Файл: Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 94
Скачиваний: 0
Г. А.КАРДАШЕВ П.Е МИХАЙЛОВ
ЧШИШИЕ S? ІШССЫИАППАРАТ
S;
Г. А. КАРДАШЕВ, П. Е. МИХАЙЛОВ
ТЕПЛО
МАССООБМЕННЫЕ
АКУСТИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
F К О Н і Р О г г Ь
I э к з ь м п л
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1973
Гео. публична*
квучно - те.-,кп * кал
бисід-.ч*. > ' ' - ? К21 ЭКЗЕМПЛЯР УДК 66.015.24 ЧИТАЛЬНОГО аАЛА
ц - ъ |
- |
г з о з ь |
Кардашев Г. А., Михайлов П. Е. Тепломассообменные акустиче ские процессы и аппараты. М., «Машиностроение», 1973, 223 с.
В книге дано физическое введение в теорию процессов тепломассо обмена при акустическом воздействии. Рассмотрено влияние акусти ческих колебаний на различные тепломассообменные технологические процессы, причем акустические воздействия классифицированы по спектральному признаку на узко- и широкополосные. Большое вни мание уделено импульсным (широкополосным) генераторам и источ никам. Изложены теоретические основы и методы инженерного расчета и конструирования акустических технологических аппаратов — от электрических генераторов и излучателей до собственно аппаратов.
Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой и применением тепломассо обменной аппаратуры.
Табл. 5, ил. 123, список лит. 69 назв.
Рецензент д-р техн. наук проф. ГЕЛЬПЕРИН Н. И.
К |
333—282 |
282—73 |
038( 01)—73 |
© Издательство «Машиностроение», 1973 г.
ВВЕДЕНИЕ
Тепломассообменом называют физический процесс пе реноса энергии и массы вещества из одних областей про странства в другие. Во многих технологических процессах тепломассообмен протекает при фазовых и химических превращениях. Большой вклад в учение о тепломассо обмене сделан А. В. Лыковым и его учениками [32—35]. В различных технологических целях конструируют аппа ратное применением либо одной, либо нескольких форм тепло- и массообмена, стараясь оптимально использовать их особенности [46]. Известно, что во многих случаях комплексное применение различных форм тепломассо обмена позволяет существенно интенсифицировать техно логические процессы [32].
Предпринято много попыток ускорить процессы пере носа путем комбинированных и периодических воздей ствий; использованы инфракрасные лучи, токи высокой частоты, сброс давления,, переменные электрические и магнитные поля, упругие колебания инфразвукового, звукового и ультразвукового диапазонов.
Попытки применения ультразвука в технологии впер вые предприняты примерно в 30-е годы, например, в обла сти диспергирования' твердых и жидких тел, коагуляции аэрозолей [37]. Этой области посвящены очень многие работы, среди которых первостепенное значение имеют труды П. А. Ребиндера, Б. В.ч Дерягина, Н. В. Чураева и их учеников по физической химии дисперсных систем, работы А. С. Предводителева, В. Ф. Ноздреаа, И. Г. Ми хайлова в области молекулярной' акустики, исследования сотрудников Акустического института АН СССР и, прежде всего, работы Л. Д. Розенберга и М. Г. Сиротюка по кавитации, О. И. Макарова по преобразователям, С. А. Недужего по акустическому эмульгированию, А. П. Капу стина по кристаллизации, О. И. Бабикова по разработке ультразвуковых. приборов..
За последние 20 лет. тепломассообмену сыпучих тел в псевдоожиженном слое посвящены многие работы,
анализ |
которых дан в фундаментальных монографиях |
І* |
3 |
Н. И. Сыромятникова и В. Ф. Волкова, С. С. Заброд-
ского |
[22], |
Н. И. |
Гельггерина, В. |
Г. |
Айнштейна и |
В. Б. |
Кваша |
[14], |
А. С. Гинзбурга и |
В. |
А. Резникова. |
Эффективность виброкипящего слоя показал Н. И. Сыро мятников.
Ускорение процессов массопереноса акустическими ко лебаниями доказано многочисленными экспериментами [6]. Так, X. Френцель, К. Гинзбург и X. Шульцес, •а также Ф. Б. Баумгарт наблюдали увеличение на 70— 100% скорости диффузии в растворе через пористую мембрану. Г. Томас и Г. Тарночи наблюдали в ультра звуковом поле двух-, трехкратное увеличение скорости диффузии оксалата натрия через целлофановую мембрану.
A.Н. Гинстлинг и А. П. Онохин доказали значительное ускорение пропитки древесины под действием ультра звука. Б. Г. Белов, М. Е. Архангельский и Г. Н. Пинус показали ускорение диффузии в гелях. Н. М. Мальцев,
B.Ю. Орлов, А. М. Гинстлинг и А. А. Барам [16], К. В. Чмутрв и И. Г. Алексеева наблюдали существенное
ускорение сорбционных процессов в ультразвуковом поле. Известно, что акустические колебания ускоряют раство рение, перегонку, экстракцию, влияют на процесс ста рения и создания синтетических дисперсных сплавов (Г: И. Погодин-Алексеев [57]).. А. П, Капустин, А. Н. Ку ценко наблюдали ускорение процессов кристаллизации органических и неорганических веществ. Известны по пытки применения упругих колебаний для ускорения процессов крашения тканей, пропитки металлокерами ческих изделий жидкостями, склеивания металлических изделий, пропитки радиотехнических изделий изоляци онными лаками.
В определенных условиях упругие колебания суще ственно ускоряют процесс сушки. Например, П. Грегуш отмечает десятикратное ускорение сушки хлопкового волокна в звуковом поле с частотой 25 кгц. Значительную интенсивность сушки порошкообразных, пористых и волок нистых материалов (карбоксилэтилцеллюлоза, паста дву окиси титана, коллоидная гидроокись циркония, сили кагель, ферменты, гормоны, бумага, картон) наблюдали при частоте 10 кгц Е. Брун и Р. Ж- Буше.
Исследования влияния акустических воздействий на процессы, сушки, проведенные главным образом в Аку стическом институте АН СССР [58], институте тепло массообмена АН БССР и МИХМе, показали ряд особен-
4
ностей этого вида воздействия. Например, Н. Н. Долго полов и С. Г. Симонян отмечают, что при акустической сушке, в отличие от контактной и инфракрасной, отсут ствует начальная стадия разогрева.' Многие авторы отме чают, что акустическая сушка наиболее эффективна в сочетании с другими формами воздействия. Эффектив ность сушки керамической плитки в акустическом и электромагнитном поле отмечают С. Г. Симонян и Н. Н. Долгополов. Резонансные явления в процессе виброперемешивания цементно-песчаных смесей иссле дованы Н. В. Михайловым и др. [65].
Акустическое воздействие на ход химико-технологи ческих процессов отражено в монографиях Л. Бергмана [6], И. Е. Эльпинера [68], В. М. Фридмана [60], В: А. Но сова [45], А. М. Гинстлинга и А. А. Барама [16] и во многих других работах.
Воздействия, примененные различными исследовате лями, можно разделить на высокоинтенсивные, при кото рых возникает кавитация в среде (разрыв сплошности потока), и низкоинтенсивные, энергия которых. недоста точна для возникновения кавитации. Во многих случаях эффективность воздействия при кавитации на один-два порядка выше, чем на докавитационном уровне. В одних условиях низкоинтенсивное облучение не ускоряет про цесса массообмена. Так, Ю. Я. Борисов и Н. М. Гынкина при сушке этилцеллюлозы отметили существование пороговой интенсивности звука около 140 дб, ниже кото рой акустическое воздействие не ускоряло сушку. Однако во многих работах отмечено существенное ускорение тепло- и массообмена в других условиях при воздействии низкоинтенсивного звука на жидкую и газообразную среду. Причиной таких, на перрый взгляд, противоречи вых результатов является зависимостьотклика (реак ции) озвучиваемой системы, в том числе, и структуры обрабатываемого материала, на примененное воздействие в данном конкретном аппарате.
Известно, например, что при воздействии гармони ческих ультразвуковых колебаний процесс мокрого дуб ления кож ускоряется примерно на 15%. Рассматривая кожевенное ■сырье как сложную акустическую систему, авторы в содружестве с другими исследователями подо брали широкополосное воздействие так, чтобы его' частот ный спектр примерно соответствовал распределению пор в сырье по размерам. Для этого использовали импульсы
. 5
давления длительностью 10 мксек с частотой следования 100 гд. Несмотря на то, что средняя интенсивность звука в рабочей ванне была существенно ниже, чем при ультра звуковой обработке на одной частоте, диффузионные процессы были ускорены в несколько десятков раз. Широкополосное акустическое воздействие от высоко вольтного электрического разряда использовано М. С. Акутиным для получения блок- и привитых полимеров.
Количество исследований влияния упругих колебаний на процессы в веществе быстро увеличивается. Из про веденных работ следует, что упругие колебания суще ственно интенсифицируют процессы тепломассообмена только при правильном выборе воздействия и конструкции аппарата. Для выбора оптимального воздействия необ ходимо уметь оценивать акустические отклики данного материала и аппарата.
В настоящей работе сделана попытка обобщения и систематизации известных материалов и изложения новых данных, полученных авторами и их коллегами за послед ние 12 лет в лаборатории ультразвука и электрического разряда при кафедре физики МИХМа.
Главы I и II написаны П. Е. Михайловым, главы III— XI — Г. А. Кардашевым.
ГЛАВА I
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АКУСТИЧЕСКОГО ТЕПЛОМАССООБМЕНА
Специфическим предметом исследования теории акусти ческого тепломассообмена является механизм реакции структуры материала на акустическое воздействие. Тео рия должна объяснять механизм этой реакции и ее влия ние на процессы переноса энергии, импульса и массы вещества. Кроме «внешней» задачи о передаче колебаний от источника и о возмущениях в пограничной области раздела фаз, необходимо решать основную «внутреннюю» задачу оценки хода физических макро- и микропроцессов внутри обрабатываемого материала, подверженного упру гим колебаниям. Цель теории состоит в определении усло вий и режимов воздействия, обеспечивающих интенсифи-' кацию тепломассообмена в данных материалах.
■Попытки решения основной «внутренней» задачи даже в частных случаях затруднены в связи с недостатком информации о механизме процессов.
В основу теории можно положить кинетические модели вещества и известное представление о распространении колебаний в дискретных средах.
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЕЩЕСТВА
Рассмотрим характеристики структуры вещества на основе кинетической модели. Объемная плотность п частиц вещества зависит от потенциальной энергии и темпера туры. При подводе тепла к единичному объему вещества при постоянной температуре (Т = const) кинетическая энергия его увеличивается, а потенциальная— умень шается вследствие расширения вещества на ту же вели чину, т. е. йЭк = —сІЭп. Тогда, так как сІЭк = kTdn,
а сІЭп — псІЭп, то
/ 2 = п0ехр( — |
(1) |
где A3п — приращение потенциальной энергии взаимо действия при изменении плотности частиц от максимально возможной п0 по данной п\
*k — постоянная Больцмана;
Т— абсолютная температура.
7
Таким образом,, формула (1) расширяет область при менения .известного уравнения Больцмана.
Молекулярное расстояние L (между центрами частиц с диаметрами а) при плотности частиц п можно оценить следующим образом. Минимальный объем одной частицы
всамосжимающейся системе можно считать равным V =
=\/п, а также равным объему V' цилиндрического ка
нала, свободного |
для движения до |
соударения, т. е. |
|
V' = no2iL, |
где |
і — среднее число |
межмолекулярных |
расстояний, |
пройденных частицей до соударения. С уче |
||
том движения всех частиц можно записать V = У 2na2iL. Поэтому
|
|
iL = (У 2 гаг/і)"1. |
|
(2) |
Так как длина свободного пути до соударения меньше |
||||
расстояния |
между |
центрами на величину а, |
т. е. |
/ = |
= iL — о, |
то по |
формуле (2) длина пути, |
свободного |
|
от соударений, |
|
|
|
|
|
|
I = (]/ 2 яа2/г)-1 — а. |
|
(3) |
Выражение (3) аналогично формуле Клаузиуса, выве- ' |
||||
денной в начале XIX в. |
|
при |
||
Максимальная |
концентрация частиц достижима |
|||
I —>0, когда согласно формуле (3) можно считать |
|
|||
|
|
‘ п0 = (V 2 па3)-1. |
|
(4) |
Зависимость длины пути I от температуры получим подстановкой значений величин из формулы (1) в выра жение (3):
L = оехр'-^г или I = of exP j f ----lj- |
(5) |
Вероятность соударения зависит |
от ,диаметра частиц |
и межмолекулярного расстояния L, |
т. е. от плотности |
частиц.
При наиболее плотной гексагональной упаковке сфе рических частиц (шариков) каждая из них окружена 12-ю ближайшими шариками. Принимая, что при равно мерном (в среднем) распределении шариков в простран стве сохраняется сферическая симметрия, найдем для любого г-го слоя число частиц Nt — 12t2, площадь ми шени s = М(.яст2 и площадь рассеяния s,- = 4ni2Lz. По этому вероятность соударения движущейся частицы с лю-
8
бым t-м слоем Bt = 3 (a/L)2, а с одним определенным слоем
В = £ Bt = tß, = Зг (a/L)2.
І
Следовательно, в системе невзаимодействующих ча стиц соударение движущейся частицы с одной из осталь ных неподвижных частиц обеспечено при условии
= т ( к )2 ИЛИ 1 = аУ ЗІо >
где г'о— номер последнего слоя, обеспечивающего досто верность события.
Если бы молекулы были неподвижны, то длина сво бодного пробега с равной вероятностью могла принимать ряд дискретных значений
в пределах L — а < I < < іЬ — а. В системе дви жущихся и притягиваю щихся одна к другой час тиц вероятность соударе ния с ближайшими слоями возрастет, так как притя жение увеличивает эффек тивный диаметр столкно-
Рис. 1. График, иллюстрирую щий соотношение между кине тической, и потенциальной энер гией частицы 2 в ячейке из частиц 1, 2, 3 в зависимостиот координаты г при отсутствии равновесия и преобладании:
а — отталкивания |
(АГ > -ЭП£); |
б — притяжения {кТ |
< ЭПо) |
вения. Кроме того, в'системе подвижных частиц вероят ность проникновенияих за границу iL — а станет отлич ной от нуля. Однако при любых значениях і0 средняя длина пробега между соударениями I Ä* i0L — a.
Состояние простейшей модели ячейки вещества из трех частиц определяется тем, что с уменьшением рас стояния 2L увеличивается потенциальная энергия при тяжения между крайними частицами 1 и 3, но к моменту соударения (положение 2' или 2") уменьшается потенци альная энергия движущейся средней частицы .2 (рис. 1).
- 9