Архив метки: ультразвуковая кавитация

Статьи на тему- ультразвуковое оборудование

Обзор применения ультразвуковой технологии в интенсификации технологических процессов в текстильной промышленности

Министерство образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Материалы XI Всероссийской

научно-технической конференции

«ДИНАМИКА НЕЛИНЕЙНЫХ ДИСКРЕТНЫХ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ»

(ДНДС-2015)

В.В. Башкиров, С.В. Янкевич

(Москва, ООО «ДЖЕНЕРУС»)

ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

     В данной статье приводиться краткий обзор научных исследований российских ВУЗов и ВУЗов стран СНГ применения новых технологий в текстильной промышленности.

     Ключевые слова: ультразвуковая технология, ультразвуковое воздействие, ультразвук, кавитация, интенсификация, гидродинамические излучатели, акустические колебания, энергетическая эффективность.

Одним из перспективных физических методов воздействия на вещества для интенсификации технологических процессов является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона — так называемых ультразвуковых (УЗ) колебаний. Наиболее успешно УЗ колебания используются в процессах, связанных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс — УЗ кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества.
В частности рассмотрим несколько практических исследований применения УЗ кавитации применительно к текстильной промышленности:

1. Снижение неровноты по линейной плотности и упрочнения льняной пряжи с помощью применения ультразвуковых колебаний в процессе мокрого прядения льна [1]. Данное исследование проводилось в Костромском государственном технологическом университете (Кострома) в 2012 году с целью оценить возможность применения ультразвукового воздействия на льняные волокна с целью снижения неровноты по линейной плотности и повышения прочности пряжи, получаемой мокрым способом прядения. Выводы исследования показали, что ультразвуковое воздействие на льняную ровницу в жидкостной среде позволяет повысить прочность вырабатываемого продукта – пряжи, снижает неровноту пряжи по разрывной нагрузке и по линейной плотности, а также производит уменьшение длины комплексов волокон, формирующих пряжу.

2. Повышение эффективности и расчет процесса промывки хлопчатобумажных тканей при использовании ультразвука [2]. Данное исследование проводилось в Московском государственном текстильном университете имени А.Н Косыгина (Москва) в 2007 году с целью снижения энерго- и материалоемкости, а также улучшение экологических показателей работы промывного оборудования для хлопчатобумажных тканей за счет использования ультразвукового воздействия на промывной раствор. Выводы работы показали следующее:

а) теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность повышения эффективности процесса промывки хлопчатобумажной ткани с помощью ультразвукового воздействия на промывной раствор и обрабатываемую ткань. Установлено, что применение ультразвука приводит к уменьшению общего сопротивления процессам массопереноса при промывке, при этом продолжительность процесса сокращается на 35%;

б) исследована кинетика процесса промывки хлопчатобумажных тканей на лабораторной установке, при ультразвуковом воздействии. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными по предложенным в работе зависимостям свидетельствует об их удовлетворительном соответствии. Погрешность не превышала 5%. Получены статистические оценки коэффициентов массопереноса в процессе промывки хлопчатобумажных тканей;

в) предложена схема промывной части типовой линии для мерсеризации и промывки с применением ультразвука в качестве интенсификатора. Показано, что использование такой схемы позволяет уменьшить, число промывных машин, сократить затраты электроэнергии и расход промывной воды по сравнению с традиционным оформлением процесса промывки. Экономический эффект от предложенного оформления процесса промывки может составлять 11руб. на 100 п. м. ткани;

г) представлены разностная схема и численный алгоритм для ее реализации позволяющие рассчитать поле концентраций загрязнения в ткани и интегральные характеристики работы промывного оборудования;

д) разработана инженерная методика расчета процесса промывки ткани позволяющая определить количественный состав высокоскоростных промывных машин и выбрать рациональный режим работы оборудования с учетом характеристик ткани. Методика внесена в отраслевой фонд алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий Федерального агентства по образованию и используется на ряде текстильных предприятий.

3. Перспективы использования гидродинамических излучателей для создания акустических и ультразвуковых колебаний в процессах мойки шерсти [3]. Данное исследование проводилось в Таврийском агротехнологическом университете (Мелитополь, Украина) в 2009 году с целью обоснования целесообразности использования гидродинамических излучателей акустических и ультразвуковых колебаний в процессах мойки шерсти. В результате проведенной работы были получены следующие результаты:

а) высокое качество шерсти;

б) уменьшение расхода воды в связи с многократным использованием моечного раствора в замкнутом цикле;

в) исключение отрицательного влияния процесса ПОШ (первичная обработка шерсти) на окружающую среду;

г) проведение дезинфекции промывных вод и шерсти без специальных средств.

4. Интенсификация моющего действия при использовании ультразвука: обзор методов и модель удаления загрязнений [4]. Данное исследование проводилось в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (Санкт-Петербург) в 2012 году с целью улучшения качества моющего раствора по-средством создания микромасштабных ультразвуковых воздействий. В результате этого исследования были сделаны следующие заключения:

а) при стирке тканей, загрязненных пигментно-масляным загрязнением, постоянная суперпозиция микро- и макромасштабных воздействий позволяет увеличить моющее действие в 7-8 раз по сравнению со случаем только макромасштабных воздействий. При этом для сокращения энергетических затрат и увеличения ресурса излучателей возможна работа в режиме периодического включения УЗВ излучателей с долей времени 10%, в этом случае увеличение моющего действия достигается в 3-5 раз;

б) исследованный метод позволяет сократить расход моющих средств до 4-х раз не только без снижения эффективности стирки, но и с одновременным повышением качества стирки в 3-8 раза;

в) введен критерий энергетической эффективности, характеризующий достигаемое моющее действие, отнесенное к энергии, подведенной к моющему раствору;

г) показано, что зависимость критерия энергетической эффективности от затраченной энергии (периодичности включения) имеет вид уравнения гиперболы.

Высокая эффективность УЗ воздействий на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридцатилетнего применения на ряде предприятий различных отраслей промышленности. Несомненные достоинства УЗ колебаний должны были обеспечить их широчайшее использование при решении сложных проблем современных производств, предназначенных для выпуска конкурентоспособной продукции. Однако, в настоящее время УЗ техника практически не используется из-за высокой стоимости, узкой специализации и низкой эффективности разработанных ранее крупногабаритных промышленных установок, практически полного отсутствия малогабаритных высокоэффективных УЗ аппаратов. Развитие УЗ техники и технологии сдерживается также низкой информированностью потребителей об эффективности УЗ воздействий и отсутствием методических рекомендаций, учитывающих особенности применения УЗ технологий.

Ситуация изменилась с появлением мощных высокочастотных транзисторов, современных схемотехнических решений [5], новых магнитострикционных излучателей и способов их возбуждения [6] и пьезоэлектрических керамических материалов, на основе которых стало возможным создание малогабаритных, надежных, простых в эксплуатации и дешевых ультразвуковых генераторов и излучателей.

Литература:

1. Сергеев К.В., Жуков В.И. Снижение неровноты по линейной плотности и упрочнения льняной пряжи с помощью применения ультразвуковых колебаний в процессе мокрого прядения льна. Технология текстильной промышленности: Научно-технический журнал. – Иваново: Изд-во Ивановской гос. текстильной академии, 2012. – С. 61-64.

2. Булекова А.А. Повышение эффективности и расчет процесса промывки хлопчатобумажных тканей при использовании ультразвука. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Изд-во Московского государственного тек-стильного университета имени А.Н. Косыгина, 2007.

3. Мунтян В.А. Перспективы использования гидродинамических излучателей для создания акустических и ультразвуковых колебаний в процессах мойки шерсти. Изд-во Таврийского агротехнологического университета, 2009.

4. Абиев Р.Ш., Давыдов В.С., Гурихина Ю.В., Барабаш В.М. Интенсификация моющего действия при использовании ультразвука: обзор методов и модель удаления загрязнений. Процессы и аппараты. Изд-во СПбГТИ (ТУ), 2012.

5. Янкевич С.В. Двухканальный ультразвуковой генератор GENERUS. Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы X Всерос. Науч.-техн. конф. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. гос. ун-та, 2013. – С. 358-360.

6. Афанасьев В.А., Янкевич С.В. Магнитострикционные преобразователи и способы воздействия на колебательные системы. Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: Материалы IX Всерос. Науч.-техн. конф. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. гос. ун-та, 2014. – С. 38-42.

Системы серии GENERUS для теплообменного оборудования

Применение ультразвука в теплоэнергетике

Известно, что основной проблемой в теплоэнергетике является увеличенный расход энергоресурсов, который связан с целым рядом причин: это старое и изношенное оборудование, плохое качество воды, нарушение технологических процессов и т.д. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются теплоэнергетики, является образование карбонатных отложений и других видов накипи на стенках теплообменного оборудования.

Образование накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использования
Рис. 1. Образование накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использования
Увеличенное изображение образования накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использования
Увеличенное изображение

Эта проблема приводит к значительному перерасходу топлива, снижению коэффициента полезного действия оборудования, сокращению межремонтных сроков, увеличению затрат на обслуживание и ремонт.

Существует несколько физических методов, уменьшающих скорость образования накипи. Все они способствуют кристаллизации солей жесткости в толще воды и препятствуют достижению кристаллами размеров, необходимых для образования осадка. Наряду с традиционными способами решения этой проблемы (химической подготовкой нагреваемой воды и соблюдением оп­ти­маль­ных тем­пе­ра­тур­ных и ско­ро­ст­ных ре­жи­мов), на сегодняшний день широко применяется безреагентный и в частности акустический (ультразвуковой) метод.

Ультразвуковая технология выделяется в этом ряду тем, что воздействует на образование и оседание накипи несколькими различными способами в зависимости от частотного диапазона:

1. При озвучивании воды ультразвуком достаточной интенсивности, происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жесткости. При контакте твердого тела с жидкостью накипь образуется на твердом теле. Это может быть или теплообменная поверхность или взвешенные в воде частицы, являющиеся центрами кристаллизации растворенных в воде солей. В обычных условиях общая площадь поверхности взвешенных в воде частиц меньше площади теплообменной поверхности оборудования и именно на ней и происходит образование накипи. Но под воздействием ультразвука происходит раскалывание кристаллов карбоната кальция, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности.

Под действием ультразвука в воде резко (примерно в 1000 раз) возрастает количество центров кристаллизации. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в жидкость, в толщу воды, к кристаллизации солей непосредственно в водной массе, что связано с появлением под действием ультразвука большого количества зародышей кристаллов, к постоянному возникновению, росту и раскалыванию кристаллов солей.

2. Ультразвук возбуждает высокочастотные колебания в металлической теплообменной поверхности. Распространяясь по поверхности, противонакипные колебания препятствуют формированию на ней накипных отложений, замедляя осаждение образующихся кристаллов солей. За счет различной механической жесткости металла и слоя накипных отложений изгибные колебания теплообменной поверхности разрушают формирующийся слой накипи. А если на теплообменной поверхности уже был слой накипи, то ультразвук разрушает его, что сопровождается отслоением и откалыванием кусочков накипи. Размеры этих кусочков зависят от толщины слоя накипи и увеличиваются с ее ростом. При значительной толщине слоя образованной ранее накипи, существует опасность засорения и закупорки каналов. Поэтому одним из основных требований успешного применения ультразвуковой технологии является предварительная очистка, насколько это возможно, от старого слоя накипных отложений.

Следует иметь в виду, что некоторых случаях применение противонакипных устройств не избавляет от накипи навсегда, но скорость оседания накипи уменьшается в несколько раз. В самых тяжелых случаях – при воде с карбонатной жесткостью более чем 10 мг-экв/литр, срок службы нагревателя между чисткой или заменой трубного пучка увеличивается не менее, чем в три раза. При жёсткости воды менее 8 мг-экв/литр, срок службы между чистками увеличивается в 4..5 раз. А для котлов и теплообменников, в которых за год образуется не более 2 мм отложений, о проблемах с накипью можно забыть.

3. Под воздействием противонакипных колебаний в толще воды образуется множество кавитационных пузырьков. Вокруг них, как центров кристаллизации, непосредственно в воде начинают образоваться соли жесткости, образуя мелкодисперсный шлам. Колебания поверхности нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Таким образом, частицы труднорастворимых солей практически не оседа­ют на стенках оборудования, а остаются во взвешенном состоянии и удаляются потоком жидкости или продувкой.

Кроме того, противонакипные колебания оказывают разрушающее действие на ранее образовавшуюся НАКИПЬ. Противонакипные колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связи внутри карбонатных отложений, а также между карбонат­ным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины- капилляры к поверхности нагрева, где она мгно­венно испаряется, вызывая вспучивание и отслаи­вание карбонатных отложений. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложе­ний скапливаются в нижней части теплообменного оборудования и удаляются периодической продувкой.

Кожухотрубный подогреватель после применения противонакипных устройств
Рис. 3 Кожухотрубный подогреватель после применения
противонакипных устройств

Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонат­ных отложений и сохранением за счет этого эффективности теплотехнического оборудования. Противонакипные колебания увеличивают теплопе­редачу греющей поверхности за счет микропото­ков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе двух сред металл-жидкость, что также спосо­бствует увеличению теплопередачи. Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внут­ренних поверхностей труб, где в обычных условиях (без ультразвука) в теплообменном оборудовании сохраняется кислород из воздуха, а при возде­йствии противонакипных колебаний он легко выходит из этих щелей.

В результате этого исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие противонакипных импуль­сов на внутреннюю поверхность труб, обладаю­щую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирова­ние внутренней поверхности труб.

Приведенные выше факторы взаимосвязаны и в совокупности являются причиной положительно­го воздействия ультразвука на процессы предот­вращения образования карбонатных отложений, снижения коррозии металла и повышения эффек­тивности работы теплообменного оборудования.

Применение ультразвукового метода исключа­ет загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок, а стоимость обработки 1м3 воды этим способом, как показывают ориентировочные расчеты, в 200 — 250 раз ниже стоимости химической обработки.

Капитальные вложения, связанные с приобре­тением, монтажом и наладкой устройств противонакипных серии GENERUS, окупаются в течение нескольких месяцев их работы.