Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле
Статья посвящена проблеме акустического эмульгирования несмешивающихся жидкостей. При этом используются струйные прямоточные гидродинамические излучатели со ступенчатым препятствием, в частотном спектре которых имеется ряд кратных и некратных гармоник. Представлены результаты экспериментальных иссле...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2009
|
| Назва видання: | Акустичний вісник |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87293 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 4. — С. 57-64. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-87293 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-872932015-10-17T03:01:54Z Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле Сухарьков, О.В. Статья посвящена проблеме акустического эмульгирования несмешивающихся жидкостей. При этом используются струйные прямоточные гидродинамические излучатели со ступенчатым препятствием, в частотном спектре которых имеется ряд кратных и некратных гармоник. Представлены результаты экспериментальных исследований по приготовлению эмульсий. Проведено сравнение качества эмульсий, полученных различными способами: механическим перемешиванием; с помощью магнитострикционного преобразователя; с помощью одного гидродинамического излучателя при атмосферном давлении и двух гидродинамических излучателей с разными частотными диапазонами при избыточном статическом давлении. Показано преимущество последнего способа для достижения высокой дисперсности эмульсий. Статтю присвячено проблемі акустичного емульгування незмішуваних рідин. При цьому використовуються струменеві прямотечійні гідродинамічні випромінювачі зі східчастою перешкодою, в частотному спектрі яких є ряд кратних і некратних гармонік. Представлені результати експериментальних досліджень з приготування емульсій. Проведено порівняння якості емульсій, одержаних різними способами: механічним перемішуванням; за допомогою магнітострикційного перетворювача; за допомогою одного гідродинамічного випромінювача при атмосферному тиску і двох гідродинамічних випромінювачів з різними частотними діапазонами при надлишковому статичному тиску. Показано перевагу останнього способу для досягнення високої дисперсності емульсій. The paper deals with problem of acoustic emulsifying of the immiscible liquids. In doing so, the direct-flow hydrodynamic radiators with circular nozzle and step obstacle are used, which frequency spectrum contains a series of multiple and aliquant harmonics. The results of the experimental studying of emulsion preparation have been represented. We have compared the qualities of emulsions obtained with different methods: mechanical stirring; blending by magnetostrictive transducer; using of one hydrodynamic radiator at the atmospheric pressure and two hydrodynamic radiators with different frequency ranges at static overpressure. The advantage of the last method for obtaining of high-dispersion emulsions has been shown. 2009 Article Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 4. — С. 57-64. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1028-7507 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87293 534.232 ru Акустичний вісник Інститут гідромеханіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Статья посвящена проблеме акустического эмульгирования несмешивающихся жидкостей. При этом используются струйные прямоточные гидродинамические излучатели со ступенчатым препятствием, в частотном спектре которых имеется ряд кратных и некратных гармоник. Представлены результаты экспериментальных исследований по приготовлению эмульсий. Проведено сравнение качества эмульсий, полученных различными способами: механическим перемешиванием; с помощью магнитострикционного преобразователя; с помощью одного гидродинамического излучателя при атмосферном давлении и двух гидродинамических излучателей с разными частотными диапазонами при избыточном статическом давлении. Показано преимущество последнего способа для достижения высокой дисперсности эмульсий. |
| format |
Article |
| author |
Сухарьков, О.В. |
| spellingShingle |
Сухарьков, О.В. Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле Акустичний вісник |
| author_facet |
Сухарьков, О.В. |
| author_sort |
Сухарьков, О.В. |
| title |
Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле |
| title_short |
Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле |
| title_full |
Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле |
| title_fullStr |
Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле |
| title_full_unstemmed |
Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле |
| title_sort |
исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| publishDate |
2009 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87293 |
| citation_txt |
Исследование процесса эмульгирования в многочастотном акустическом поле / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 4. — С. 57-64. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Акустичний вісник |
| work_keys_str_mv |
AT suharʹkovov issledovanieprocessaémulʹgirovaniâvmnogočastotnomakustičeskompole |
| first_indexed |
2025-07-06T14:53:10Z |
| last_indexed |
2025-07-06T14:53:10Z |
| _version_ |
1836909687451156480 |
| fulltext |
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
УДК 534.232
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭМУЛЬГИРОВАНИЯ
В МНОГОЧАСТОТНОМ АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
О. В. СУ Х АР Ь К ОВ
Одесская национальная академия связи имени А. С. Попова
Получено 24.11.2009
Статья посвящена проблеме акустического эмульгирования несмешивающихся жидкостей. При этом используются
струйные прямоточные гидродинамические излучатели со ступенчатым препятствием, в частотном спектре кото-
рых имеется ряд кратных и некратных гармоник. Представлены результаты экспериментальных исследований по
приготовлению эмульсий. Проведено сравнение качества эмульсий, полученных различными способами: механиче-
ским перемешиванием; с помощью магнитострикционного преобразователя; с помощью одного гидродинамического
излучателя при атмосферном давлении и двух гидродинамических излучателей с разными частотными диапазона-
ми при избыточном статическом давлении. Показано преимущество последнего способа для достижения высокой
дисперсности эмульсий.
Статтю присвячено проблемi акустичного емульгування незмiшуваних рiдин. При цьому використовуються стру-
меневi прямотечiйнi гiдродинамiчнi випромiнювачi зi схiдчастою перешкодою, в частотному спектрi яких є ряд
кратних i некратних гармонiк. Представленi результати експериментальних дослiджень з приготування емульсiй.
Проведено порiвняння якостi емульсiй, одержаних рiзними способами: механiчним перемiшуванням; за допомогою
магнiтострикцiйного перетворювача; за допомогою одного гiдродинамiчного випромiнювача при атмосферному тис-
ку i двох гiдродинамiчних випромiнювачiв з рiзними частотними дiапазонами при надлишковому статичному тиску.
Показано перевагу останнього способу для досягнення високої дисперсностi емульсiй.
The paper deals with problem of acoustic emulsifying of the immiscible liquids. In doing so, the direct-flow hydrodynamic
radiators with circular nozzle and step obstacle are used, which frequency spectrum contains a series of multiple and
aliquant harmonics. The results of the experimental studying of emulsion preparation have been represented. We have
compared the qualities of emulsions obtained with different methods: mechanical stirring; blending by magnetostrictive
transducer; using of one hydrodynamic radiator at the atmospheric pressure and two hydrodynamic radiators with different
frequency ranges at static overpressure. The advantage of the last method for obtaining of high-dispersion emulsions has
been shown.
ВВЕДЕНИЕ
Для машиностроения, химической, пищевой
промышленности и пр. актуальным остается по-
лучение высококачественных эмульсий из несме-
шивающихся жидкостей. На практике для этого
обычно применяют различные перемешивающие
устройства типа механических мешалок, коллои-
дных мельниц, центробежных эмульгаторов и т. д.
Однако полученные таким путем жидкие сме-
си по качеству значительно уступают эмульсиям,
приготовленным с помощью интенсивных колеба-
ний звукового и ультразвукового диапазонов ча-
стот, которые характеризуются равномерностью
по гранулометрическому составу, наибольшей дис-
персностью, весовой концентрацией и устойчиво-
стью. В эмульгирующих устройствах могут при-
меняться различные типы излучателей. Так, ма-
гнитострикционные или пьезоэлектрические пре-
образователи создают ультразвуковое поле в сосу-
де с обрабатываемыми жидкостями. Альтернати-
вой им могут служить гидродинамические излу-
чатели (ГДИ) [1 – 3].
Производительность ультразвукового эмульги-
рования с помощью магнитострикционных и пье-
зоэлектрических преобразователей может состав-
лять десятки и сотни литров эмульсии в час, одна-
ко сопутствующие энергетические затраты суще-
ственно выше, чем при использовании ГДИ. По-
этому в настоящее время данный способ использу-
ют только для исследовательских целей или в осо-
бо ответственных случаях – при эмульгировании
небольших объемов дорогостоящих веществ [3].
В промышленных условиях наиболее перспе-
ктивны акустические установки, снабженные ГДИ
вихревого типа и ГДИ с пульсирующей кавитаци-
онной областью, образующейся между соплом и
препятствием. Такие эмульгирующие устройства
просты в изготовлении и эксплуатации, позволя-
ют достигнуть больших производительностей – по-
рядка тысяч и десятков тысяч литров эмульсии в
час [2].
Акустическое эмульгирование происходит в пер-
вую очередь под влиянием кавитации, условия во-
зникновения и протекания которой и определяют
характеристики процесса. В частности, они зави-
сят от интенсивности и частоты звука, температу-
ры, гидростатического давления, наличия раство-
ренных газов и т. п. [2].
Проведенные ранее экспериментальные иссле-
c© О. В. Сухарьков, 2009 57
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
дования показали, что прямоточные ГДИ с коль-
цевым соплом и ступенчатым препятствием яв-
ляются мощными широкополосными источника-
ми звука. При этом повышение гидростатического
давления в герметичной емкости позволяет регу-
лировать частотные характеристики данных излу-
чателей [4]. В настоящее время один из новых пер-
спективных способов акустического эмульгирова-
ния состоит в одновременном введении в жидкость
акустических колебаний различных частот. Это
позволяет регулировать дисперсность капель по-
лучаемых эмульсий в широких пределах [3, 5].
В связи с этим представляет интерес исследо-
вание процесса эмульгирования в режиме избыто-
чного статического давления с использованием
двух прямоточных гидродинамических излучате-
лей, имеющих разные частотные диапазоны.
1. МЕХАНИЗМ АКУСТИЧЕСКОГО ЭМУЛЬ-
ГИРОВАНИЯ
Единой теории, описывающей механизм акусти-
ческого эмульгирования, в настоящее время не су-
ществует. Предполагается, что в основе механи-
зма образования эмульсий лежит отрыв мельчай-
ших капель эмульгируемой жидкости от ее основ-
ной массы под действием захлопывающихся на
границе раздела фаз кавитационных пузырьков.
Ряд исследователей процесс эмульгирования свя-
зывает преимущественно с внедрением одной жид-
кости в другую и разрывом частиц эмульгируе-
мых компонентов за счет сил, больших по абсо-
лютной величине и различных по направлению в
разных точках акустического поля. Не исключено,
что причинами диспергирования жидкостей в уль-
тразвуковых полях являются значительное растя-
гивание капель эмульгируемой жидкости до неу-
стойчивых жидких цилиндров критической длины
и интенсификация их распада на ряд очень мел-
ких капель. Таким образом, большинство иссле-
дователей основную роль в механизме ультразву-
кового эмульгирования отводят кавитации и аку-
стическим течениям. Именно поэтому интенсив-
ность ультразвука и его частота, продолжитель-
ность ультразвуковой обработки, наличие в жид-
кой фазе растворенных поверхностно-активных
веществ (ПАВ) и газов, а также температура сре-
ды и тип эмульгирующего устройства – наиболее
существенные факторы, влияющие на диспергиро-
вание жидкостей [3].
Эмульгирование начинается, когда интенсив-
ность I ультразвука превышает некоторое поро-
говое значение Iп, ниже которого процесс не про-
текает. Например, для систем “масло – вода” Iп
на частоте 25 кГц лежит в пределах от деся-
тых долей до единиц Вт/см2. Эта величина сни-
жается, если эмульгирование протекает вблизи
твердой поверхности, инициирующей образование
кавитации. При увеличении интенсивности уль-
тразвука (I >Iп) предельные весовые концентра-
ции эмульсий различных жидкостей повышаю-
тся, а продолжительность эмульгирования сокра-
щается. С ростом частоты увеличивается необ-
ходимая для эмульгирования интенсивность уль-
тразвуковых колебаний, при этом уменьшается
скорость образования эмульсий и растет диспер-
сность эмульсии.
На качестве эмульсий существенно сказывае-
тся продолжительность ультразвуковой обработ-
ки. Кратковременное акустическое воздействие
дает недостаточное измельчение компонентов,
эмульсии получаются малоустойчивыми и быстро
расслаиваются. В то же время, длительное уль-
тразвуковое диспергирование также может приве-
сти к снижению устойчивости эмульсий и коагу-
лированию самых малых частиц дисперсной фа-
зы. Механическое эмульгирование зачастую про-
водят в присутствии стабилизаторов (ПАВ), на-
значение которых состоит в уменьшении межфа-
зного поверхностного натяжения. Молекулы ПАВ
адсорбируются на поверхности капель эмульсии
и препятствуют их объединению. Ультразвуковое
эмульгирование, как правило, обеспечивает высо-
кую устойчивость эмульсий без добавления ста-
билизаторов. Тем не менее, исследователями обо-
снована целесообразность ультразвукового эмуль-
гирования аполярных флотационных реагентов в
водных растворах неионогенных ПАВ, сульфатов,
сульфанатов, а также солей жирных кислот и ряда
других гетерополярных собирателей. Последние
адсорбируются на поверхности капель аполярного
реагента, причем их полярные группы ориентиро-
ваны в полярную фазу – воду [3].
С увеличением времени озвучивания концен-
трация эмульсии возрастает, достигая некоторого
предельного значения. Существование предельной
концентрации обусловлено одновременным про-
теканием противоположного процесса – акусти-
ческой коагуляции, а также изменением в ходе
эмульгирования условий для возникновения кави-
тации. Выражение, описывающее кинетику уль-
тразвукового эмульгирования с учетом протека-
ния коагуляции имеет вид
∂(V C)
∂t
= Aα − βV Cn,
где V – объем рассматриваемой эмульсии; C – кон-
центрация; A – площадь границы раздела двух
58 О. В. Сухарьков
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
жидких фаз; α и β – параметры, зависящие от
акустического поля, свойств границы раздела и
других условий эксперимента; Aα – скорость обра-
зования дисперсной фазы; βV Cn – скорость коа-
гуляции; n – показатель коагуляции, равный чи-
слу взаимодействующих частиц. Образование дис-
персной фазы облегчается с понижением вязко-
сти исходных компонентов. С уменьшением меж-
фазного натяжения снижается пороговое значение
интенсивности Iп, а при заданных надпороговых
значениях I можно получать более концентриро-
ванные эмульсии [1, 2].
При одновременном введении в жидкость аку-
стических колебаний различных частот возра-
стают эрозионная активность области кавитации,
турбулентность и скорость акустических потоков,
т. е. факторы, оказывающие наибольшее влияние
на процесс образования эмульсий. Эмульгирова-
ние труднорастворимых в воде веществ и реаген-
тов в акустическом поле с несколькими частота-
ми позволяет регулировать дисперсность капель
получаемых эмульсий в широких пределах, начи-
ная с (0.1 . . .0.2) мкм. Одновременно возрастают
предельная весовая концентрация и устойчивость
эмульсий [3, 5].
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВА-
НИЙ
На рис. 1 изображен источник акустических ко-
лебаний – прямоточный ГДИ с пульсирующей ка-
витационной областью, образующейся между со-
плом и ступенчатым препятствием [4, 6]. ГДИ со-
стоит из выполненного совместно с герметичной
крышкой корпуса 1, штуцера 2 для подвода рабо-
чей жидкости, обтекателя 3, ступенчатого цилин-
дрического препятствия 4, кольцевой насадки 5 и
контргайки 6. Основным типоразмером прямото-
чного ГДИ служит отношение a/Dс, где a – ши-
рина щели кольцевого сопла, а Dс – его средний
диаметр. Включение в конструкцию гидродинами-
ческого излучателя кольцевой насадки 5 обеспечи-
вает повышение интенсивности акустических ко-
лебаний при размещении излучателя во внутрен-
них полостях объемов, соизмеримых с размерами
его зоны звукообразования [7].
Для исследования процесса эмульгирования в
акустическом поле двух прямоточных гидродина-
мических излучателей была разработана экспери-
ментальная установка, изображенная на рис. 2.
Она содержит герметичную рабочую камеру 2,
выполненную в виде цилиндра; емкость для
эмульсии 9; насосы 13 и 10 с регулируемым ра-
Рис. 1. Схема прямоточного
гидродинамического излучателя
сходом, обеспечивающие питание высокочастотно-
го 1 и низкочастотного 4 гидродинамических излу-
чателей; систему трубопроводов. Оба гидродина-
мических излучателя 1 и 4 установлены в верти-
кальной плоскости в торцах камеры 2 друг на-
против друга. Манометры 5 и 14 используются
для контроля давления нагнетания жидкости в со-
пла излучателей 1 и 4. Для выпуска обработанной
жидкости из камеры 2 герметичная крышка излу-
чателя 4 снабжена штуцером 6, регулируемым вен-
тилем 7 и патрубком 8. Избыточное статическое
давление в рабочей камере 2 контролируется ма-
нометром 3. Емкость для эмульсии 9 снабжена ре-
версивным насосом 12 с вентилем 11. Герметиза-
ция камеры 2 обеспечивается болтами и уплотни-
тельными кольцами 15 и 16. С учетом возможных
агрессивных свойств рабочей жидкости камера 2,
гидродинамические излучатели 1 и 4 изготавлива-
ются из нержавеющей стали, например, Х18Н10Т.
Следует отметить одну особенность прямото-
чных ГДИ, связанную с их использованием в ци-
линдрической емкости. Средний диаметр кольце-
вого сопла низкочастотного излучателя 4 выбира-
ется в интервале (0.3 . . .0.4) внутреннего диаметра
О. В. Сухарьков 59
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
для приготовления эмульсий высокой дисперсности
D камеры и в два и более раз больше среднего диа-
метра кольцевого сопла высокочастотного излуча-
теля 1. Высота h и внутренний диаметр D рабочей
камеры связаны соотношением h=(1.0 . . .1.2)D,
расстояние l между крайними торцевыми сечени-
ями излучателей составляет l=(0.3 . . .0.5)D (см.
рис. 2). Известно, что зона развитой кавитации
прямоточных ГДИ, она же зона звукообразова-
ния, представляет собой тороидальную область,
размеры которой составляют (1.3 . . .1.6) средне-
го диаметра кольцевого сопла Dс [10, 11]. Поэто-
му указанные геометрические параметры рабочей
камеры и расстояние между крайними торцевыми
сечениями излучателей позволяют формировать
в центре камеры концентрированную область ра-
звитой кавитации. Остальные размеры гидродина-
мических излучателей 1 и 4 следует оптимизиро-
вать согласно проведенным ранее эксперименталь-
ным исследованиям [4, 8, 9, 11]. В качестве низко-
частотного ГДИ использовался излучатель типо-
размера a/Dс =1/52 с частотой основной гармо-
ники f0 =0.53 кГц. В качестве высокочастотного
ГДИ служил излучатель типоразмера a/Dс=1/13
с частотой основной гармоники f0 =4.65 кГц.
Установка для приготовления эмульсий работа-
ет следующим образом. С помощью реверсивно-
го насоса 12 и вентиля 11, емкость 9 заполняе-
тся эмульсией низкой дисперсности (7 . . .10) мкм,
приготовленной с помощью лопастной мешалки
(скорость вращения n = 133 об/c). После этого
при открытом вентиле 7 включаются насосы 10
и 13 и обрабатываемая жидкость из емкости 9 че-
рез ГДИ 1 и 4 начинает поступать в рабочую ка-
меру 2. В момент начала выхода эмульсии из па-
трубка 8 в емкость 9 за счет изменения расхода
насосов 10 и 13, а также путем регулировки вен-
тилем 7 устанавливается оптимальный режим ра-
боты ГДИ 1 и 4 при заданном избыточном стати-
ческом давлении (∆Pст=0.15 МПа) внутри каме-
ры 2. При достижении оптимального режима ра-
боты установки, который контролируется маноме-
трами 3, 5 и 14, начинается процесс акустического
эмульгирования.
Экспериментальная установка обеспечивает
возможность однократной и многократной об-
работки эмульсий в мощном многочастотном
акустическом поле двух гидродинамических излу-
чателей. Для приготовления эмульсий дисперсной
фазой служили различные масла и эмульсол,
а дисперсионной средой – вода. Исследовались
5 и 10 % эмульсии, полученные в многочасто-
тном акустическом поле при температурах 20 и
(45 . . .50)◦C.
После окончания процесса акустического эмуль-
60 О. В. Сухарьков
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
гирования, продолжительность которого задава-
лась с помощью реле времени, электропитание на-
сосов 10 и 13 автоматически отключалось. С по-
мощью реверсивного насоса 12 и вентиля 11 от-
бирались пробы готовой эмульсии для определе-
ния ее стойкости к расслаиванию во времени. Для
оценки дисперсности капли исследуемой эмульсии
наносились на предметные стекла, накрывались
покровным стеклом и фотографировались через
микроскоп. Кадр делился на участки, в каждом из
которых проводился подсчет частиц масла опре-
деленного диаметра d. При этом в каждом опыте
подсчитывалось не менее 800 частиц. По результа-
там измерений строились зависимости распределе-
ния частиц по их размерам, выраженным в виде
отношения суммы площадей Si частиц определен-
ного размера к площади Sк исследуемого кадра.
3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВА-
НИЙ
Разработанная установка реализует научно-
обоснованный способ ультразвукового эмульгиро-
вания в интенсивном многочастотном акустиче-
ском поле, в котором задействованы такие физи-
ческие явления как развитая кавитация в режи-
ме избыточного статического давления и мощные
турбулентные течения в обрабатываемой жидкой
среде [3, 4, 6 – 12].
Преимуществом прямоточных гидродинамиче-
ских излучателей [7], по сравнению с магнито-
стрикционными преобразователями, является су-
щественное снижение энергетических затрат, а
также возникновение мощных турбулентных те-
чений, способствующих разрыву частиц эмульги-
руемых компонент (их скорость в рабочей камере
составляла (15 . . .30) м/с). Кроме того, у прямо-
точных ГДИ [7] отсутствуют вибрационные эле-
менты конструкции, что обеспечивает их долгов-
ременную службу.
Проведенные ранее исследования энергетиче-
ских характеристик прямоточных ГДИ показали,
что в диапазоне избыточных статических давле-
ний от 0.01 до 0.25 МПа за счет подбора опти-
мальной скорости струи на выходе из кольцевого
сопла в пределах (20 . . .75) м/с можно повысить
интенсивность акустического поля в зоне развитой
кавитации примерно с 2 до 12 Вт/см2 [10]. В хо-
де акустического эмульгирования в рабочей каме-
ре устанавливалось избыточное статическое дав-
ление ∆Pст=0.15 МПа, соответствующее макси-
муму акусто-гидродинамического КПД для пря-
моточных ГДИ [4].
Экспериментально установлено [3, 13], что дей-
а
б
Рис. 3. Спектр акустического сигнала,
генерируемого в рабочей камере установки:
а – одним прямоточным ГДИ;
б – двумя прямоточными ГДИ совместно
ствие нескольких акустических волн кратных или
не кратных частот в процессах эмульгирования,
диспергирования, очистки оказывается более эф-
фективным, чем раздельное воздействие соответ-
ствующих моногармонических волн. В основе это-
го явления лежат два механизма. С одной сторо-
ны, образующиеся в мощном акустическом поле
кавитационные пузырьки имеют радиусы, отли-
чающиеся на два порядка и, соответственно, ши-
рокий диапазон резонансных частот. Поэтому
использование волн различных частот способству-
ет захлопыванию большего количества каверн. С
другой стороны, при резонансе больших пульси-
рующих каверн на низких частотах происходит
О. В. Сухарьков 61
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
Рис. 4. Распределение по размерам
частиц масла в воде для 10 % эмульсий
для различных способов эмульгирования:
1 – с помощью лопастной мешалки (n=133 об/c);
2 – в акустическом поле магнитострикционного
преобразователя одной частоты f =20 кГц [3];
3 – в акустическом поле одного прямоточного ГДИ
при атмосферном давлении [12];
4 – в режиме оптимального гидростатического давления
в акустическом поле двух прямоточных ГДИ
отщепление мелких сферических пузырьков, ко-
торые, резонируя на высоких частотах, создают
дополнительные микроударные волны.
Гидродинамические излучатели с пульсирую-
щей кавитационной областью способны генериро-
вать акустические волны в широком частотном
диапазоне – от 0.3 до 35 кГц [2,14]. Таким образом,
в дискретном спектре тональных сигналов име-
ется набор гармонических составляющих, часто-
ты которых могут отличаться в десятки раз. При
этом наиболее энергоемкая часть спектра данных
излучателей связана с тремя первыми гармоника-
ми (рис. 3, а). В случае повышения статическо-
го давления энергоемкие гармонические состав-
ляющие смещаются в высокочастотную область
спектра. В ходе экспериментов для низкочасто-
тного ГДИ высокоамплитудными гармонически-
ми составляющими были 0.53, 1.06 и 1.59 кГц, а
для высокочастотного излучателя – 4.65, 9.30 и
13.95 кГц. Отметим также, что в связи с генери-
рованием акустических волн двумя излучателями
амплитуды высших гармоник (от 15 до 25 кГц) во-
зрастают, что также вносит определенный вклад
в интенсификацию процесса эмульгирования. На
рис. 3, б представлена фотография спектра много-
частотного акустического сигнала, генерируемого
совместно двумя прямоточными ГДИ в оптималь-
ном режиме.
Таким образом, разработанная установка ока-
зывается более эффективной по сравнению со слу-
чаем использования в качестве эмульгатора одно-
го ГДИ [12]. Это можно объяснить наличием в аку-
стическом поле, по крайней мере, шести высоко-
амплитудных гармоник. В результате вероятность
захлопывания кавитационных пузырьков различ-
ных радиусов повышается, что усиливает кавита-
цию и делает воздействие акустического поля на
обрабатываемую жидкую среду более эффектив-
ным.
Исследование процесса акустического эмульги-
рования показало, что эмульсия, приготовленная
при температуре 20◦C с одноразовым прокачива-
нием через рабочую камеру установки, оказалась
довольно стойкой и расслаивалась на 80 % только
через 10 суток. При этом размер большинства ча-
стиц масла составлял от 2 до 4 мкм. Более высоко-
дисперсную эмульсию удалось получить при тре-
хкратном ее прокачивании через два ГДИ.
С повышением температуры до (45 . . .50)◦C да-
же при одноразовом прокачивании образовыва-
лась стойкая высокодисперсная эмульсия практи-
чески молочного цвета с доминированием части-
чек диаметром от 0.3 до 1.5 мкм. Первые признаки
ее расслоения появлялись только через 30 суток.
Многократное прокачивание эмульсии через рабо-
чую камеру установки не оказало существенного
влияния на ее качество. Отметим, что температур-
ный диапазон (45 . . .50)◦C был выбран, исходя из
условий работы ГДИ с пульсирующей кавитацион-
ной областью, – при температуре выше 50◦C резко
падает интенсивость генерируемого акустического
сигнала [15], что отрицательно сказывается на ка-
честве эмульсий.
На рис. 4 представлено распределение по ра-
змерам частиц масла в воде для 10 % эмульсий,
приготовленных разными способами. Анализ при-
веденных на графике кривых убеждает, что лю-
бое акустическое воздействие на обрабатываемую
жидкую среду оказывает положительное влияние
на качество эмульсии. Тем не менее, предпочте-
ние следует отдать эмульгированию в многочасто-
тном акустическом поле, созданном двумя работа-
ющими одновременно гидродинамическими излу-
чателями. Именно при сочетании многочастотно-
го спектра акустического сигнала и оптимального
гидростатического давления в жидкости достигае-
тся наибольшая эрозионная активность кавитаци-
онной зоны в рабочей камере.
На рис. 5 для сравнения приведены микро-
структуры эмульсий, приготовленных с помощью
лопастной мешалки (n=133 об/c) и в многоча-
стотном акустическом поле двух прямоточных
ГДИ. Анализ показал, что если в первом слу-
62 О. В. Сухарьков
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
чае получена эмульсия низкой дисперсности –
(7 . . .10) мкм, – то во втором дисперсность во-
зросла практически на порядок – (0.3 . . .1.5) мкм.
Этот показатель сравним с результатом, получен-
ным при использовании пар магнитострикцион-
ных преобразователей с резонансными частотами
20 кГц и 50 Гц или 1 МГц и 20 кГц [3]. Следу-
ет, однако, заметить, что продолжительность про-
цесса эмульгирования в многочастотном акустиче-
ском поле двух прямоточных ГДИ в десятки раз
меньше, чем при эмульгировании с использовани-
ем электроакустических преобразователей.
ВЫВОДЫ
1. Экспериментально исследован процесс эмуль-
гирования в режиме избыточного статическо-
го давления в интенсивном многочастотном
акустическом поле двух прямоточных гидро-
динамических излучателей с пульсирующей
кавитационной областью. Оценено качество
приготовленных эмульсий.
2. Установлено, что разработанный на основе
двух прямоточных ГДИ эмульгатор обеспе-
чивает получение высокодисперсных одноро-
дных стойких к расслаиванию водомасляных
эмульсий.
3. Проведено сравнение качества приготовлен-
ных эмульсий с использованием гидродина-
мических и магнитострикционных преобразо-
вателей, а также механического перемешива-
ния. Показано преимущество многочастотно-
го акустического поля по сравнению с моно-
гармоническим сигналом.
1. Недужий С. А. Исследование процесса образова-
ния эмульсий, вызываемого действием звуковых и
ультразвуковых колебаний // Акуст. ж.– 1961.– 7,
N 3.– С. 275-294.
2. Ультразвук: Маленькая энциклопедия / Под ред.
И. П. Голяминой и др.– М.: Сов. энцикл, 1979.–
400 с.
3. Основы физики и техники ультразвука / Под ред.
Б. А. Аграната.– М.: Высшая школа, 1987.– 352 с.
4. Сухарьков О. В. Оптимизация параметров прямо-
точного гидродинамического излучателя в усло-
виях гидростатического давления // Акуст. вiсн.–
2008.– 11, N 4.– С. 54–63.
5. Ультразвуковая установка / Шестовских А. Е. и
др.– Пат. России.– N 2286216, МПК B01F 11/02.–
2006.
6. Дудзiнський Ю. М., Сухарьков, О. В., Манiче-
ва Н. В. Модель прямоточного гiдродинамiчного
випромiнювача з кiльцевим соплом i схiдчастою
перешкодою // Акуст. вiсн.– 2004.– 7, N 3.– С. 49–
54.
а
б
Рис. 5. Микроструктуры эмульсий, приготовленных
разными способами:
а – с помощью лопастной мешалки;
б – в многочастотном акустическом поле
двух прямоточных ГДИ
7. Гидродинамическая излучающая система / Кор-
тнев А. В., Назаренко А. Ф., Сухарьков О. В.– Авт.
свид. СССР.– N 806153, МПК В06В 1/20.– 1981 //
Бюл. N 7.
8. Сухарьков О. В. Акустические характеристи-
ки осесимметричных прямоточных гидродинами-
ческих излучателей // Наук. працi ОНАЗ iм.
О. С. Попова.– 2005.– N 2.– С. 60–65.
О. В. Сухарьков 63
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 4. С. 57 – 64
9. Сухарьков О. В. Экспериментальное исследо-
вание акустических характеристик осесимметри-
чных прямоточных гидродинамических излучате-
лей // Наук. працi ОНАЗ iм. О. С. Попова.– 2006.–
N 1.– С. 74–79.
10. Дудзинский Ю. М., Сухарьков О. В., Маниче-
ва Н. В. Энергетика прямоточного гидродинами-
ческого излучателя в условиях гидростатического
давления // Акуст. вiсн.– 2004.– 7, N 1.– С. 44–49.
11. Сухарьков О. В. Влияние гидростатического дав-
ления на энергетические характеристики прямо-
точного гидродинамического излучателя // Наук.
працi ОНАЗ iм. О. С. Попова.– 2009.– N 1.– С. 70–
77.
12. Назаренко А. Ф., Козовый С. И., Слиозберг Т. М.,
Назаренко А. А. Особенности акустического спосо-
ба приготовления СОЖ и его применение в маши-
ностроении // Вiсн. Iнж. акад. України.– 2001.–
N 3.– С. 365–368.
13. Dezhkunov N. V., Francescutto A., Ciuti P.
Enhancement of the conversion and concentration of
energy in a multibubble cavitation zone // Proc. 16-
th Int. Sympos. on Nonlinear Acoustics.– Moscow,
2002.– P. 919–926.
14. Дудзiнський Ю. М., Сухарьков О. В. Спектр зву-
ку, генерованого зануреною осесиметричною стру-
минною оболонкою // Мат. методи та фiз.-мех.
поля.– 2007.– 50, N 2.– С. 129–134.
15. Максимов В. Г., Сухарьков О. В., Сухарьков А. О.
Очистка деталей автомобилей с использованием
гидродинамических излучателей // Тр. Одес. по-
литех. ун-та.– 2002.– 1(17).– С. 65–68.
64 О. В. Сухарьков
|