Формирование, распространение и динамическое взаимодействие аэрозолей в ультразвуковых полях

Решение проблемы увеличения производительности ультразвукового диспергирования жидкостей с одновременным уменьшением среднего размера формируемых частиц представляет значительный интерес для реализации новых технологических приложений, например, распылительной сушки, нанесения покрытий, распыления дезинфицирующих и лекарственных средств. За отчетный период предложены и разработаны новые способы распыления жидкостей при воздействии ультразвуковыми колебаниями как со стороны жидкости, так через газовую среду, обеспечившие увеличение дисперсности и производительности, в сравнении с известными способами. 1. Решение проблемы обеспечено за формирования слоя жидкости под избыточным давлением в замкнутом цилиндрическом объеме с отверстием, расположенным напротив центра колеблющейся распылительной поверхности, формирования слоя жидкости с парогазовыми кавитационными пузырьками, истекающей из отверстия. На разработанный способ распыления подана заявка на патент РФ №2023130163 от 20.11.23 г. Принципиальным отличием предложенного способа от известных является возможность управлять размерами капель (минимизировать их), подбирая интенсивность воздействия в соответствии с гидростатическим давлением. Эффективность предложенного способа обоснована анализом созданной физико-математической модели формирования деформированных пузырьков в слое жидкости с истечением жидкости через отверстие и последующим диспергированием, учитывающей деформацию пузырька при его росте в тонком слое жидкости. Полученное математическое описание, построенное на основе модели адиабатического расширения в атмосфере (уравнение Пуассона) и разрушения кавитационного элемента позволило определять значение радиуса кавитационного пузырька в стадии максимального расширения от характеристик УЗ воздействия (частота, интенсивность), поверхностного натяжения жидкости и показателя адиабаты ее паров. Разработка математической модели формирования капель кавитационным пузырьком по механизму лопающегося пузыря позволила обосновать размер формируемых капель. 2. Проведенные исследования акусто-гидравлического распыления жидкостей позволили установить, что критическая интенсивность будет прямо пропорциональна гидростатическому давлению в степени 2/3 и квадрату частоты УЗ колебаний. Впервые выявлены зависимости размера формируемых капель от гидростатического давления, режимов УЗ воздействия (интенсивности и частоты колебаний) и физических свойств жидкости, что обеспечило возможность управления размером формируемых капель. Установлены зависимости объемного расхода распыляемой жидкости от гидростатического давления и геометрических параметров распылителя, что обеспечило в кавитационном режиме существенное повышение дисперсности капель по сравнению с гидравлическим распылением (размер капель снижается с 300…200 мкм, до 35…25 мкм). 3. Другим перспективным путем решения проблемы стала разработка способа диспергирования, основанного на реализации распада переносимой воздушным потоком капли жидкости под действием УЗ поля, создаваемого в трубе ступенчато-переменного сечения. Вероятность и механизм распада капли определяется в критериальном виде по соотношению сил поверхностного натяжения капли жидкости и сил инерции и радиационного давления. По соотношению этих критериев определяется, деформируется капля или распадается, а также механизм распада капли. При анализе модели был впервые предложен энергетический подход к оценке предельного размера капель при их прохождении через ряд пучностей УЗ стоячей волны. Определены важные гидродинамические критерии, влияющие на процесс распада капель в УЗ поле, выявлены критические условия возможности распада капли, определено количество пучностей стоячей УЗ волны (элементарных актов дробления), которые должна пройти капля для достижения требуемого диаметра. 4. Исследования и реализация предложенного способа позволили установить режимы возбуждения УЗ колебаний и определить форму излучателя в виде трубы ступенчато-переменного сечения, обеспечивающей распад капель жидкости переносимых потоком воздуха внутри трубы, с целью высокопроизводительного формирования тонкодисперсного аэрозоля. Для практической реализации предложенного способа многостадийного УЗ распыления был разработан УЗ излучатель, в виде полого изгибно-колеблющегося цилиндра (трубчатый излучатель). Использование такого типа излучателя позволило создать регулярную структуру колебаний большой протяженности и разрушать капли до достижения минимально возможного размера. На разработанный способ распыления подана заявка на патент РФ. 5. Полученные экспериментальные результаты подтвердили адекватность разработанных моделей и оптимальность выявленных режимов и условий УЗ воздействия, а также эффективность предложенных способов акусто-гидравлического и многостадийного формирования аэрозолей. При реализации способа акусто-гидравличского распыления установлено, что изготовленные экспериментальные образцы распылителей (размер отверстия истечения жидкости 0,8 мм) позволяют при частоте воздействия 22,5 кГц достичь средних размеров капель (здесь и далее используется диаметр Заутера) менее 40 мкм при производительности в диапазоне 6-10 мл/с (гидростатическое давление в жидкости 2 – 8 атм.) при создании условий кавитационного распыления. На частоте 44,2 кГц – не более 23 мкм при той же производительности. В ходе проведенных экспериментов подтверждена эффективность разработанного способа многостадийного распыления, пригодного для формирования капель средним размером менее 40 мкм с производительностью, превосходящей не менее чем в 10 раз известные способы УЗ распыления. Показано, что дисперсные характеристики формируемых капель главным образом зависят от уровня звукового давления, при котором дробятся капли. Так, увеличение уровня звукового давления от 160дБ до 182 дБ позволяет изменять средний диаметр формируемых капель в пределах 34-170 мкм, без изменения производительности распыления. Таким образом, проведенные исследования позволили разработать и исследовать новые способы (акустико-гидравлический и акустический многостадийный) распыления жидкостей, сочетающие в себе высокую производительность с высокой дисперсностью формируемых капель. Предложенные способы обеспечили формирование капель, размером менее 40 микрон с производительностью около 6-10 мл/с для акусто-гидравлического способа и менее 38 мкм с производительностью до 20 мл/с для многостадийного способа при используемой частоте ультразвука 22 кГц, что подтвердило их значительный потенциал в различных технологических приложениях, требующих высокопроизводительного и тонкогодисперсного распыления. Таким образом, проведенные исследования позволили получить запланированные результаты и обозначить пути практического применения результатов исследований.