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.