CC BY
22
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
УДК 542.6.063 DOI: 10.17213/0321-2653-2017-4-107-111
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ В СЛОЕ
© 2017г. Е.С. Алексюнин1, А.А. Панин1, Е.А. Панин1, В.П. Попов2
1НКТБ «Пьезоприбор», Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия, 2Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
TECHNOLOGICAL PECULIARITIES OF LAYER LIQUID PULVERIZATION DEVICES DESIGH
E.S. Aleksunin1, A.A. Panich1, E.A. Panich1, V.P. Popov2
Scientific design-engineering office «Piezopribor», Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Алексюнин Евгений Сергеевич - начальник сектора, НКТБ «Пьезоприбор», Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: aleksunin@gmail.com
Панич Александр Анатольевич - д-р техн. наук, профессор, директор-главный конструктор, НКТБ «Пьезоприбор», Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: piezo@sfedu.ru
Панич Евгений Анатольевич - начальник отдела, НКТБ «Пьезоприбор», Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: piezo@sfedu.ru
Попов Виктор Павлович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Физика и электроника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: popovnpi@gmail. com
Aleksunin Eugene Sergeevich - chief of a sector, Science design technology bureau «Piezopribor», Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: aleksunin@gmail.com
Panich Alexander Anatolyevich - Doctor of Technical Sciences, professor, director-head constructor, Science design technology bureau «Piezopribor», Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: piezo@sfedu.ru
Panich Eugene Anatolyevich - head of laboratory, Science design technology bureau «Piezopribor», Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: piezo@sfedu.ru
Popov Victor Pavlovich - Doctor of Technical Sciences, professor department «Physics and electronics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: popovnpi@gmail.com
Рассматриваются вопросы проектирования ультразвуковых устройств для распыления жидких сред, применяемых в различных химических технологиях, таких как микрообработка жидкостями. Современные технологические процессы требуют распыления жидкостей с минимально возможной дисперсностью капель и монохроматичностью состава. Эти показатели достигаются благодаря особой технологии при проектировании таких распылительных систем. В представленном обзоре охарактеризованы основные наиболее эффективные подходы к проектированию подобных устройств. Кратко представлен теоретический анализ механизмов каплеобразования. Приводятся примеры математического моделирования и анализируются способы создания наиболее эффективных с точки зрения последующей эксплуатации конструкций.
Ключевые слова: распыление; ультразвук; жидкая среда; слой жидкости; микрообработка поверхности; аэрозоль.
The article considers a creation of ultrasonic devices for pulverization of liquids for chemical technologies as microprocessing by liquids. The contemporary technological processes uses pulverization with a minimum drop size and homogeneous of composition. These conditions achieves by special technology of constructions of pulverization systems. The article characterizes the basic effective methods to project so devices. It is shows theory analysis drop creation mechanisms. Moreover, these article shows the mathematical modeling examples and analysis methods of creation more effective constructions for future manufacturing.
Keywords: pulverization; ultrasonic; liquid environment; liquid layer; surface microprocessing; aerosol.
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2017. № 4
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
В настоящее время во многих технологических процессах возникает необходимость распыления различных жидкостей и их смесей. Такие процессы востребованы в технологиях нанесения покрытий, микрообработке жидкостями различных поверхностей, химических технологиях, медицине. Одним из эффективных способов распыления является распыление в слое.
При распылении жидкости в слое аэрозоль образуется на поверхности слоя жидкости, разлитого на нормально колеблющейся поверхности излучателя. В работе [1] показано, что механизмы образования аэрозоля при распылении жидкости в слое низкочастотными ультразвуковыми колебаниями бывают разные:
1) разрушение резонансных парогазовых пузырьков, пульсирующих вблизи поверхности жидкости;
2) воздействие ударных волн, образующихся в результате захлопывания кавитацион-ных полостей у поверхности раздела жидкость -газ;
3) выплескивание жидкости над парогазовыми пузырьками, колеблющимися как единое целое у её поверхности;
4) отрыв капелек жидкости от гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности полусферических выступов, образованных парогазовыми пузырьками, пульсирующими у поверхности жидкости;
5) отрыв капелек жидкости от гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности жидкости при отсутствии пузырьков.
Вклад каждого из перечисленных механизмов каплеобразования в общее количество аэрозоля неодинаков. Основная часть аэрозоля образуется пятым, в какой-то степени четвертым способами, т.е. в результате отделения капель от гребней капиллярных волн конечной амплитуды. При распылении жидкости, обладающей большой вязкостью, основным бывает четвертый механизм. Соответственно при проектировании устройств необходимо учитывать эти механизмы каплеобразования с точки зрения конечной эф-фективности процесса распыления, формы распыляющего устройства и вязкости жидкости.
В зависимости от коэффициентов поверхностного натяжения жидкости, добротности металла, с которым жёстко соединена керамика, задача оптимизации конструкции является многопараметрической и, следовательно, не одноз-
начной. То есть нельзя просто рассчитать наилучшую конструкцию как некую абстрактную математическую конструкцию вообще без привлечения дополнительных критериев оптимизации, связанных с вопросами ее практической реализации. Поэтому алгоритмы оптимизации для разных конструкций различны и осуществляются с привлечением дополнительных соображений физического и технического характера. То есть в каждом отдельном случае оптимизация - это довольно трудоемкий процесс, который нельзя просто передоверить ЭВМ, используя тот или иной алгоритм. Поэтому здесь мы перечислим только наиболее общие шаги оптимизации, применяемые нами в работе.
Распылительная система, как правило, состоит из пьезоэлемента, преобразователя-концентратора и системы подачи жидкости. Распыление жидкости в слое осуществляется с помощью колеблющегося преобразователя-концентратора. Преобразователь-концентратор состоит из пьезокерамического элемента и присоединенного к нему либо жестко приклеенного концентратора, изготовленного из металла с высокой добротностью. Обычно в качестве концентраторов используют дюралюминий или титан. Формы этих металлических концентраторов, так же как и формы пьезоэлементов, могут быть различными. Используя те или иные соображения [2-3], задаем форму концентратора с заданными начальными размерами. Для концентратора с помощью модального анализа ANSYS решается задача на собственные значения в широком интервале частот.
Из полученного спектра частот выбираются: во-первых, частоты из определенного подходящего интервала частот; во-вторых, частоты, достаточно удаленные друг от друга; в-третьих, отбираются частоты, моды колебаний которых наиболее подходят для решения основной задачи - распыление жидкости у вершины концентратора. Таким образом, исключаются из рассмотрения моды с продольными деформациями клина, а также моды с малым отношением деформации клина к деформации основания.
На рис. 1 для примера показаны формы деформаций концентратора для различных мод колебаний. Так мода 1 вполне подходящая, но имеет слишком низкую частоту, мода 2 имеет большую продольную составляющую колебаний клина и малую радиальную. Наиболее удовлетворяющая нас по всем параметрам мода - мода 3, так как она имеет достаточно высокую частоту,
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
рядом отсутствуют другие частоты, и, при этом, имеет большую амплитуду колебаний.
Для оставленных мод колебаний при необходимости производится оптимизация размеров концентратора с целью получения наилучших мод с точки зрения основной задачи - интенсивные радиальные колебания вблизи вершины клина. Здесь обязательно нужно просматривать и соседние моды, поскольку при изменении размеров соотношение между модами в смысле их полезности может измениться.
F1= 122,8кГц F2 = 136,2 кГц F3 = 393,2 кГц
Рис. 1. Различные моды колебаний концентратора / Fig. 1. Differrent oscillation modes of concentrator
Следующий шаг - присоединение пьезоке-рамики к рассчитанному концентратору и вновь нахождение спектра частот этой новой системы. Добавление нового элемента к колеблющейся системе естественно изменит как частоты, так и формы колебаний [4-7]. Однако, поскольку функциональные (опорные) частоты уже выявлены, новый модальный анализ позволяет проследить их корректировку при изменении размеров пьезокерамического элемента.
На рис. 2 представлены некоторые скорректированные моды концентратора при добавлении пьезокерамики. Из этих рисунков, а также с помощью дополнительного средства ANSYS -анимации различных полей, в принципе, можно увидеть тип колебаний в пьезокерамике, а следовательно, определиться со способом её возбуждения, т.е. направлением остаточной поляризации в пьезоэлементе и расположением возбуждающих электродов по отношению к оси поляризации.
Возможные типы колебаний - это радиальные, толщинные, сдвиговые или суперпозиция перечисленных типов. Дополнительным средством управления видом возбуждаемых в пьезокерамике колебаний является еще форма и количество электродов, а также, возможно, и создание неоднородной поляризации в пьезоэле-менте.
Рис. 2. Моды концентратора, соединённые с пьезокерамикой / Fig. 2. Oscillation modes compared with piezoceramics
Следует отметить, что резонансы в модальном анализе ANSYS соответствуют коротко-замкнутым электродам, а антирезонансы - разомкнутым электродам. Проводя поочередно модальный анализ для этих двух видов граничных условий, можно уже на этом этапе определиться и с величиной ожидаемого коэффициента электромеханической связи, который характеризует эффективность преобразования электрической энергии в механическую. Необходимо также учитывать, что изначальное введение аксиальной симметрии конструкции в целом в формализме ANSYS предполагает и аксиальную симметрию полученных решений, т.е. всех полевых величин.
Таким образом, из рассмотрения выпадает целый ряд таких экзотических мод, как, например, диаметральные моды. Чтобы их увидеть, необходимо рассчитывать трёхмерную модель конструкции, что значительно увеличивает время расчетов. Однако эти моды трудновозбудимы в рассматриваемых конструкциях и не представляют интереса. Определившись с опорной частотой, направлением поляризации и электродами, можно приступить к дальнейшей оптимизации конструкции с помощью гармонического анализа ANSYS.
Пути и методы окончательной оптимизации столь многочисленны и различны, что перечислить их в этом обзоре алгоритмов оптимизации не представляется возможным и не имеет смысла, поскольку этот этап и его результаты в значительной мере определяются опытом и интуицией исследователя.
В результате испытаний различных конструкций и обслуживающей электроники были сделаны выводы о необходимости изменения критериев оптимизации. Считалось, что с точки зрения электроники важно, чтобы рабочий резонанс конструкции был изолированным и электромеханический коэффициент связи пьезопре-
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2017. № 4
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
образователя в составе конструкции имел достаточно большую величину (> 0,2). Однако при испытаниях выяснилось, что эти критерии не являются оптимальными. На первый план выходит оценка критерия нагружаемости преобразователя. Под нагружаемостью имеется в виду заметное изменение сопротивления нагрузки при подаче жидкости на резонансе. На резонансах, которые для процесса распыления являются нерабочими, сопротивление нагрузки практически не изменяется. На том же резонансе, при котором наблюдается заметное изменение нагрузки, и происходит эффективное распыление.
При подаче на частоте резонанса электрического сигнала с генератора на пьезоэлемент возбуждаются колебания, которые передаются на металлический концентратор. Распыление происходит обычно не со всей площади преобразователя-концентратора, а с какой-то определенной зоны, например, с кромки концентратора. Частота, на которой достигается резонанс, в каждом случае может быть разная, в зависимости от параметров пьезокерамики и формы концентратора. Опытным путем установлено, что на частотах до 100 кГц генерируемый аэрозоль на выходе имеет слишком крупные капли (более 100 мкм). Кроме того, происходят разрушения самих концентраторов и пьезокерамических элементов. Поэтому разработчики стремятся к созданию высокочастотных (более 100 кГц) преобразователей-концентраторов с крупногабаритными пьезоэлементами и активной зоной распыления с большой амплитудой колебательной скорости.
На рис. 3 показана одна из конструкций, у которой частота резонанса составляет 146 кГц. Распыление жидкости происходит с верхней кромки концентратора.
Рис. 3. Конструкция преобразователя-концентратора с частотой резонанса 146 кГц и макетные образцы конструкции / Fig. 3. The construction of concentrator converter hub with resonance frequency 146 kHz and layout of constructions
Данный вид колебаний кромки является наиболее типичным для частот свыше 100 кГц. С помощью данного преобразователя-концентра-
тора удается получить аэрозоль с дисперсностью < 10 мкм при производительности 7 - 10 мл/мин.
Распыление жидкости в конструируемых устройствах происходит в тонком слое вблизи вершины клина. Естественно, что вид колебаний в этой области концентратора существенно определяет нагружаемость устройства, т.е. его взаимодействие с жидкостью (способность передачи механической энергии в нее). В экспериментах было замечено, что некоторые резонан-сы, хорошо удовлетворяющие ранее применявшимся критериям оптимизации, плохо нагружаются на жидкость. Другие же резонансы, может быть, и в меньшей степени удовлетворяющие критериям оптимизации, хорошо нагружаются. Полностью объяснить этот факт теоретически с привлечением всего комплекса условий работы преобразователя - концентратора, важнейшим среди которых является способ подачи жидкости к области распыления, затруднительно. Здесь мы ограничимся лишь некоторыми качественными рассуждениями. Как уже упоминалось выше, сведение краевой задачи к осесимметричной накладывает ограничения на вид получаемых решений, т.е. на собственные формы колебаний концентратора - преобразователя, которые, таким образом, также должны быть осесиммет-ричными. С одной стороны, при этом отбрасываются некоторые, например, диаметральные моды колебаний, которые, однако, не могут быть возбуждены в рассматриваемых устройствах. Но, с другой стороны, дополнительное условие симметрии может привести к вырожденности собственных решений краевой задачи. Иначе говоря, несколько близких неосесимметричных мод вида F(r,ф) объединяются в решение вида А-Ф(г).
Наиболее подходящей моделью нагруже-ния является слой жидкости, со всех сторон окружающей острие концентратора. На границе контакта металла с жидкостью добавляются дополнительные конечные элементы, обеспечивающие интерфейс упругое тело - жидкость. На свободной поверхности жидкости можно поставить или импедансные граничные условия, или же окружить ее специальными конечными элементами, моделирующими уход акустической волны из объема жидкости на бесконечность. В обоих случаях граничных условий варьируются параметры жидкости с целью получения наилучшего совпадения расчетных данных с экспериментом (сравниваются амплитудно-частотные характеристики импеданса преобразователя для нагруженного и ненагруженного концентратора).
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
Выяснилось, что наиболее адекватны реальному нагружению преобразователя-концентратора следующие параметры жидкостного слоя:
- плотность жидкости 1000 кг/м3;
- ширина слоя жидкости 4 мм;
- жидкость выступает над клином на 0,01 мм;
- глубина погружения клина в жидкость 1 мм.
Эта модель нагрузки была применена для расчета [8] и разработки многих конструкций [9 - 11] и вполне себя оправдала.
Литература
1. Розенберг Л.Д. Фокусирующие излучатели ультразвука // Источники мощного ультразвука. Ч. 3. М.: Наука, 1967.
2. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1959. 331 с.
3. Харкевич А.А. Теория электроакустических преобразователей. Волновые процессы. Т. 1. М.: Наука, 1973. 398 с.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
4. Экнадиосянц О.К. Получение аэрозолей // Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. Ч. 5. М.: Наука, 1970. 687 c.
5. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977. 336 с.
6. Матаушек И. Ультразвуковая техника. М.: Металлургиз-дат, 1962. 278 с.
7. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1976. 320 с.
8. Митько В.Н., Крамаров Ю.А., Панич А.А. Математическое моделирование физических процессов в пьезоэлектрическом приборостроении. Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009. 240 с.
9. Патент РФ №2228578 RU: МПК H04R17/00, Электроакустический преобразователь / Ю.А. Крамаров, Е.А. Мокров, А.А. Панич / Заявл. 21.10.2002; опубл. 10.05.2004.
10. Патент РФ №2264868 RU: МПК В05В17/06 Способ распыления жидкости и устройство для его осуществления / Ю.А. Крамаров, А.А. Панич / Заявл. 25.03.2004; опубл. 20.10.2004.
11. Патент РФ №2302709 RU: МПК H04R17/00 B06B1/06 Пьезоэлектрический электроакустический преобразователь / Ю.А. Крамаров, Б.В. Запорожец, А.Л. Крутов, А.А. Панич / Заявл. 26.09.2003; опубл. 27.03.2005.
References
1. Rozenberg L.D. Fokusiruyushchie izluchateli ul'trazvuka. Vkn. «Istochniki moshchnogo ul'trazvuka» [Ultrasonic focusing radiators. In issue "Sources of high-intensity ultrasound"]. Moscow, «Nauka» Publ., Part III, 1967.
2. Teumin I.I. Ul'trazvukovye kolebatel'nye sistemy [Ultrasonic oscillation systems]. Moscow, Mashgiz Publ., 1959, 331 p.
3. Kharkevich A.A. Teoriya elektroakusticheskikh preobrazovatelei. Volnovye protsessy [The theory of electroacoustic transducers. Wave processes]. Moscow, Nauka Publ., Vol.1, 1973, 398 p.
4. Eknadiosyants O.K. Poluchenie aerozolei. V kn.: Fizika i tekhnika moshchnogo ul'trazvuka, «Fizicheskie osnovy ul'trazvukovoi tekhnologii» [Preparation of aerosols. In the book.: "Physics and technology of high-power ultrasound. Physical basis of ultrasound technology"]. Moscow, Nauka Publ., part V, 1970, 687 p.
5. Kanevskii I.N. Fokusirovanie zvukovykh i ul'trazvukovykh voln [Focusing sonic and ultrasonic waves]. Moscow, Nauka Publ., 1977, 336 p.
6. Mataushek I. Ul'trazvukovaya tekhnika [Ultrasonic technique]. Moscow, Metallurgizdat, 1962, 278 p.
7. Gershgal D.A., Fridman V.M. Ul'trazvukovaya tekhnologicheskaya apparatura [Ultrasonic technology equipment]. Moscow, Energiya Publ., 1976, 320 p.
8. Mit'ko V.N., Kramarov Yu.A., Panich A.A. Matematicheskoe modelirovanie fizicheskikh protsessov v p'ezoelektricheskom priborostroenii [Mathematic modeling of physical processes in piezoelectric instrumentation]. Rostov-on-Don, Izd-vo YuFU, 2009, 240 p.
9. Kramarov Yu.A., Mokrov E.A., Panich A.A. Elektroakusticheskii preobrazovatel' [Electroacoustic transducer]. Patent RF, no. 2228578, 2004.
10. Kramarov Yu.A., Panich A.A. Sposob raspyleniya zhidkosti i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [A method of spraying liquids and device for its implementation]. Patent RF, no. 2264868, 2004.
11. Kramarov Yu.A., Zaporozhets B.V., Krutov A.L., Panich A.A. P'ezoelektricheskii elektroakusticheskii preobrazovatel' [The piezoelectric electroacoustic transducer]. Patent RF, no. 2302709, 2005.
Поступила в редакцию /Received 06 июня 2017 г. / June 06, 2017
