Файл: Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов.pdf

Т а б л и ц а 126

КАВИТАЦИЯ

При определенных условиях в поле ультразвукового излучения возникает кавитация, т. е. разрыв сплошности жидкости, сопровождаемый образованием мельчайших пузырьков, наполненных па­ ром и газами, содержащимися в жидкости.

При захлопывании кавитационных пузырьков возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия яв­ ляются причиной разрушительного действия ультразвука.

495

Рэлей, идеализируя картину развития кавитационного пузырька (считая, что жидкость несжимаема, в ней отсутствуют газы, а ее вязко­ стью можно пренебречь), показал, что максимальное давление в жидкости на расстоянии г = 1,587 R от центра пузырька будет

Кавитационные полости образуются при определенной интенсивно­ сти звука, так, минимальная интенсивность звука, при котором возника­ ет кавитация в водопроводной воде, составляет 0,16—2 Вт/см3 при часто­ те 15 кГц, что является кавитационным порогом [6, 44].

Большое влияние на возникновение и течение кавитации оказывает вязкость жидкостей. С увеличением вязкости условия возникновения ка­ витации затрудняются.

Значительную роль в возникновении и развитии кавитации играют зародышевые центры, представляющие собой микропузырьки газов и па­ ров, а также мельчайшие взвеси неоднородных включений в жидкости. Кроме того, появлению зародышей способствует воздействие на жидкость космических лучей, нейтронов и др.

Наличие таких зародышей уменьшает прочность жидкости, значи­ тельно снижая необходимое усилие разрыва сплошности. Так, известно, что предельно чистые жидкости, из которых, кроме того, эвакуирован газ, не подвержены кавитации.

Наиболее интенсивно кавитация развивается на границе раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Так, граница раздела между водой и воздухом вследствие очень большой разницы в волновых сопротивлениях представляет собой практически непреодоли­ мую преграду для ультразвука. При этом волны отражаются в противо­ фазе, что приводит к возникновению растягивающих усилий, которые

ивызывают интенсивную кавитацию.

Сувеличением температуры жидкости уменьшается необходимый порог звукового давления, достаточного для возникновения кавитации.

Однако эта зависимость не носит линейного характера [39], что связано с уменьшением вязкости.

Соотношение между вязкостью т; жидкости и давлением рс имеет следующий вид:

Прочность жидкости на разрыв зависит только от гидростатического давления р0 столба жидкости, если вязкость будет приближаться к зна­ чению 0,00013 Па-с. Следовательно, амплитуда давления ра, при кото­ рой начинается образование кавитации, понижается при уменьшении вязкости, так как

496

Продолжительность захлопывания пустого пузырька t (с) можно оп­ ределить по уравнению

в зависимости от продолжительности его существования. Из рис. 223 видно, что в начальный момент под действием приложенных сил пузырек плавно увеличивает­ ся, а затем резко захлопывается.

Большинство кавитационных полостей захло­ пывается в течение одного полупериода ультра­ звуковой волны, это дает возможность сравни­ тельно легко определить продолжительность их «жизни». Розенбергу и его сотрудникам удалось установить, что в жидкостях содержатся кавита­ ционные пузырьки, существующие сотни перио-

Расчетным путем доказано, что в условиях резонанса возникающие давления могут превышать гидростатическое в 150 000 раз. Поскольку захлопывание пузырька происходит в минимальное время, процесс сжа­ тия следует считать адиабатическим, что должно привести к резкому скачку температуры в газовой фазе пузырька. С достаточной степенью точности температуру в газовой полости можно вычислить из уравнения

cv

При определенных условиях локальная температура при сжатии пу­ зырька может достигать 2000° К.-

Возникновение и развитие кавитации сопровождаются электрически­ ми процессами в кавитационном пузырьке.

Согласно теории Я. И. Френкеля [88], кавитационная полость в мо­ мент своего возникновения имеет чечевнцеобразную форму, которая в дальнейшем переходит в шарообразную. По Френкелю, в начальный момент противоположные стенки полости обладают разноименными за­ рядами, что приводит к образованию электрического поля, аналогичного полю конденсатора. При этом напряженность поля

Е = , ■ (V—19)

497

Напряженность поля может достигать 400—600 В/см. Если учесть, ■что в этот момент расстояние между стенками полости невелико, а давле­ ние паров мало, то может возникнуть электрический пробой, что приведет к излучению в ультрафиолетовой части спектра. По-видимому, это явля­ ется одной из важнейших причин химического действия ультразвука. Явление электрического пробоя сопровождается свечением (люминесцен­ цией) жидкости.

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

В качестве источников ультразвуковых колеба­ ний используют аэродинамические, механические, гидродинами­ ческие, электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели. Выбор источника

са. На рис. 224 приведены примерные диапазоны частот различ­ ных источников ультразвука. Как видно из графика, минималь­ ными частотами обладают механические, электромагнитные и электродинамические преобразователи. Наибольшую частоту удается достичь при использовании пьезоэлектрических источ­ ников (> 106 Гц).

498

Для работы в газовых средах распространение получили аэродинамические преобразователи (рис. 225). Принцип работы такого преобразователя следующий: сжатый воздух, поступаю­ щий через ниппель, попадает в сопло с резонатором, которые помещены в камеру вторичного резонатора, расположенную в центре экспоненциального рупора. В камере вторичного резона­

да политронами, основывается на разделении струи жидкости на ряд плоских струй, получающих дополнительное ускорение. В результате такого разложения основной струи возникают пе­ риодические импульсы давления. Рабочая часть аппарата (см. рис. 226) представляет собой концентрические чередующиеся неподвижный St и подвижный R роторы с щелями. Как видно из приведенной схемы, рассечение струи и ее ускорение приво­ дит к образованию импульсов давления. Частота импульсов за­ висит от числа подвижных роторов и неподвижных статоров, количества щелей и числа оборотов и может достигать килогерц. Практически политроны создают частоты порядка 100—2000 кГц.

Генератор предназначен для непосредственной установки в реакторе. Эти устройства можно применять также и для обра­ ботки жидкостей газами, при этом процесс проходит чрезвычай­ но интенсивно при большой поверхности контакта между фаза­

499