Розділ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕССУ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО РОЗПИЛЕННЯ РІДИНИ
2.1. Експериментальне дослідження процесу ультразвукового розпилення рідини
Підвищення ефективності технологій в хімічному виробництві, в машинобудуванні,
сільському господарстві та інших виробництвах, що використовують
дрібнодисперсний рідинний аерозоль, суттєво залежить від повноти і
достовірності наших уявлень про фізику процесу ультразвукового розпилення,
визначеності впливу різних факторів на дисперсні характеристики аерозолю та
процеси факелоутворення. Так, наприклад, максимальна ефективність лікування
бронхіол та альвеол легень досягається при дисперсності аерозолю ліків 0,5...10
мкм, верхніх дихальних шляхів – 10...30 мкм [113]. В двигунобудуванні при
створенні карбюраторних систем підготовки паливно-повітряних сумішей
приходиться враховувати діапазон розкиду діаметрів крапель аерозолю 50...150
мкм, що забезпечується пневматичним способом розпилювання [104,105,115,148].
При створенні систем впорскування палива з електромагнітними диспергаторами в
розрахунки процесу горіння приймається діапазон крапель 15...60 мкм, що
досягається при проході палива під тиском через малі отвори [104,115].
Ультразвукове розпилення в тонкому шарі забезпечує діапазон 5...30 мкм.
Ультразвукове розпилення у фонтані дозволяє досягти меж 0,5...5 мкм. Суттєву
роль відіграє також розподіл діаметрів крапель по перетину факела аерозолю.
Ефективність багатьох технологічних процесів в значній мірі залежить від форми
факела аерозолю, її стабільності та визначеності розподілу дисперсності
аерозолю по перетину факела [114,115,117].
Дослідження процесу факелоутворення при ультразвуковому розпиленні
Різноманітність застосувань дрібнодисперсного аерозолю, який отримано шляхом
ультразвукового розпилення, потребує всебічного дослідження питань формування
потрібного факела розпилу, питань впливу на характеристики аерозолю реологічних
властивостей рідини за умови різних способів підведення до рідини
ультразвукової енергії.
Для експериментального дослідження процесу ультразвукового розпилення рідини з
підводом акустичної енергії з боку рідини були виготовлені макетні установки,
що реалізують процес розпилення у фонтані за схемою рис.1.20 та процес
розпилення в тонкому шарі за схемою рис.1.21 [104].
Дослідження процесу розпилення у фонтані показало, перш за все, значну
чутливість цього способу до рівня рідини у зоні розпилу. Коли рівень рідини
знаходиться вище фокальної точки на поверхні рідини за рахунок радіаційного
тиску з’являється пагорбок, який по мірі зниження рівня рідини підіймається та
витягується у стовпчик, що коливається (рис.2.1), а потім перетворюється у
бурхливий фонтан крупних крапель (рис.2.2а), які утворюються при розпаді
струменів, що вириваються з об’єму рідини.
а) б)
Рис.2.2. Друга (а) та третя (б) стадії утворення ультразвукового фонтана
Подальше наближення до фокальної точки підвищує рівень збудження рідини, що
призводить до розпаду великих крапель на близькі до монодисперсних (рис.2.2б).
Згідно капілярно-хвильової гіпотези [155], виділення дрібнодисперсних крапель
аерозолю з поверхні великих крапель, що витягнуті в струмені, відбувається
внаслідок утворення на поверхні рідини, що розпилюється, стоячих капілярних
хвиль кінцевої амплітуди. При досягненні певного рівня збудження, коли
амплітуда капілярних хвиль починає перевищувати деяке порогове значення,
відбувається різке зростання амплітуди, що викликано втратою можливості
утримання силами поверхневого натягування рідини синусоїдальної форми
капілярних хвиль. Це призводить до нестійкості хвиль, що супроводжується
руйнуванням їх гребенів, з яких зриваються дрібнодисперсні краплі аерозолю.
Встановлено, що оптимальний для диспергування рівень рідини залежить від
властивостей рідини, що розпилюється. Так, при розпиленні води рівень повинен
бути трохи вищий за фокальну точку, а при розпиленні бензину – нижчий. Це
підтверджує результати дослідів, що наведені в роботі [155]. Паралельно з
дрібнодисперсним аерозолем у фонтані присутні дуже великі краплі рідини.
Викликає на себе увагу періодичний характер викидань великих крапель рідини
(рис.2.2а). Внаслідок високого рівня дисперсності краплі аерозолю, що отримані
в ультразвуковому фонтані, мають дуже малу кількість руху і легко відносяться
при найменшому русі повітря, який викликано, наприклад, подихом повітря або
акустичним полем робочої частоти, присутність якого виявлена в області
фонтаноутворення [156]. Тому не має можливості говорити про будь яку
стабільність форми факела, що утворюється.
Дослідження також показало, що продуктивність розпилення рідини зростає з
ростом електричної потужності, що підводиться до п’єзоелектричного
перетворювача диспергатора. Ця залежність має близький до аперіодичного закон з
явно вираженою насиченістю. Встановлено також зростання продуктивності процесу
розпилення при зменшенні коефіцієнту динамічної в’язкості (табл.2.1). У роботі
[157] показано, що продуктивність також зростає з ростом величини тиску
насиченої пари. Оскільки вказані параметри рідини залежать від температури, то
і продуктивність процесу диспергування росте з ростом температури. При цьому,
як буде показано нижче, встановлено, що дисперсність аерозолю від температури
рідини майже не залежить. Таким чином, зростання продуктивності досягається за
рахунок утворення додаткових крапель аерозолю. Дуже велика різниця у
дисперсності аерозолю та великих крапель, що паралельно відлітають з рідини,
дозволяє за допомогою простих уловлювачів повернути великі краплі