VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

1. Теоретическое введение к проведению исследований

Ультразвук (УЗ) представляет собой звуковую волну диапазона от 18 кГц до 1 ГГц, который лежит за пределом чувствительности слухового аппарата человека. По своей природе УЗ волна не отличается от волн слышимого диапазона и подчиняется тем же физическим законам.

Источники ультразвуковых колебаний. В качестве источников ультразвука широкое применение нашли электроакустические преобразователи, поскольку электрическая энергия наиболее универсальна в использовании, удобна в распределении, управлении, измерении и преобразовании в другие виды. Электроакустические преобразователи в зависимости от физической природы используемого эффекта преобразования подразделяются на классы: электродинамические, электростатические, пьезоэлектрические, электромагнитные, магнитострикционные. В УЗ технологии преимущественно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи, так как они позволяют достаточно эффективно преобразовывать и излучать в нагрузку большую плотность энергии.

Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэффект. Основные пьезо-материалы. Взаимодействие внешнего электрического поля с дипольными моментами пьезоэлектрического материала приводит к перемещению ионов в его кристаллах. Это явление сопровождается деформацией кристаллов и называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Если тот же самый кристалл деформировать, то произойдёт обратное - изменится расположение ионов, а также величина и направление дипольного момента. При этом на поверхности кристалла появляются заряды, что называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Количественно пьезоэффект характеризуется относительным изменением линейных размеров при наложении электрического поля. Математически он выражается частным от деления относительного изменения геометрических размеров на приложенное напряжение U. Эта величина называется пьезоэлектрической постоянной.

Пьезоэлектрический эффект хорошо проявляется у природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или сегнетовой соли, а также у некоторых керамических материалов (например, у титаната бария - ВаТiО₃; цирконата-титаната свинца - ЦТС). Переменное электрическое поле частоты желаемого ультразвука подается через напыленные металлические электроды, располагающиеся на противоположных гранях образца, изготовленного определенным образом из пьезоэлектрика. При этом возникают механические колебания, которые и распространяются в виде ультразвука в сопредельной жидкой или твердотельной среде. Пьезоэлектрические преобразователи в виде тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные ультразвуковые волны частотой до 1…3 МГц (в лабораторных условиях получены частоты до 1000 МГц). Длина ультразвуковой волны (обратно пропорциональная частоте) очень мала, поэтому из таких волн, как и из световых, можно формировать узконаправленные пучки. Достоинство керамических пьезоэлектриков состоит в том, что из них можно отливать, прессовать или получать выдавливанием преобразователи разных размеров и форм. Преобразователь, выполненный в виде чаши сферического контура, способен сфокусировать ультразвуковое излучение в малое пятно очень большой интенсивности. Ультразвуковые линзы фокусируют звуковые волны так же, как лупы фокусируют свет.

Пьезокерамика обладает высоким пьезомодулем, значительной диэлектрической проницаемостью, малой гигроскопичностью, сравнительно большой механической и электрической прочностью. Однако, ей свойственно старение, т.е. изменение основных параметров со временем

Основными параметрами и характеристиками пьезокерамики, определяющими её использование в качестве УЗ преобразователей, являются пьезомодуль d₃₃; диэлектрическая проницаемость ; модуль Юнга Е; тангенс угла диэлектрических потерь ; зависимость d₃₃, и от температуры; зависимость d₃₃, и от напряжённости электрического поля; стабильность физических параметров во времени. Эти параметры можно найти в соответствующих справочниках.

Рис. 1. Наиболее распространённые типы пьезоизлучателей:

а – полуволновый; б – четвертьволновый; в – многослойный.

Типы пьезоэлектрических преобразователей (излучателей). Пьезоэлектрические преобразователи, используемые в УЗ установках, являются, как правило, резонансными системами, работающими на частотах основного резонанса. Существует три основных типа пьезоэлектрических излучателей ультразвука (см. рис. 1).

Широко распространённый полуволновый излучатель (рис. 1, а) состоит из пластины пьезоматериала круглой, кольцевидной, прямоугольной или иной формы; толщина пластины на частоте основного резонанса f₀ определяется выражением:

(1)

где λ - длина звуковой волны в материале преобразователя, м; с – скорость распространения звука в данном материале, м/с.

Интенсивность колебаний полуволнового преобразователя с односторонним излучением определяется выражением:

(2)

где Рак – удельная акустическая мощность (интенсивность) излучения, Вт/м²; Рак – полная акустическая мощность, Вт; k_i – коэффициент (4 – для полуволнового преобразователя); U – действующее значение напряжения на преобразователе, В; d33 – пьезомодуль по толщине преобразователя, Кл/Н; Е – модуль упругости (Юнга), Па; - механико-акустический КПД преобразователя (обычно 0,75…..0,8); - волновое сопротивление среды, кг/(м²·с).

При расчёте полуволнового преобразователя с односторонним излучением исходными данными для расчёта являются: геометрические размеры, физические параметры применяемого пьезоматериала и удельная акустическая мощность. Удельную акустическую мощность Рак для пьезокерамики, используемой в диапазоне f₀ = 300….1000 кГц, обычно принимают равной 5 Вт/см².

Воздействие ультразвука на среду порождает большое количество специфических эффектов, среди которых необходимо выделить явление ультразвуковой (акустической) кавитации в жидкости. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. При распространении в жидкости ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности возникает переменное звуковое давление. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки называются кавитационные, а само явление - УЗ кавитация.

Явление УЗ кавитации используется чрезвычайно разнообразно: его применяют для получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения вредоносных микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов, очистки деталей машин и механизмов, диспергирования твёрдых тел и жидкостей.

Диспергирование (распыление) жидкостей с помощью ультразвука.

УЗ распыление жидкостей является одним из перспективных направлений УЗ технологий. Основным преимуществом данного способа распыления, по сравнению с традиционными, является низкая энергоемкость и высокая производительность процесса.

Различают распыление низкочастотными (22….200 кГц) и высокочастотными (1…3 МГц) УЗ колебаниями. Первый способ наиболее приемлем для промышленного применения, т.к. он обладает большей производительностью, а размеры капель формируемого аэрозоля в большинстве случаев удовлетворяют заданным условиям. В частности, распыление жидкостей с высокой вязкостью возможно исключительно низкочастотными УЗ колебаниями из-за аномально высокого затухания высокочастотных колебаний в таких средах.

С помощью высокочастотных (1…3 МГц) УЗ колебаний осуществляют распыление «в фонтане», как правило, на частотах 1,7 МГц или 2,4 МГц. Данный способ применен в современных ингаляторах, где раствор медицинских лекарств превращается в высококачественный аэрозоль. В последние годы в России появилось большое количество бытовых (домашних) увлажнителей воздуха, а также декоративных установок типа «туман из фонтанчика» - все они работают по принципу УЗ распыления «в фонтане». Суть данного явления следующая. Если УЗ волна интенсивностью порядка 5…10 Вт/см² направлена из толщи жидкости к поверхности, то в месте выхода волны на поверхности жидкости наблюдается характерное явление – так называемый «ультразвуковой фонтан», высотой от 1…2 см; причём, в определённых условиях, одновременно с фонтанированием жидкости происходит её распыление с образованием стойкого мелкодисперсного аэрозоля (рис. 2). Аэрозолеобразование происходит в верхней части фонтана в силу наличия в нём развитой УЗ кавитации. Под действием гидравлических ударов при захлопывании кавитационных пузырьков, на поверхности УЗ фонтана возбуждаются стоячие капиллярные волны, от которых происходит отделение капель, и формируется аэрозоль.

Увлажнение воздуха. H – d диаграмма влажного воздуха. Как известно, чистый воздух приземного слоя Земной атмосферы представляет собой смесь нескольких газов и водяного пара, что в совокупности принято называть влажным воздухом. Физические свойства влажного воздуха характеризуются параметрами его состояния, к которым относятся температура по сухому и мокрому термометрам, температура точки росы, влагосодержание, относительная влажность воздуха, плотность, энтальпия, полное давление влажного воздуха, парциальное давление водяного пара. Во многих сельскохозяйственных технологических процессах огромную роль играет контроль двух параметров из приведённого выше перечня – это температура по сухому термометру и относительная влажность воздуха. Рассмотрим подробнее последний параметр.

В целом, влажность воздуха характеризуется массой содержащейся в нём влаги. Массу влаги, приходящуюся на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием (г/кг). Процесс увеличения влагосодержания воздуха иначе можно назвать увлажнением. Так как влагосодержание воздуха при данной температуре может изменяться от 0 до некоторой максимальной величины, то для характеристики степени увлажнения воздуха используется показатель относительной влажности воздуха.

Относительной влажностью воздуха φ называют отношение парциального давления водяного пара Р_п, содержащегося в воздухе, к парциальному давлению насыщенного водяного пара Р_н при той же температуре:

(3)

Относительная влажность выражается в долях единицы или процентах и показывает степень приближения содержащегося во влажном воздухе водяного пара к состоянию насыщенияпри данной температуре. Для сухого воздуха φ = 0; для влажного, в котором водяной пар содержится в насыщенном состоянии, φ = 1.

В инженерных расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления приходится сталкиваться с тем, что состояние влажного воздуха изменяется. Для ускорения расчётов и более наглядного представления процессов, происходящих во влажном воздухе, Л.К. Рамзиным была предложена диаграмма состояния влажного воздуха - H – d диаграмма [1]. Она является графическим представлением зависимости энтальпии H воздуха от его влагосодержания d. Особенностью диаграммы является то, что построена она в косоугольной системе координат; это позволяет увеличить площадь рабочего поля, и обеспечивает большую наглядность.

В H – d – диаграмме по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, а по оси ординат - энтальпия H (полная энергия, связанная с данным состоянием тела; кДж/кг) влажного воздуха. Начало координат соответствует состоянию сухого воздуха, имеющего температуру 0 °С и, следовательно, d = 0, H = 0. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых на H – d - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат. При таком расположении осей координат линии H = const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат. Линии d = const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на H – d.-диаграмме наносят изотермы t_сух. = const, t_мокр. = const в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от φ = 5% до φ = 100%). Линии постоянных значений относительной влажности строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе (РП) меньше атмосферного давления (Р). В тот момент, когда РП станет равным Р, эти линии теряют физический смысл. Кривая постоянной относительной влажности φ = 100% делит всю диаграмму на две части. Та её часть, которая расположена выше этой линии – область ненасыщенного влажного воздуха, где пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии φ = 100% - область насыщенного влажного воздуха. Так как при 100% относительной влажности воздуха показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t_сух. = t_мокр., соответствующие изотермы пересекаются на линии φ = 100%. Последняя является геометрическим местом точек, соответствующих насыщенному состоянию пара в воздухе.

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность - φ , энтальпию воздуха - H; парциальное давление пара – РП, температуру точки росы.

2. Цель работы

1.Изучить процесс распыления жидкости «в ультразвуковом фонтане», используя

полуволновый пьезоэлектрический излучатель ультразвуковых колебаний.

2. Используя лабораторный увлажнитель, получить поток мелкодисперсного аэрозоля и

определить величину удельных энергозатрат процесса аэрозолеобразования. Сравнить

полученный результат с величиной удельных энергозатрат других способов распыления

жидкости; сделать соответствующие выводы.

3. Произвести увлажнение изолированного объёма воздуха аэрозолем, доведя влажность до стопроцентной. Научиться определять по диаграмме Рамзина основные параметры

влажного воздуха, если известны два из них.

3. Описание экспериментальной установки

Для получения аэрозоля с помощью УЗ распыления «в фонтане» использован лабораторный увлажнитель воздуха (рис. 3). Аппарат состоит из резервуара для жидкости (2, рис. 3), в стенку которого вмонтирован патрубок для выхода потока аэрозоля; источника УЗ колебаний (1); генератора тока высокой частоты (5) с блоком питания (4); вентилятора с патрубком (3). Внутри резервуара, на уровне выходного патрубка, с помощью пьезоэлектрического преобразователя создаётся «ультразвуковой фонтан», сопровождающийся непрерывным образованием аэрозоля. Работающий вентилятор образует слабый воздушный поток, который движется внутри резервуара (в зоне распыления) и покидает последний через выходной патрубок, унося с собой практически всю туманообразную фракцию.

В качестве источника ультразвука используется пьезоэлектрический преобразователь (рис. 3,4,5). Он состоит из корпуса (3, рис.4) и пьезокерамического диска (2), который фиксируется на этом корпусе с помощью кольца (1). При подведении к пьезокерамическому диску переменного напряжения 16…24 В с частотой порядка 1,7 МГц наблюдается обратный пьезоэффект: диск начинает колебаться с частотой тока, порождая, тем самым, ультразвуковую волну. Поместив преобразователь в сосуд с водой и подключив его к генератору тока высокой частоты (ТВЧ), образуется «УЗ фонтан» (схематически изображено на рис. 5).

Изолированным объёмом воздуха является 0,21 м³ воздушного пространства внутри контрольной камеры, имеющей форму параллелепипеда. Во избежание адсорбции влаги материалом камеры, внутренняя её поверхность покрыта гидроизоляционным материалом.

Для увлажнения данного объёма воздуха используется аэрозоль, генерируемый лабораторным увлажнителем. Аэрозоль вводится внутрь камеры под слабым избыточным давлением из гибкого трубопровода, соединяющего выпускной патрубок увлажнителя и входное отверстие контрольной камеры. Равномерное распределение влаги в камере обеспечивается осевым вентилятором, который в момент проведения опыта находится внутри неё. Измерение температуры и относительной влажности воздуха в камере производится приборами, закреплёнными на внутренней поверхности её передней стенки.

Рис. 5. Схема формирования «УЗ фонтана»

4. Методика проведения работы и обработки экспериментальных данных

1. Собрать увлажнитель. Для этого пьезоэлектрический преобразователь поместить на дно резервуара пьезокерамической пластиной кверху. Провод питания при этом уложить в прорезь, выполненную в горловине резервуара. Налить в резервуар воду до уровня на 25…35 мм выше плоскости пьезокерамической пластины. Закрепить вентилятор с патрубком на корпусе (резервуаре), осуществив свинчивание резьбовых частей обоих элементов.

2. Соблюдая полярность, подсоединить к проводу электропитания вентилятора провод от источника постоянного тока напряжением 10…15 В.

3. Присоединить к генератору тока высокой частоты штекеры пьезоэлектрического преобразователя и блока питания.

4. Для определения энергопотребления увлажнителя собрать элементы установки в электрическую схему (рис. 6).

Рис. 6 Электрическая схема подключения увлажнителя:

ИП 1 – источник питания вентилятора; ИП 2 – блок питания генератора ТВЧ

5. Поместить вентилятор на дно контрольной камеры таким образом, чтобы воздушный поток был направлен вертикально вверх. Провод электропитания вентилятора вывести из контрольной камеры наружу через входное отверстие.

6. Плотно закрыть верхние створки контрольной камеры.

7. Установить увлажнитель на рабочем месте таким образом, чтобы его выпускной патрубок не был направлен в сторону электроприборов. Первоначально к ваттметру (W) подключить только блок питания генератора ТВЧ (ИП 2) и всю схему подсоединить к сети 220 В переменного тока. Перевести движок «вкл./выкл.» генератора ТВЧ в положение «ОN»; произойдёт включение пьезоэлектрического преобразователя. Cквозь прозрачную стенку резервуара увлажнителя можно наблюдать «УЗ фонтан». Одновременно с фонтанированием будет происходить распыление воды. При неработающем вентиляторе из увлажнителя будет выделяться самая мелкодисперсная фракция образующегося аэрозоля, самостоятельно «вытекая» из выходного патрубка в виде струи тумана в количестве порядка 100 граммов в час.

8.Параллельно (ИП2) к ваттметру подключить источник питания вентилятора (ИП). При этом вентилятор заработает, и практически вся туманообразная фракция аэрозоля под напором будет покидать аппарат через выходной патрубок. Если на вентилятор подано постоянное напряжение 10…15 В, то производительность увлажнителя составляет около 350 граммов аэрозоля в час. Определить по ваттметру мощность, потребляемую увлажнителем из сети, и вычислить по формуле (1) величину его удельных энергозатрат (кВт-ч на 1 кг аэрозоля).

(1)

где , , соответственно удельные энергозатраты, ; мощность, потребляемая увлажнителем из сети, кВт; максимальная производительность увлажнителя (0,35 кг/ч).

Сравнив полученный результат с энергозатратами других увлажнителей и сделать соответствующие выводы.

9. Снять показания термометра и гигрометра контрольной камеры.

10. Включить вентилятор. Подключить к электросети увлажнитель, зафиксировать время, чтобы использовать данную отметку, как стартовую, для отсчёта последующих двухминутных интервалов. При работающем увлажнителе каждые 2 минуты фиксировать показания термометра и гигрометра (продолжительность опыта – 14 мин.).

11. Определив температуру и относительную влажность воздуха экспериментальной камеры, отметить на диаграмме Рамзина 8 точек, соответствующих состоянию воздуха в камере на момент каждого замера.

12. Определить по диаграмме для каждого из восьми состояний воздуха его энтальпию и влагосодержание. Проанализировать полученные данные.

13. Составить отчет.

Контрольные вопросы

2. Какие источники ультразвука существуют? Суть прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта?

3. Что называется УЗ кавитацией? В чём заключается принцип распыления жидкости (воды) в «УЗ фонтане»?

4. Какие диапазоны частоты УЗ колебаний используют для распыления жидкости в промышленности?

5. Как определить интенсивность колебаний полуволнового преобразователя с односторонним излучением?

6. Основные типы пьезоэлектрических излучателей ультразвука.

7. Чему равна удельная акустическая мощность Р для пьезокерамики, используемой в диапазоне f₀ = 300….1000 кГц?

8. Из каких элементов состоит лабораторный увлажнитель воздуха?

9. Как вычислить величину удельных энергозатрат распыления жидкости (воды) в «УЗ фонтане»?

10. На какие области делит кривая постоянной относительной влажности φ = 100% Н – d – диаграмму влажного воздуха?

11. Что называется влагосодержанием?

12. Что называется относительной влажностью воздуха?

14. Как с использованием диаграммы влажного воздуха определить температуру точки росы?

15. Практическое применение проведенных исследований в практике производства АПК

Литература

1. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопрользовании: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2012. – 242 с.

2. Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2012. – 242 с.

Беззубцева М.М., Ковалев М.Э. Электротехнологии переработки и хранения продукции в АПК. – СПб.: СПбГАУ, 2012. –280с.

3. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства/ В. М. Свистунов, Н. К. Пушняков. - СПб. : Политехника, 2001. - 421 с.

4. Ультразвуковые электротехнологические установки / А.В. Донской, О.К. Келлер, Г.С. Кратыш. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.- 208 с., ил.

Код для цитирования: Скопировать