Ультразвуковой капилярный эфект.2.

4 Снятие капиллярных ограничений при помощи ультразвука

Впервые влияние параметров ультразвука на подъем жидкости в капиллярах обнаружил Ричардс. В его экспериментах использовались стеклянные трубки с внутренним диаметром d=0,5–2 мм, имевшие входной рупор. При нормальном падении волн на отверстие рупора в трубке наблюдался дополнительный подъем уровня жидкости Н (сверх высоты капиллярного уровня), пропорциональный силе звука. Это наблюдение было подтверждено затем Ояма. Пинуар использовал этот эффект для измерения звуковой энергии в воде.

В серии работ Е.Г.Коновалова и И.Н.Германовича обнаружено, что дополнительный подъем Н под действием ультразвука (частота f=20 кГц, интенсивность I=3,5 Вт/см²) линейно растет при повышении температуры и увеличении диаметра. Максимальная высота и скорость подъема наблюдались при контакте капилляров с поверхностью ультразвукового излучателя. На кривых, отображающих зависимость скорости и высоты подъема от расстояния между торцом капилляра и излучателем, имеются чередующиеся максимумы и минимумы. Описывая этот эффект, зарегистрированный как открытие, авторы первоначально предположили, что при расположении капилляра на поверхности излучателя действует насосный эффект.

Ю.П.Розин и Н.П.Тихонова (Одесский Государственный университет) модифицировали прибор Ричардса с целью измерения поверхностного натяжения, предложенный Ребиндером. Они разработали компенсационный метод измерения интенсивности звука. В пузырьках, образуемых в акустическом поле, максимальное давление воздуха намного выше, чем в отсутствии поля. При увеличении интенсивности звука форма мениска становилась более плоской. По мнению авторов, это эквивалентно действию постоянного давления, направленного внутрь капилляра и не зависящего от угла наклона капилляра относительно звукового фронта.

В.И.Дрожалова и Ю.И.Китайгородский считают, что Н–эффект наблюдается только при звуковых давлениях выше порога кавитации, причем максимум эффекта отвечает звуковому давлению 0,15–0,3 МПа. Высокоскоростная съемка показала, что подъем жидкости связан с локализацией кавитационного облака вблизи входа в капилляр. Это привело авторов к выводу, что дополнительный подъем происходит в следствие захлопывания кавитационных пузырьков во входном сечении капилляра. Затем М.Н.Костючек и Ю.П.Розин показали, что максимум Н–эффекта возникает при расстоянии от торца капилляра до поверхности излучателя, близком к среднему диаметру кавитационных пузырьков. Таким образом, в этой работе Ю.П.Розин соглашается, по-видимому, с кавитационной гипотезой эффекта.

В ряде теоретических работ эффект объясняли различными причинами: поперечными колебаниями стенок капилляра; существованием градиента продольной колебательной скорости стенки капилляра, связанной с условиями его закрепления; изгибными колебаниями капилляра.

В.Г.Баренцев и В.Н.Моторин на основании проведенных экспериментов предположили, что акустическая кавитация в жидкости приводит к срезанию части амплитуды ультразвуковой волны во время фазы разрежения, что приводит к появлению средней (постоянной) составляющей в давлении около устья капилляра.

МИХМом, совместно с Институтом физической химии АН СССР, была предпринята попытка дополнительной экспериментальной проверки эффекта. Исследовалось влияние геометрии входных отверстий капилляров в докавитационном и кавитационном режимах на движение жидкости через капилляр.

В первой серии экспериментов открытые капиллярные трубки (d=1 мм) с коническими входами опускались в ванну с водой (рис. 2, а). Колебания создавались магнитострикционным преобразователем типа ПМС-6, работающем в кавитационном режиме (f=20 кГц; I=3 Вт/см²).

При включении ультразвука наблюдалось повышение уровня мениска (Н0), если расширение было обращено вниз, и опускание (Н

В другой серии опытов в колебательное движение приводилась пластинка с коническим проколом (рис. 2, б). В мембране 1 микрофонного капсюля 2 типа ДЭМШ-1 был образован конусный канал длиной 1мм и с диаметрами на концах 0,5 и 1 мм. К верхней части капсюля со стороны узкой части канала, через резиновую трубку 3, присоединялся регистрирующий капилляр 4 (d=0,4 мм). При колебаниях мембраны наблюдался дополнительный подъем Н=75 мм, когда расширение было обращено вниз. При присоединении капилляра к капсюлю со стороны широкой части конического отверстия наблюдалось опускание мениска (Н

Результаты опытов объяснились, предположив, что возникновение разности давления ρgН связано с зависимостью гидравлического сопротивления от направления течения жидкости. При очень малых колебательных скоростях течение ламинарно и эффект асимметрии не обнаруживается (Н=0). Если же ламинарность течения нарушается, то и гидравлическое сопротивление сужающегося канала становится существенно меньше, чем расширяющегося. Следует заметить, не только прокол в мембране, но и просто плоский торец капилляра представляет собой асимметричную систему, что объясняет наблюдаемый в капиллярах Н–эффект.

Рис. 2 – Схема экспериментов по воздействию колебаний на уровень жидкости в капилляре

а – капилляр в ультразвуковом поле: 1 – излучатель; 2 – жидкость; 3 – капилляр;

б – колебания мембраны с асимметричным отверстием: 1 – мембрана; 2 – микрофонный капсюль; 3 – резиновая трубка; 4 – капилляр.

Для выяснения роли кавитации в ультразвуковом капиллярном эффекте были проведены опыты, в которых изучалось прохождение пучка света через кавитационную область в фазе разрежения и сжатия. Интенсивность прошедшего пучка в фазе разрежения оказалось на 20 % меньше, чем в фазе сжатия. Это объясняется тем, что объем кавитационных пузырьков в фазе разрежения больше, чем в фазе сжатия. Вместе с тем, в фазе разрежения у входа в капилляр поток направлен из капилляра наружу, а в фазе сжатия – в обратном направлении, т.е. в капилляр. Это означает, что кавитационные пузырьки больше препятствуют вытеканию, чем втеканию, создавая дополнительный эффект асимметрии.

Кавитационная область у входа в капилляр усиливает асимметрию гидравлического сопротивления втеканию и вытеканию жидкости и является своеобразным синхронным клапаном, регулирующим течение жидкости через капилляр.

Таким образом, авторы большинства приведенных работ расходятся в толковании механизма явления, названного «ультразвуковым капиллярным эффектом». Получившая наибольшее распространение кавитационная гипотеза объясняет ультразвуковой капиллярный эффект ударами кумулятивных струй или, в упрощенном варианте, давлением, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков около устья капилляра.

Однако эта гипотеза дает противоречивые объяснения всем известным экспериментальным данным не только количественно, но и качественно, что объясняется всем известными экспериментальными фактами:

1. В низкочастотных акустических полях (без кавитации) наблюдается как подъем жидкости в капилляр (положительный эффект), так и опускание жидкости (отрицательный эффект) в зависимости от характера асимметрии входа (диффузор или конфузор).

2. Смещение уровня жидкости в капиллярах наблюдается при воздействии ультразвуковых колебаний на мениск в капилляре через воздух (при отсутствии кавитации).

3. «Ультразвуковой капиллярный эффект» не наблюдается при гидродинамической кавитации без колебания потока жидкости и в отсутствии колеблющихся в устье потоков жидкости.

4. Насосный эффект, т.е. поднятие жидкости по капилляру, находящемуся в контакте с излучателем ультразвука, наблюдается как при кавитации, так и в ее отсутствии.

Приведенные факты указывают на то, что собственно кавитация не является источником постоянного давления, создающего ультразвуковой капиллярный эффект. Для окончательного разграничения кавитационных и гидродинамических явлений в обсуждаемом эффекте проводились эксперименты с амплитудами колебательных скоростей в жидкости, при которых наступает кавитация, но в ее отсутствии.

Авторы этой статьи считают, что «ультразвуковой капиллярный эффект» нужно рассматривать как синергетическое (совместное) воздействие целого ряда сил в нелинейном поле мощного ультразвука. В данном поле система жидкость–капилляр приобретает свойства самоорганизующейся системы, прошедшей точку бифуркации, систему, в которой сила капиллярного давления Р_к (рисунки 1, а; 1, б) изменяется с ультразвуковой частотой (десятки тысяч раз в секунду) от нуля до максимума, приводя к активному движению жидкости по капилляру. Только такой подход позволяет в полной мере понять физическую суть возникновения «ультразвукового капиллярного эффекта», согласуясь с законами Жюрена и Лапласа, с общими законами физики.

5 Фильтрование и пропитка в поле мощного капиллярного ультразвука

В процессах фильтрования и пропитки твердых тел происходит движение жидкой фазы относительно пор и каналов в твердой фазе. Интенсификация этих процессов может быть достигнута при увеличении скорости относительного движения жидкости. Не случайно, поэтому, многочисленные работы были посвящены исследованиям влияния вибраций ультразвука и ударных волн на течение жидкости в капиллярах. В коллоидных системах существенное влияние на процесс начинают приобретать электрические явления, и поэтому для интенсификации технологических процессов, например, в мембранных аппаратах для ультрафильтрации, мы рекомендуем использовать совместное (синергетическое) воздействие акустических (ультразвуковых) и электрических полей.

Возбуждение колебаний в рассматриваемых системах принципиально возможно тремя способами: колебаниями твердых частиц суспензии, колебаниями сетки, колебаниями жидкости. В литературе описаны последние два способа, однако первый способ также представляет значительный интерес, хотя и достаточно сложен в связи со специальными требованиями к свойствам частиц.

Исследованиями подобных фильтров занимались в разное время П.Корд, А.С.Ермилов и др. Основные кинетические закономерности периодического процесса фильтрации через горизонтальную фильтрующую перегородку, совершающую гармонические колебания, перпендикулярные к сетке, были выведены Н.Н.Веригиным и Е.В.Двинских.

Однако, несмотря на перспективность метода, процессы изучены недостаточно.

Приведем основные закономерности фильтрования в ультразвуковом поле. В работах ученых отмечается наличие двух режимов фильтрации с образованием уплотненного фильтрующего слоя осадка и его разрушением.

Производительность процесса фильтрации растет пропорционально росту амплитуды колебаний, однако, с ростом амплитуды понижается степень дисперсности получаемого продукта. Размер частиц основной фракции меньше диагонали ячейки ткани в разы, а при определенных режимах – на порядок.

Таким образом, используя акустическое ультразвуковое воздействие с регулируемыми частотой и амплитудой, принципиально можно управлять не только производительностью, но и составом классифицируемых суспензий, причем грубая настройка на заданный размер производится выбором фильтрующего материала.

Очистка и регенерация фильтрующих материалов и элементов весьма трудоемка и является проблематичной в технологии. Наложение мощного ультразвукового поля является наиболее эффективным методом решения этих трудных задач. Введение ультразвуковых колебаний в дисперсную систему приводит к образованию сложных нестационарных напряжений и потоков жидкости, способствующих дезагрегации, отрыву частиц и выносу их в объем жидкости. В зависимости от физико-химических свойств системы и ее конструктивных факторов существуют оптимальные амплитудно-частотные характеристики воздействия. При прочных равных условиях предпочтение следует отдавать режимам, создающим кавитацию и турбулентность.

Капиллярная пропитка является важнейшей стадией таких технологических процессов, как выщелачивание, производство нанесенных катализаторов, придание различным материалам необходимых свойств и др. Наибольшие трудности в производственных условиях вызывает пропитка капиллярно-пористых тел с защемленным газом (воздухом). В этом случае скорость пропитки и ее полнота определяются выводом газа. В естественных условиях это – диффузионный процесс, происходящий в результате растворения газа. Даже в водных растворах растворимость столь мала, что в телах, пропитываемых в течение нескольких суток, остаются центральные области, занятые газом. Для органических жидкостей и полимеров этот барьер тем более непреодолим вследствие малости коэффициентов растворимости и диффузии.

В действующей технологии используются режимы вакуумирования и другие, не дающие эффективного результата. В системах тупиковых капилляров необходимо осуществить выток газа из капилляров и встречный поток жидкости в капилляр, замещающей в них газ. Этого можно достигнуть, придав жидкости характер струй, направленных внутрь тела и не перекрывающих полностью их сечения.

Подобные струи, в результате кумуляции, образуются на капиллярных менисках при выходе на них фронта ударной волны. Г.А.Кардашев и А.С.Першин выдвинули гипотезу кумулятивной пропитки, которая подтвердилась многочисленными опытами ученых.

Аналогичные эффекты отмечены в ультразвуковом кавитационном поле. Пропитка пористых тел с защемленным газом в поле мощного ультразвука позволяет ускорить процессы в сотни и тысячи раз (на 2–3 порядка), значительно улучшив качество обработки.

В заключение приведем один интересный факт, описанный в книге Ивана Григорьевича Хорбенко «Звук, ультразвук, инфразвук».

Ультразвуковой капиллярный эффект «проливает» свет на явление, казавшееся до сих пор загадочным. На острове Ява, на склонах вулканов растет цветок королевская примула. Местные жители называют его «цветком землетрясений», потому что он расцветает всегда накануне извержения вулкана. Цветок этот никогда не ошибается. Поэтому островитяне точно знают: если цветок выбросил бутоны в неурочное время – жди беды. В чем же здесь дело? Оказывается, перед мощными подземными толчками и началом извержения вулкана возникают слабые колебания самых различных частот, в том числе и ультразвуковых. Они-то и ускоряют движение питательных соков по капиллярам растения, интенсифицируют процесс обмена веществ, и цветок распускается.

Королевская примула не только предупреждает людей о грозящей опасности, но и эффектно демонстрирует действие той огромной силы мощного ультразвука, которая способна, при разумном подходе, осуществить переворот во многих технологических процессах, дать людям эффективные, экологически чистые, энергосберегающие технологии – технологии будущего.

01.06.2010

Зав. Лаборатории Валерий Буряков

Техн. директор Александр Кореневич