Акустическая коагуляция аэрозолей

U-Sonic – Лаборатория акустических процессов и аппаратов
АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
В . Н . ХМЕЛЕВ , А . В . ШАЛУНОВ , Р . В . БАРСУКОВ , С . Н . ЦЫГАНОК , Д . С . АБРАМЕНКО
Бийский технологический институт ( филиал ) государственного образовательного
учреждения высшего профессионального образования « Алтайский государственный
технический университет им . И . И . Ползунова »
Современные тенденции развития ( воздуховодах ) и на открытых пространствах ,
общества , связанные с большим распро - в частности для осаждения тумана на взлет -
странением потенциально опасных про - но - посадочных полосах аэродромов и при
изводств и постоянно возникающей угро - движении морских судов в тумане .
зой террористических актов связанных с Поэтому возникает необходимость в
распылением ядовитых веществ в местах создании способа и устройств эффективной
проживания и массового скопления лю - защиты помещений и открытых пространств
дей , диктует необходимость создания от распыленных аэрозолей . Одним из спосо -
устройств эффективного подавления аэ - бов , позволяющих решить поставленную за -
розолей . Предлагаемая вашему вниманию дачу , является акустическая коагуляция . Од -
статья посвящена созданию подобных нако , на сегодняшний день , практически от -
устройств . сутствуют устройства акустической коагуля -
Аэрозоли – дисперсные системы с газо - ции аэрозолей . При этом частота акустиче -
образной дисперсионной средой и твердой ских волн должна лежать в области ультра -
( дым , пыль ) или жидкой ( туман ) дисперсной звука , т . е . выше предела слышимости чело -
фазой . По происхождению различают дис - века и , следовательно , не оказывать вредно -
пергированные ( техногенные ) и конденсаци - го воздействия на его организм .
онные аэрозоли . Конденсационные аэрозоли Если распределение частиц аэрозоля
образуются при объемной конденсации паров полидисперсное , а относительная скорость
– это природные туманы , облака , а также аэ - частиц в акустическом поле зависит от их
розоли , возникающие над сильно нагретыми плотности и диаметра , частоты и интенсив -
телами в результате испарения из них ( на - ности излучения , то и характеристики акусти -
пример , почвы ) влаги и последующего охла - ческого поля должны соответствовать свой -
ждения паров при перемешивании с более ствам частиц . Что касается интенсивности
холодным воздухом . излучения , то чем больше интенсивность зву -
Источниками природных аэрозолей яв - ка , тем выше относительная скорость движе -
ляются землетрясения , извержения вулканов , ния частиц аэрозоля [1]. Важным параметром
метеоритная и космическая пыль . Источни - аэрозоля характеризующим эффективность
ками техногенных аэрозолей могут быть раз - его коагуляции является характеристическая
личные аварии , вредные выбросы предпри - частота , определяемая как :
ятий , атаки террористов , направленные на 3 µ
людей биологическое в местах массового или химическое скопления поражение . F 0 = 2 πρ R 2 , (1)
В связи с широким распространением µ
потенциально опасных производств ( выбросы где – коэффициент динамической
аэрозолей ядовитых веществ ) и резко воз - вязкости дисперсионной среды , ρ – плот -
ческих росшей актов опасностью с распылением проведения химического террористи или - ность дисперсной фазы / частиц , R – радиус
биологического поражающего вещества , воз - частицы .
никает необходимость в создании эффектив - При этом , отношение амплитуды скоро -
ных средств подавления аэрозолей . сти колебаний взвешенной частицы к ампли -
В настоящее время , для улавливания туде скорости колебаний дисперсионной сре -
частиц дисперсной фазы аэрозоля использу - ды в зависимости от отношения частоты f из -
ются традиционные пылеулавливатели , пы - лучения звука к характеристической частоте
левые камеры для выделения крупных пыли - F
нок , инерционные , батарейные , жалюзийные 0 имеет асимптотический характер .
и мокрые циклоны , в том числе электро - Например µ , для воздуха , при нормальных
фильтры , тканевые фильтры . Все эти устрой -
ния ства аэрозолей не пригодны , особенно для скоростного в закрытых подавле объемах - условиях ρ = 1,5 10-5 м 2 / с , поэтому
В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, Р.В. БАРСУКОВ, С.Н. ЦЫГАНОК, Д.С. АБРАМЕНКО
7 , 2 ⋅ 10 − 6
F =
0 R 2 . Следовательно , для частиц
радиусом 1 мкм – F0 = 7,2 МГц , для частиц с
радиусом 100 мкм – F0 = 0,72 кГц , а для час -
тиц с радиусом 10 мкм – F0 = 72 кГц . Если
распределение частиц аэрозоля полидис -
персное , то наличие характеристических час -
тот обуславливает необходимость использо -
вания ультразвукового воздействия в широ - Рис . 1. Зависимости степени осаждения от
ком диапазоне частот . времени облучения ультразвуком и его ин -
С увеличением частоты излучения ам - тенсивности для тумана хлористого аммония
плитуда скорости легких частиц увеличивает -
ся , а амплитуда скорости тяжелых уменьша - Приведенные зависимости свидетельст -
ется . При очень высоких частотах , относи - вуют о том , что при больших интенсивностях
тельно характеристической F0, амплитуда ультразвука степень коагуляции за короткое
движения частиц уже не зависит от частоты , время достигает более высокого значения [2].
а определяется лишь отношением плотно - На процесс коагуляции оказывают влияние
стей Взаимодействие вещества частицы частиц и окружающей ( например среды , ка . - также ( при I время п =4,0 Вт экспозиции / м 2 весь , процесс которое зависит протекает от I в п
пель жидкости ) с колеблющимся потоком газа течение нескольких секунд ), и исходной кон -
приводит к нарушению их равномерного рас - центрации аэрозоля ( с увеличением началь -
пределения в пространстве , сближению друг ной концентрации эффективность коагуляции
с другом и дальнейшей коагуляции . Неустой - возрастает ). Увеличение ультразвукового
чивость равномерного распределения частиц давления Р зв ( интенсивности ) резко снижает
обусловлена в основном двумя причинами . время осаждения t ( рисунок 2).
Во - первых , локальное спонтанное уве -
личение концентрации частиц приводит к
увеличению неустойчивости системы , так как
в области с повышенной концентрацией час -
тиц возрастает скорость газа ( амплитуда ско -
рости ) и , следовательно , падает неоднород -
ное давление . Это вызывает возрастание
плотности частиц – реализуется бернуллев -
ский механизм сближения частиц .
Во - вторых , в условиях стесненности час - Рис . 2. Зависимость постоянной времени
тиц , сила Стокса увеличивается в области их коагуляции от звукового давления
повышенной концентрации , реализуется кол -
лективное взаимодействие большого скопле - В настоящее время для коагуляции аэ -
ния частиц аэрозоля . Влияние этого меха - розолей используются аэродинамические
низма может стать более существенным , чем излучатели , в которых происходит преобра -
влияние механизма Бернулли . При высоких зование кинетической энергии газового пото -
частотах нестабильность плотности обуслов - ка в энергию акустических колебаний . К таким
лена перепадом давления между областями излучателям относятся вихревые свистки ,
с повышенными и пониженными концентра - свистки с тангенциальным движением струи
циями . При более низких частотах неустой - газа вблизи щели объемного резонатора ,
чивость обусловлена как механизмом Бер - клапанные акустические генераторы , газо -
нулли , так и влиянием эффекта стесненности струйные излучатели Гартмана и его моди -
Стокса . Вторым , после частоты , действую - фикации .
щим фактором коагуляции является интен - Недостатками подобных излучателей
сивность ультразвукового излучения I п . На является необходимость использования и
рисунке 1 представлены характерные зави - большой расход сжатого воздуха , низкий кпд ,
симости степени осаждения n/n 0 ( где n – кон - быстрый износ механических узлов абразив -
центрация частиц за время облучения ; n 0 – ными частицами сжатого газа , ограниченный
концентрация частиц в начальный момент диапазон излучения . Существенным недос -
облучения ) от времени облучения ультразву - татком газоструйных излучателей является
ком и его интенсивности для тумана хлори - длительное время выхода на режим излуче -
стого аммония . ния , связанное с необходимостью создания
2
АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
потока газа , а в случае использования пиро -
патрона – непродолжительное время работы .
Кроме того , эти источники излучения работа -
ют эффективно только на одной резонансной
частоте и для коагуляции полидисперсного
аэрозоля менее эффективны , чем широкопо -
лосные излучатели .
Эффективной альтернативой динамиче -
ским и статическим газоструйным излучате -
лям могут служить пьезоэлектрические ульт -
развуковые колебательные системы . Однако ,
требующиеся для осуществления процесса Рис . 3. Распределение амплитуд колебаний
коагуляции ультразвуковое воздействие с дискового излучателя на первой гармонике
интенсивностью более 130…140 дБ невоз -
можно обеспечить классическими пьезоэлек -
трическими ультразвуковыми колебательны -
ми системами , генерирующими плоскую аку -
стическую волну .
Поэтому , основу аппарата для эффек -
тивной коагуляции аэрозолей , как в замкну -
тых так и на открытых пространствах , могут
составлять излучатели , в которых обеспечи -
вается преобразование энергии продольных
колебаний пьезоэлектрического преобразо -
вателя в изгибные колебания титановых пла -
стин или дисков . Преимуществами излучате - Рис . 4. Распределение амплитуд колебаний
лей дискового типа являются возможность дискового излучателя на пятой гармонике
формирования ультразвуковых колебаний
большой мощности и обеспечения пере - Одним из известных способов создания
стройки частоты излучения за счет перехода в воздушной среде акустических колебаний с
с одной гармоники на другую . Смена рабочей уровнем звукового давления более 130-
частоты может быть вызвана необходимо - 140 дБ , при использовании пьезоэлектриче -
стью воздействия на частицы аэрозоля раз - ских излучателей , является фокусировка
ных размеров ( в случая осаждения полидис - ( концентрирование ) менее интенсивных ко -
персного аэрозоля ). лебаний на локализованном участке . Прин -
Как указывалось выше , осаждение час - цип работы такого излучателя показан на ри -
тиц разных размеров происходит при разной сунке 5.
частоте колебаний : чем меньше размеры коа -
гулируемых частиц , тем выше требуемая час -
тота . Дисковый излучатель может иметь пер -
вую гармонику в герцовом диапазоне , а , на -
пример , пятую гармонику на частоте около и
более 20 кГц . Таким образом , дисковый излу -
чатель может использоваться в широком
диапазоне частот и оказывать эффективное
воздействие на частицы разного размера . На
рисунке 3 показано распределение амплитуд
колебаний на первой гармонике дискового
излучателя диаметром 340 мм . Резонансная
частота излучателя равна 300 Гц .
На рисунке 4 показано распределение
амплитуд колебаний на пятой гармонике дис -
кового излучателя . Частота излучения диска a – длина акустической волны в воздуш -
равна 20 кГц . ной среде ; b – волны изгибных колебаний в
твердом теле
Рис . 5. Схематичное изображение , поясняю -
щее принцип работы фазированного фокуси -
рующего излучателя
3
В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, Р.В. БАРСУКОВ, С.Н. ЦЫГАНОК, Д.С. АБРАМЕНКО
У фокусирующего излучателя поверх - расположенные между канавками являются
ность твердого тела ( пластины ) совершает ребрами жесткости . Возбуждение диска осу -
изгибные колебания , причем распределение ществляется полуволновой пьезоэлектриче -
амплитуд колебательных смещений вдоль ской системой , совершающей продольные
радиуса пластины имеет вид стоячих волн . колебания . Применение фокусирующего из -
Каждая точка колеблющейся поверхности лучателя целесообразно в случае , источник
излучает в воздушную среду акустическую распространения аэрозоля известен и имеет -
волну . Если за счет формы пластины распо - ся возможность подавления аэрозоля в мо -
ложить « положительные » максимумы коле - мент зарождения .
бательных смещений на расстояниях от цен - Для осуществления акустической коагу -
тра пластины равных [3]: ляции аэрозолей ( подавления заражения и
загрязнения ) на открытых пространствах ( аэ -
Y + = naL + n 2 4 a 2 , (2) места родромы общественного , производственные пользования помещения ), пред - ,
ставляют интерес излучатели , создающие в
где n =0,2,4…, a – длина звуковой вол - воздушной среде акустическую волну , близ -
ны в воздухе , L – расстояние от центра пла - кую к плоской , способную распространяться
стины до фокуса , и « отрицательные » макси - на значительные расстояния . При централь -
мумы на расстояниях : ном возбуждении плоского тонкого диска , ра -
диус которого кратен половине длины изгиб -
n 2 a 2 ной волны в этом материале , распределение
Y = naL + , (3) колебательных смещений вдоль поверхности
− 4 диска будет иметь вид стоячих волн . При
где n =1,3,5…, то волны , излучаемые этом диска амплитуда , удаленной колебаний на расстояние точки r поверхности от его цен -
каждой точкой пластины , будут приходить в тра определяется выражением :
фокус в одной фазе .
Уровень звукового давления в фокусе ? k ⋅ r ?
превышает 160 дБ , а вокруг фокуса образу - A ( r ) = A 0 ⋅ cos ? ? 2 π ⋅ R ? ? , (4)
ются поверхности равных фаз , где уровень
давления Внешний превышает вид излучателя 150 дБ . , работающего где A 0 – амплитуда колебаний в центре
по описанному принципу , показан на рисун - диска ; k – целое число полуволн колебаний ,
ке 6. укладывающихся на радиусе диска ; R – ра -
диус диска .
На рисунке 7 представлено распределе -
ние изгибных колебаний по поверхности
плоского диска и излучение отдельных точек
поверхности диска в воздух .
1 – диск ; 2 – фазовыравнивающие ка -
навки ; 3 – колебательная система
Рис . 6. Фокусирующий пьезоэлектрический
излучатель
Излучающая поверхность диска 1 явля -
ется плоской , а на обратной стороне диска
имеются кольцевые канавки 2, обеспечиваю - Рис . 7. Примерное распределение изгибных
щие необходимое распределение изгибных колебаний по поверхности плоского диска и
колебаний по поверхности диска , а выступы , излучение отдельных точек поверхности дис -
ка в воздух
4
АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
Из рисунка видно , что различные точки нах « отрицательной » фазы колебаний , ам -
поверхности излучают колебания в противо - плитуда колебаний этих зон существенно
положенных фазах , что приводит к тому , что уменьшена . Поэтому на долю зон « положи -
на некотором расстоянии от диска происхо - тельной » фазы колебаний приходится 70%
дит взаимная компенсация излучения . Для общей мощности излучения , в то время как
того чтобы исключить это , можно искусствен - на долю зон « отрицательной » фазы колеба -
но снизить амплитуду колебаний участков ний приходится всего 30% общей мощности
диска , излучающих колебания в одной из излучения .
фаз , например в « отрицательной » фазе . Это - Если высоту выступов , расположенных в
го можно добиться , увеличив толщину диска зонах « отрицательных » фаз диска ступенча -
в указанных участках . В результате получа - то - переменного сечения сделать равной по -
ется диск ступенчато - переменного сечения , ловине длины волны , то излучение « положи -
схема которого представлена на рисунке 8 тельных » и « отрицательных » зон будут уже
( условно показан диск с полуволновой УЗКС ). не вычитаться , а складываться . При этом ,
фаза излучения всех точек поверхности вы -
равнивается . Схема такого излучателя пока -
зана на рисунке 9.
Рис . 8. Диск ступенчато - переменного сечения
с преимущественным излучением одной фа -
зы колебаний
Здесь же показано распределение ам -
плитуд изгибных колебаний по поверхности
диска . Из распределения видно , что ампли - Рис . 9. Схема излучателя с фазовыравни -
туда колебаний « отрицательных » зон умень - вающими элементами
шена по сравнению с амплитудой колебаний Как следует из рисунка , выступы распо -
« положительных » зон . Следовательно , пол - лагаются не на тыльной поверхности диска
ной взаимной компенсации колебаний не ( как в случае с излучателем с преимущест -
происходит . Излучающие свойства такого венным излучением одной фазы ), а на фрон -
дискового излучателя характеризуются его тальной ( излучающей ). В связи с тем , что из -
эффективной площадью . Эффективная лучение « положительных » и « отрицатель -
площадь , это площадь гипотетического ных » зон в такой конструкции уже не компен -
поршневого излучателя , который в дальней сируют , а дополняют друг друга , уменьшение
зоне создает такую же интенсивность излуче - амплитуды колебаний в местах расположе -
ния , что и диск , совершающий изгибные ко - ния фазовыравнивающих выступов нежела -
лебания . тельно .
Эффективная площадь определяется в В связи с этим , на тыльной поверхности
соответствии с выражением : диска , напротив фазовыравнивающих высту -
пов расположены впадины , которые позво -
S ЭФ = A 1 ∫ R 2 π r ⋅ A ( r ) ⋅ dr , (5) ляют стков . увеличить Эффективная амплитуду площадь утолщенных излучения дис уча - -
0 0 ка определяется выражением :
поверхности где A (r ) диска – амплитуда на расстоянии колебаний r – от точек его S ЭФ ≈ 0 , 7 S , (6)
центра . где S – общая площадь излучающей по -
За счет выполнения на тыльной поверх - верхности .
ности диска выступов , расположенных в зо -
5
В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, Р.В. БАРСУКОВ, С.Н. ЦЫГАНОК, Д.С. АБРАМЕНКО
Интенсивность колебаний , создаваемых На рисунках 11 и 12 приведены получен -
таким излучателем диаметром 340 мм на ные диаграммы направленности для излуча -
расстоянии 3–4 м , составляет 147-152 дБ [4]. телей с фазовыравнивающими элементами
Таким образом , излучатель с фазовыравни - колеблющихся на первой и пятой гармониках ,
вающими элементами способен обеспечить соответственно .
наилучшие характеристики акустического по -
ля по сравнению с излучателем с преимуще -
ственным излучением одной фазы . На рисун -
ке 10 показана конструкция излучателя ,
включающего в себя полуволновую одноэле -
ментную УЗКС с полуволновым концентрато -
ром и излучающий диск , с преимуществен -
ным излучением одной фазы колебаний .
Рис . 11. Диаграмма направленности для дис -
кового излучателя на первой гармонике
1 – излучающий диск ; 2 – болт ; 3 – до -
полнительный концентратор ; 4 – основной
концентратор ; 5 – пьезоэлектрические эле -
менты ; 6 – задняя частотнопонижающая на -
кладка ; 7 – шпилька ; 8 – кольцо акустической
развязки ; 9 – фланец корпуса ; 10 – корпус ; 11
– вентилятор
Рис . 10. Конструктивное исполнение
излучателя ультразвуковой колебательной
системы
Акустическая связь внутри ультразвуко -
вой колебательной системы обеспечивается
за счет того , что основной концентратор 4 и
пьезоэлектрические элементы 5 зажаты меж -
ду дополнительным концентратором 3 и зад -
ней частотнопонижающей накладкой 6 с си -
лой , многократно превышающей величину
знакопеременной силы , создаваемой пьезо -
электрическими элементами . Стягивающее
усилие обеспечивается шпилькой 7. Акусти -
ческая связь дополнительного концентратора Рис . 12. Диаграмма направленности для дис -
3 и диска 1 обеспечивается за счет болта 2, кового излучателя на пятой гармонике
ввернутого в резьбовое отверстие в дополни -
тельном концентраторе . В корпусе колеба - Из представленных диаграмм следует ,
тельной системы закрепляется через кольцо что при формировании колебаний , соответст -
акустической развязки 8, зажатое в зазоре вующих высшим гармоникам , излучатель
между фланцем 9 и корпусом 10. Охлажде - имеет меньшую ширину диаграммы направ -
ние пьезоэлементов осуществляется воз - ленности . Это может быть объяснено тем ,
душным потоком от вентилятора 11. Пре - что ширина диаграммы направленности есть
дельная входная электрическая мощность величина , обратно пропорциональная волно -
такой конструкции составляет 350 Вт . вым размерам излучателя , которые при ра -
6
АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
боте на высших гармониках значительно
увеличиваются .
Этот факт следует учитывать при прак -
тическом применении разработанных излуча -
телей . Так , при необходимости эффективной
коагуляции аэрозоля в протяженных замкну -
тых каналах ( например , в вентиляционных
шахтах ) наиболее целесообразно использо -
вать излучатели , работающие на высших
гармониках . При этом , благодаря узкой диа -
грамме направленности , исключаются непро -
изводительные потери ультразвуковой энер -
гии связанные с ее рассеянием и многократ -
ным отражением от стенок канала .
К случае коагуляции аэрозолей на от -
крытых площадках ( взлетно - посадочные по -
лосы , автомагистрали , производственные
помещения и другие места , где возможно ис -
ключить непосредственное воздействие вы -
соко интенсивных акустических колебаний а ) б )
звукового диапазона на человека ) наиболее
эффективным будет использование низших Рис . 13. Ультразвуковая коагуляция аэрозоля
гармоник излучателя , обеспечивающих бо -
лее широкий сектор одновременной коагуля - Конечная концентрация аэрозоля не
ции аэрозоля ( согласно диаграммы направ - превышала 0,1 мл / м 3 . Время ультразвукового
ленности до ~ 20 град . по уровню 0,707). воздействия составило 1…2 сек . Был прове -
У разработанных излучателей присутст - ден ряд экспериментов , при которых началь -
вует излучение в тыльную сторону , диаграм - ная концентрация аэрозоля изменялась от
ма направленности которого характеризуется 1 мл / м 3 до 50 мл / м 3 . Во всех случаях , время
двумя максимумами , симметрично располо - ультразвукового воздействия , необходимое
женными относительно главной акустической для коагуляции аэрозоля , не превышало
оси излучателя . Полученная форма диаграм - 2 сек .
мы направленности и , значительно меньшая Показателем эффективности разрабо -
интенсивность излучения в тыльную сторону танных дисковых излучателей с фазовырав -
могут быть объяснены экранированием ульт - нивающими элементами могут служить ре -
развукового излучения корпусом УЗКС и от - зультаты экспериментов по коагуляции аэро -
сутствием на тыльной поверхности фазовы - золя , распространяющегося по коробу с по -
равнивающих элементов . При необходимо - перечным сечением 300 х 300 мм , и длиной
сти , это излучение может экранироваться или 10 м ( рисунок 14).
использоваться как дополнительный энерге -
тический фактор , способствующий коагуля -
ции аэрозоля .
Для проверки эффективности разрабо -
танного фокусирующего дискового излучате -
ля был проведен эксперимент по подавлению
высококонцентрированного аэрозоля в замк -
нутом пространстве ( колба диаметром
150 мм ) в котором находился источник жид - 1 – дисковый излучатель ; 2 – короб ; 3 –
костного аэрозоля ( ультразвуковой медицин - аэрозоль ; 4 – источник аэрозоля ; 5 – вентиля -
ский ингалятор ) с размером капель 1…5 мкм тор
( капели этого размера наиболее легко прини - Рис . 14. Схема проведения эксперимента
кает в альвеолы легких ). Начальная концен -
трация аэрозоля составляла 10 мл / м 3 . На ри - Первоначально в коробе формируется
сунке 13 а и 13 б показаны фотографии , ил - локальное облако аэрозоля ( размер частиц
люстрирующие розоля до и после изменение ультразвукового концентрации воздейст аэ - - центрацией 1..5 мкм ) протяженностью (C) 10 мл / м 3 , (L) равномерной около 1 м вдоль и кон -
вия . всего облака ( вентилятор отключен ). После
ультразвукового воздействия с расстояния
7
В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, Р.В. БАРСУКОВ, С.Н. ЦЫГАНОК, Д.С. АБРАМЕНКО
50 м в течение 10 сек . распределение кон - стическими колебаниями ( более 160 дБ ). Ап -
центрации аэрозоля приняло вид , показан - парат может использоваться для локального
ный на рисунке 15 ( в процентах от исходной сверхвысокоскоростного подавления аэрозо -
концентрации ). Таким образом , аэрозоль был лей локализованных в замкнутых пространст -
полностью коагулирован (>99%). вах ( например , системы вентиляции зданий ).
Рис . 15. Распределение концентрации аэрозоля
до и после УЗ воздействия Рис . 17. Ультразвуковой аппарат для фокусиро -
ванного высокоамплитудного осаждения аэро -
золей
Для проверки эффективности коагуля -
ции аэрозоля при его перемещении по возду -
В состав аппарата входит ультразвуко -
ховоду вместе с воздушными потоками , на вая пьезоэлектрическая колебательная сис -
одном из концов воздуховода был установлен тема в корпусе с дисковым излучателем , ге -
до вентилятор 2 м 3 / мин . обеспечивающий При этом распределение расход воздуха кон - ковой нератор частоты электрических с регулируемой колебаний ультразву выходной -
центрации аэрозоля вдоль короба приняло мощностью .
вид , показанный на рисунке 16 ( верхняя кри -
вая ). Таблица 1. Технические характеристики ап -
парата
Частота излучения , кГц 0.3…22
Диаметр излучателя , м 0,34
Интенсивность колебаний , дБ не
менее 160
Потребляемая мощность , ВА , не
более 300
Рис . 16. Распределение концентрации аэро - Масса колебательной системы с
золя при его распространении по коробу излучателем , кг , не более 6
После 10 секундного ультразвукового
воздействия с расстояния 50 м аэрозоль в На рисунке 18 показан ультразвуковой
коробе практически полностью коагулировал , аппарат , который может использоваться для
за исключением незначительной концентра - осаждения аэрозолей как техногенного , так и
ции в области его источника , как показано на природного ( туманы ) характера на открытых
рисунке 16 ( нижняя кривая ). пространствах ( например , аэродромах ).
Таким образом , на расстоянии 10 м от
источника ( на выходе из короба ) аэрозоль
обнаружен не был , а на расстоянии менее
3 м концентрация аэрозоля не превышала 1%
от его начальной концентрации .
На основе разработанных конструкций
ультразвуковых колебательных систем и дис -
ковых излучателей были созданы ультразву -
ковые аппараты для коагуляции опасных аэ -
розолей с целью предупреждения чрезвы -
чайных ситуаций .
Аппарат , показанный на рисунке 17, Рис . 18. Ультразвуковое оборудование для
предназначен фокусированного воздействия осаждения аэрозолей на открытых
на газовые среды высокоинтенсивными аку - пространствах
8
АКУСТИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ
Таблица 2. Технические характеристики обо - 2004, № 6.
рудования 2. Мощные ультразвуковые поля . Под ред . Л .
Частота излучения , кГц 0.3…22 Д . Розенберга . М ., Наука , 1968.
3. V. N. Khmelev, I. I. Savin, D. S. Abramenko,
Диаметр излучателя , м 0,34 S. N. Tsyganok, R. V. Barsukov, A. N. Lebedev
"Research the Acoustic Cloth Drying Process in Mock- Up of Drum-Type Washing Machine", Intrnational Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2006: Workshop Proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2006.
Интенсивность колебаний , дБ не 150
менее
Потребляемая мощность , ВА , не 450
более
Масса колебательной системы с 7 4. V. N. Khmelev, I. I. Savin, D. S. Abramenko,
S. N. Tsyganok, R. V. Barsukov, D. V. Genne,
излучателем , кг , не более A. N. Lebedev "Research of Ultrasonic Drying Process in Dryers of Ventilation Type" Intrnational Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM'2007: Workshop Proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2007.
На основе проведенного анализа прин -
ципов функционирования и технических ха -
рактеристик устройств , предназначенных для
генерации ультразвуковых колебаний в воз -
душной среде установлена принципиальная
невозможность их применения для эффек -
тивной коагуляции аэрозолей . Показано , что
наиболее эффективно коагуляция аэрозолей
может осуществляться при помощи широко -
полосных ( многорезонансных ) ультразвуко -
вых излучателей на основе дискового излу -
чающего элемента большой площади (0,1 м 2
и более ) и пьезоэлектрического преобразова -
теля с концентратором . Практически разра -
ботаны конструкции фокусирующих и нефо -
кусирующих излучателей , способных рабо -
тать как на открытых , так и в замкнутых про -
странствах при уровне ультразвукового воз -
действия до 160 дБ .
Результаты экспериментальных иссле -
дований подтвердили высокую эффектив -
ность разработанных излучателей , способ -
ную обеспечивать малое время коагуляции ,
практически полное отсутствие аэрозоля в
воздушной среде после ультразвукового воз -
действия . Показана возможность коагуляции
наиболее опасных высокодисперсных аэро -
золей с размером частиц менее 5 мкм .
Для питания созданных излучателей
разработаны специализированные ультра -
звуковые генераторы мощностью 300 ВА и
450 ВА с возможностью внешнего управления
по последовательному интерфейсу , позво -
ляющему объединять излучатели и генерато -
ры в единую систему в пределах некоторого
объекта .
Работа выполнена при поддержке Сове -
та по грантам Президента Российской Феде -
рации для государственной поддержки моло -
дых российских ученых – кандидатов наук
№ МК -383.2008.8.
Литература
1 . Юдаев Б . Ф . Акустическая коагуляция
аэрозолей . Бюллетень строительной техники ,
9