РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕКОЛОГІЧНО БЕЗПЕЧНОГО ПРОЦЕСУ ОБРОБКИ АЕРОЗОЛЬНИМИ ГАЗОДИНАМІЧНИМИ ПОТОКАМИ
2.1. Теоретичне дослідження взаємодії рідких аерозольних частинок з шаром забруднення
Основною перевагою газодинамічного аерозольного потоку є ударна дія окремих частинок миючої рідини на поверхню, що очищається.
Аналіз експериментальних даних свідчить, що видалення маси М при багаторазовій дії крапель рідини проходить в три етапи (рис.2.1).
На першому етапі видалення маси практично не спостерігається (схований інкубаційний період). Після схованого періоду протягом визначеного часу швидкість віднесення маси залишається майже постійної, тобто віднесення маси змінюється лінійно з часом. Після цього періоду настає період завершальної стадії віднесення маси.
Вплив швидкості Vr і кута нахилу ? осі струменя до оброблюваної поверхні на віднесення маси з одиниці площі може бути визначено виразом [9] :
~, (2.1)
де Vc - постійна (граничне значення швидкості, при якій віднесення маси не враховуємо, мале, приблизно 80-90 м/с);
n? 2 - 5, причому зі збільшенням крихкості матеріалів показник ступеня зростає.
Під впливом рідких аерозольних часток спочатку виникає ушкодження поверхні, а потім відбувається віднесення її маси, причому ушкодження може виникати внаслідок деформації поверхні забруднення, поширення хвиль напруги в подовжньому і поперечному напрямках, поперечного розтікання струмків рідини, а також унаслідок проникання рідини усередину матеріалу забруднення.
Поперечне розтікання рідини починається після того, як ударна хвиля обжене границю зони контакту, що розширюється, між краплею і деталлю, при цьому з'являється вільна поверхня, через яку відбувається поперечне розтікання рідини.
В силу закону про сталість масової витрати рідини, швидкість поперечного розтікання Vr може приблизно в 2 - 6 разів перевищувати швидкість часток рідини в момент удару (рис.2.2).
Тиск р гідравлічного удару залежить від швидкості часток, кута нахилу ? осі струменя до оброблюваної поверхні, а також від співвідношення імпедансів рідини zж і матеріалу забруднення zз, [7]:
, (2.2)
При взаємодії крапель рідини з твердою поверхнею максимальний тиск спостерігається на периферії зони контакту (рис.2.3), де в першу чергу і відбувається руйнування поверхні забруднення в результаті підвищення тиску р. Під дією струменів рідини, що поперечно розтікаються, відбувається віднесення маси забруднення в периферійних місцях контактної області.
Відносний критичний радіус контактної області (рис.2.4), що відповідає моменту виникнення поперечного розтікання рідини в краплі, визначається вираженням [9] ;
, (2.3)
де ак- радіус контактної області;
а, V - відповідно радіус і швидкість удару краплі з поверхнею;
с - швидкість поширення звуку в рідині.
Для рідини з густиною ? (у кілограмах на кубічний метр) тиск гідравлічного удару pГ дорівнює
. (2.4)
Вираження для сили F , що діє на шар забруднення в момент удару краплі, з врахуванням (2.3) і (2.4) може бути представлене у вигляді
. (2.5)
З вираження (2.5) випливає, що сила, яка руйнує шар забруднення, пропорційна густині робочої рідини і швидкості аерозольного потоку в третьому ступені.
Досвід використання миючих розчинів свідчить про можливість підвищення ефективності мийки деталей шляхом зміни фізичних властивостей миючих рідин і величини діючої сили за допомогою електричного поля.
Оцінимо вплив електричного поля на миючу дію. Тиск pi, що підтримує сферичну краплю рідини в рівновазі внаслідок поверхневого натягу, визначається відомим вираженням:
, (2.6)
де ? - поверхневий натяг, Н/м.
На електрично заряджену краплю зсередини буде діяти тиск pе, що зменшує поверхневий натяг краплі. Відповідно до роботи [49] тиск, обумовлений дією електричного поля з напруженістю Е, визначається вираженням
, (2.7)
де ?0=8,85?10 -12 - діелектрична постійна, Ф/м;
? - відносна діелектрична проникність рідини.
У результаті дії електричної сили поверхневий натяг краплі буде визначатися результуючим тиском
, (2.8)
причому зменшення поверхневого натягу пропорційно напруженості електричного поля на поверхні краплі.
Таким чином, низький поверхневий натяг водних частинок можна забезпечити застосуванням електричного поля і в результаті виключити використання екологічно небезпечних, пожежовибухонебезпечних токсичних розчинників.
Вплив електричних сил на миючу дію можна приблизно оцінити, якщо представити хмару електрично заряджених часток і поверхню, що очищається, у вигляді двох паралельних пластин (рис.2.5) з елементарними зарядами de1 на елементі поверхні dS точці А и de2 на кільці радіусом r шириною dr . Відповідно до теореми Гаусса [50] :
де D - електрична індукція.
На підставі закону Кулона елементарна сила взаємодії між de1 та de2 може бути представлена виразом:
, (2.10)
Складова сили, паралельна осі Y , має вигляд
, (2.11)
З урахуванням вираження для
одержуємо
. (2.12)
Після інтегрування вираження (2.12) для диска радіусом r0 одержуємо вираження для вертикальної складової сили, що діє нa поверхню
, (2.13)
Для поверхні з критичним радіусом контактної області з урахуванням формули (2.3) за умови можна записати:
, (2