -обусловлена наличием у обрабатываемой среды упругих свойств, С - электрическая (статическая) емкость пьезопреобразователя. Элемент Яэкв (на схеме не показан), является суммой элементов Я0 и
Методика определения КЮ элементов эквивалентной электрической схемы замещения УЗКС подробно описана в работе [1].
Результаты экспериментальных исследований были получены при кавитационной обработке водного раствора ЫаО! различных концентрации. Для раствора каждой концентрации измерения проводились на различных уровнях напряжения питания УЗКС. Ниже представлены зависимости сопротивления элемента Яэкв от напряжения питания УЗКС и при различных концентрациях растворов. Зависимости значений элементов Сн и -н в данной статье не рассматриваются, поскольку полученные в ходе экспериментов данные не имеют характерных особенностей и анализу не поддаются.
На рисунке 2 представлены кривые, иллюстрирующие зависимость сопротивления элемента Яэкв от напряжения питания УЗКС в процессе изменения концентрации раствора ЫаО!.
7030
- - В&Щук
1030
s . . . .
1*0 ISO IM ITS ISO 1»
о.«
Рисунок 2 - Зависимость активного элемента
Яэкв механической ветви УЗКС от напряжения питания УЗКС для различных концентраций раствора NaCl
Из представленных на рисунке 2 зависимостей следует, что возникающая в среде кавитация приводит к изменению активного сопротивления УЗКС при изменении напряжения её питания. Далее, по мере увеличения напряжения, значения элемента R^ (для всех концентраций раствора) стремится к одному значению. Этот факт обусловлен развитием в жидкой среде кавитации и достижением, при определенной интенсивности УЗ воздействия, режима развитой кавитации (насыщения жидкой среды парогазовыми пузырьками), которому свойственно сопротивление нагрузки Яэкв, близкое к сопротивлению газовой среды.
Еще одной особенностью представленных зависимостей является величина уровня напряжения питания УЗКС, при котором начинается спад Яэкв. Различный уровень напряжения, при котором сопротивление R^ начинает изменяться обусловлен зависимостью кавитационной прочности раствора от его концентрации. По мере увеличения концентрации раствора, растет его кавитацион-ная прочность.
Аналогичные измерения были проведены в ходе концентрирования растворов сахарозы и глицерина.
На рисунке 3 представлены зависимости сопротивления R^ от напряжения питания УЗКС, полученные для различных концентраций растворов глицерина и сахарозы.
Представленные на рисунке 3 кривые, как и для раствора NaCl, иллюстрируют убывающий характер R^, что связано с развитием в жидких средах явления кавитации по мере увеличения напряжения питания УЗКС.
Контроль кавитационной активности в ходе проведения экспериментов осуществлялся путем измерения уровня звукового давления, создаваемого кавитационным шумом. Измерения проводились с помощью шумомера-анализатора спектра "АССИСТЕНТ Б1и30" в звуковом диапазоне. Подобный метод оценки активности кавитации описан в [5], а также положен в основу принципа действия ряда кавитометров [6].
Методика проведения измерений заключалась в измерении уровня звукового давления в воздушной среде, обусловленного кавитационным шумом при работе УЗКС на различных уровнях напряжения питания УЗКС.
лялись после выхода УЗ генератора на стабильный режим работы.
Рисунок 3 - Зависимость активного элемента (^экв механической ветви УЗКС от напряжения питания УЗКС для растворов: а) глицерина б) сахарозы
Микрофон при этом располагался на расстоянии 0,3 м от УЗКС. Время экспозиции выбиралось из условия стабилизации показаний прибора и в среднем составляло 60 с. Измерения звукового давления, для каждого уровня напряжения питания УЗКС, осуществ-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 3 2015
Рисунок 4 - Эскиз экспериментальной установки
При помощи шумомера-анализатора спектра были получены значения эквивалентных уровней звукового давления кавитационного шума в третьоктавных частотных полосах со средними геометрическими частотами от 25 Гц до 20 кГц при работе ультразвукового генератора на дискретных уровнях возбуждающего напряжения от 120 до 190 В.
На рисунке 5 представлены спектры для минимального и максимального напряжений питания УЗКС.
Рисунок 5 - Спектры кавитационного шума приведенные для напряжения питания УЗКС 120 В (серый) и 190 В (черный)
Анализ полученных спектрограмм показывает, что при дискретном увеличении напряжения питания УЗКС величина эквивалентных уровней звукового давления в третьоктавных полосах, начиная с частоты 250 Гц до 2 кГц, увеличиваются не пропорционально (существенно различны) по мере увеличения напряжения питания УЗКС.
Контроль значения эквивалентного непрерывного уровня звука LAeqT при изменении напряжения питания УЗКС в диапазоне от 120 до 190 В позволил выявить следующую зависимость (рисунок 6).
и, в
Рисунок 6 - Зависимость эквивалентного непрерывного уровня звука кавитационного шума от напряжения питания УЗКС
Полученная зависимость имеет выраженный асимптотический характер, соответствующий процессу развития в жидкой среде явления кавитации.
Считая, что эквивалентный непрерывный уровень звука является мерой активности кавитации, построим график зависимости (рисунок 7) активного сопротивления механической ветви Яэкв УЗКС при работе в водной среде от уровня звука при различных напряжениях питания УЗКС.
7СОО
!Ш0
О--
81 32 83 84 85 38 87 83
1Ае(1,дБ
Рисунок 7 - Зависимость активного сопротивления механической ветви УЗКС от эквивалентного непрерывного уровня звука кавитационного шума
Полученные данные аппроксимируются линейной зависимостью, величина коэффициента детерминации равна 0,972, что позволяет сделать вывод о том, что активное сопротивление механической ветви УЗКС может быть использовано в качестве меры активности кавитации.
Ниже представлены (рисунок 8) графики зависимости эквивалентного непрерывного
уровня звука кавитационного шума в зависимости от напряжения питания УЗКС при работе в среде водных растворов сахарозы различной концентрации.
Для водного раствора сахарозы зависимость сопротивления от уровня звука также аппроксимируется линейной функцией, при этом коэффициент детерминации в зависимости от концентрации раствора принимает значения от 0,751 до 0,972.
Особенностью представленных на рисунке 8 является наличие точек излома, в которых наблюдается стремительное увеличение непрерывного эквивалентного уровня звука, при этом кривые делятся на три группы: первая для концентраций 5 % и 10 % для которых увеличение величины кавитационного шума начинается с напряжения 140 В, вторая включает графики, полученные для концентраций 0 %, 15 %, 20 %, 25 %, для которых наблюдается излом при напряжении 150 В, третья группа - кривые полученные для растворов концентрацией 30 % и 35 %, для которых характерный излом происходит на 170 В.
Рисунок 8 - Зависимость эквивалентного непрерывного уровня звука кавитационного
шума от возбуждающего напряжения при работе УЗКС в среде водного раствора сахарозы
Сопоставляя полученные графики и зависимости активного сопротивления механической ветви УЗКС от напряжения возбуждения (рисунок 3) можно заметить, что кривые на рисунке 3 располагаются в соответствующем порядке, то есть самые низкие значения наблюдаются для графиков полученных при работе УЗКС в среде растворов 5 % и 10 %, затем 0 %, 15 %, 20 %, 25 %, графики, полученные для растворов концентрацией 30 %,
35 % и 40 % лежат выше остальных графиков и их уменьшение начинается при больших уровнях возбуждающего напряжения, а именно при 160 В, в то время как остальные графики уменьшаются уже при 140-150 В.
В целом можно сделать вывод о том, что в практических целях для поддержания режима развитой кавитации могут быть использованы значения активного сопротивления механической ветви, измеренные в процессе непрерывной работы ультразвукового аппарата.
Полученные результаты экспериментальных исследований подтвердили наличие ярко выраженной зависимости между электрическими параметрами ультразвуковых колебательных систем и кавитационными явлениями, возникающими в жидких технологических средах. Результаты исследований могут быть использованы для создания систем косвенного контроля режимов кавитаци-онной обработки жидких сред при реализации в них различных технологических процессов. Создание подобных систем позволяет вывести существующее УЗ оборудование на новый технический уровень.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ультразвуковой технологический аппарат серии «Волна». URL: http://www.u-sonic.com/ catalog/apparaty_dlya_uskoreniya_protsessov_v_zhid kikh_sredakh/ultrazvukovoy_tekhnologicheskiy_appar at_serii_volna_v1/ (дата обращения: 18.05.2015).
2. Khmelev, V. N. Practical Investigations of the Method of Indirect Parameter Checkout of the Acoustic Load Parameter / V. N. Khmelev, R. V. Barsukov,
D. V. Genne, D. S. Abramenko, A. V. Shalunov,
E. V. Ilchenko // International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2011: Conference Proceedings. - Novosibirsk, NSTU. - 2011. - P. 241-244.
3. Хмелев, В. Н. Контроль параметров квитирующих жидких сред, подвергаемых ультразвуковому воздействию / В. Н. Хмелев, Р. В. Барсуков, Д. В. Генне, Д. С. Абраменко, Е. В. Ильченко // Пол-зуновский вестник. - 2012. - № 2/1. - С. 154-159.
4. Хмелев, В. Н. Пути совершенствования электронных генераторов ультразвуковых технологических аппаратов / В. Н. Хмелев, Р. В. Барсуков, Е. В. Ильченко // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 3. - С. 247-254.
5. Leonov, G. V. Modeling Of Cavitation, Initiated By Ultrasonic Oscillators / G. V. Leonov, E. I. Savina. EDM'2006.
6. Колесников, А. Е. Ультразвуковые измерения / А. Е. Колесников, - 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Изд-во стандартов, 1970. - 248 с.
Хмелёв Владимир Николаевич -
д.т.н., МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», vnh@bti.secna.ru, +7 (3854) 43-25-81.
Барсуков Роман Владиславович -к.т.н., МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», roman@bti.secna.ru, +7 (3854) 43-25-70.
Ильченко Евгений Владимирович -инженер МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», iev@bti.secna.ru, +7 (3854) 43-25-70.
Попова Наталья Сергеевна - специалист научно-исследовательского отдела ФГБОУ ВПО «АГАО», nsp.bsk@gmail.com, +7 (3854) 41-64-38.
Генне Дмитрий Владимирович -инженер МИП ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ», gdv@bti.secna.ru, +7 (3854) 43-25-81.
