Акустическая коагуляция аэрозолей (стр. 1 из 3)
U-Sonic.ru – Лаборатория акустических процессов и аппаратов
АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, Р.В. БАРСУКОВ, С.Н. ЦЫГАНОК, Д.С. АБРАМЕНКО
Бийский технологический институт (филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный
технический университет им. И.И. Ползунова»
Современные тенденции развития общества, связанные с большим распространением потенциально опасных производств и постоянно возникающей угрозой террористических актов связанных с распылением ядовитых веществ в местах проживания и массового скопления людей, диктует необходимость создания устройств эффективного подавления аэрозолей. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена созданию подобных устройств.
Аэрозоли – дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и твердой (дым, пыль) или жидкой (туман) дисперсной фазой. По происхождению различают диспергированные (техногенные) и конденсационные аэрозоли. Конденсационные аэрозоли образуются при объемной конденсации паров – это природные туманы, облака, а также аэрозоли, возникающие над сильно нагретыми телами в результате испарения из них (например, почвы) влаги и последующего охлаждения паров при перемешивании с более холодным воздухом.
Источниками природных аэрозолей являются землетрясения, извержения вулканов, метеоритная и космическая пыль. Источниками техногенных аэрозолей могут быть различные аварии, вредные выбросы предприятий, атаки террористов, направленные на биологическое или химическое поражение людей в местах массового скопления.
В связи с широким распространением потенциально опасных производств (выбросы аэрозолей ядовитых веществ) и резко возросшей опасностью проведения террористических актов с распылением химического или биологического поражающего вещества, возникает необходимость в создании эффективных средств подавления аэрозолей.
В настоящее время, для улавливания частиц дисперсной фазы аэрозоля используются традиционные пылеулавливатели, пылевые камеры для выделения крупных пылинок, инерционные, батарейные, жалюзийные и мокрые циклоны, в том числе электрофильтры, тканевые фильтры. Все эти устройства не пригодны для скоростного подавления аэрозолей, особенно в закрытых объемах (воздуховодах) и на открытых пространствах, в частности для осаждения тумана на взлетно-посадочных полосах аэродромов и при движении морских судов в тумане.
Поэтому возникает необходимость в создании способа и устройств эффективной защиты помещений и открытых пространств от распыленных аэрозолей. Одним из способов, позволяющих решить поставленную задачу, является акустическая коагуляция. Однако, на сегодняшний день, практически отсутствуют устройства акустической коагуляции аэрозолей. При этом частота акустических волн должна лежать в области ультразвука, т.е. выше предела слышимости человека и, следовательно, не оказывать вредного воздействия на его организм.
Если распределение частиц аэрозоля полидисперсное, а относительная скорость частиц в акустическом поле зависит от их плотности и диаметра, частоты и интенсивности излучения, то и характеристики акустического поля должны соответствовать свойствам частиц. Что касается интенсивности излучения, то чем больше интенсивность звука, тем выше относительная скорость движения частиц аэрозоля [1]. Важным параметром аэрозоля характеризующим эффективность его коагуляции является характеристическая частота, определяемая как:
F0 = 2pr3mR2 , (1)
где m – коэффициент динамической
вязкости дисперсионной среды, r – плотность дисперсной фазы/частиц, R – радиус частицы.
При этом, отношение амплитуды скорости колебаний взвешенной частицы к амплитуде скорости колебаний дисперсионной среды в зависимости от отношения частоты f излучения звука к характеристической частоте
F0 имеет асимптотический характер. Например, для воздуха, при нормальных m
условиях r = 1,5 10-5 м2/с, поэтому
7,2⋅10−6
F0 = R2 . Следовательно, для частиц радиусом 1 мкм – F0 = 7,2 МГц, для частиц с радиусом 100 мкм – F0 = 0,72 кГц, а для частиц с радиусом 10 мкм – F0 = 72 кГц. Если распределение частиц аэрозоля полидисперсное, то наличие характеристических частот обуславливает необходимость использования ультразвукового воздействия в широком диапазоне частот.
С увеличением частоты излучения амплитуда скорости легких частиц увеличивается, а амплитуда скорости тяжелых уменьшается. При очень высоких частотах, относительно характеристической F0, амплитуда движения частиц уже не зависит от частоты, а определяется лишь отношением плотностей вещества частицы и окружающей среды.
Взаимодействие частиц (например, капель жидкости) с колеблющимся потоком газа приводит к нарушению их равномерного распределения в пространстве, сближению друг с другом и дальнейшей коагуляции. Неустойчивость равномерного распределения частиц обусловлена в основном двумя причинами.
Во-первых, локальное спонтанное увеличение концентрации частиц приводит к увеличению неустойчивости системы, так как в области с повышенной концентрацией частиц возрастает скорость газа (амплитуда скорости) и, следовательно, падает неоднородное давление. Это вызывает возрастание плотности частиц – реализуется бернуллевский механизм сближения частиц.
Во-вторых, в условиях стесненности частиц, сила Стокса увеличивается в области их повышенной концентрации, реализуется коллективное взаимодействие большого скопления частиц аэрозоля. Влияние этого механизма может стать более существенным, чем влияние механизма Бернулли. При высоких частотах нестабильность плотности обусловлена перепадом давления между областями с повышенными и пониженными концентрациями. При более низких частотах неустойчивость обусловлена как механизмом Бернулли, так и влиянием эффекта стесненности Стокса. Вторым, после частоты, действующим фактором коагуляции является интенсивность ультразвукового излучения Iп. На рисунке 1 представлены характерные зависимости степени осаждения n/n0 (где n – концентрация частиц за время облучения; n0 – концентрация частиц в начальный момент облучения) от времени облучения ультразвуком и его интенсивности для тумана хлористого аммония.
Рис. 1. Зависимости степени осаждения от времени облучения ультразвуком и его ин-
тенсивности для тумана хлористого аммония
Приведенные зависимости свидетельствуют о том, что при больших интенсивностях ультразвука степень коагуляции за короткое время достигает более высокого значения [2]. На процесс коагуляции оказывают влияние также время экспозиции, которое зависит от Iп (при Iп=4,0 Вт/м2 весь процесс протекает в течение нескольких секунд), и исходной концентрации аэрозоля (с увеличением начальной концентрации эффективность коагуляции возрастает). Увеличение ультразвукового давления Рзв (интенсивности) резко снижает время осаждения t ( рисунок 2).
Рис. 2. Зависимость постоянной времени коагуляции от звукового давления
В настоящее время для коагуляции аэрозолей используются аэродинамические излучатели, в которых происходит преобразование кинетической энергии газового потока в энергию акустических колебаний. К таким излучателям относятся вихревые свистки, свистки с тангенциальным движением струи газа вблизи щели объемного резонатора, клапанные акустические генераторы, газоструйные излучатели Гартмана и его модификации.
Недостатками подобных излучателей является необходимость использования и большой расход сжатого воздуха, низкий кпд, быстрый износ механических узлов абразивными частицами сжатого газа, ограниченный диапазон излучения. Существенным недостатком газоструйных излучателей является длительное время выхода на режим излучения, связанное с необходимостью создания потока газа, а в случае использования пиропатрона – непродолжительное время работы. Кроме того, эти источники излучения работают эффективно только на одной резонансной частоте и для коагуляции полидисперсного аэрозоля менее эффективны, чем широкополосные излучатели.
Эффективной альтернативой динамическим и статическим газоструйным излучателям могут служить пьезоэлектрические ультразвуковые колебательные системы. Однако, требующиеся для осуществления процесса коагуляции ультразвуковое воздействие с интенсивностью более 130…140 дБ невозможно обеспечить классическими пьезоэлектрическими ультразвуковыми колебательными системами, генерирующими плоскую акустическую волну.
Поэтому, основу аппарата для эффективной коагуляции аэрозолей, как в замкнутых так и на открытых пространствах, могут составлять излучатели, в которых обеспечивается преобразование энергии продольных колебаний пьезоэлектрического преобразователя в изгибные колебания титановых пластин или дисков. Преимуществами излучателей дискового типа являются возможность формирования ультразвуковых колебаний большой мощности и обеспечения перестройки частоты излучения за счет перехода с одной гармоники на другую. Смена рабочей частоты может быть вызвана необходимостью воздействия на частицы аэрозоля разных размеров (в случая осаждения полидисперсного аэрозоля).
Как указывалось выше, осаждение частиц разных размеров происходит при разной частоте колебаний: чем меньше размеры коагулируемых частиц, тем выше требуемая частота. Дисковый излучатель может иметь первую гармонику в герцовом диапазоне, а, например, пятую гармонику на частоте около и более 20 кГц. Таким образом, дисковый излучатель может использоваться в широком диапазоне частот и оказывать эффективное воздействие на частицы разного размера. На рисунке 3 показано распределение амплитуд колебаний на первой гармонике дискового излучателя диаметром 340 мм. Резонансная частота излучателя равна 300 Гц.