Повышение эффективности ультразвуковых процессов и аппаратов на базе согласования параметров компонентов электроакустических систем и технологических сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Савин, Игорь Игоревич

  • Савин, Игорь Игоревич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2006, Бийск
  • Специальность ВАК РФ05.17.08
  • Количество страниц 132
Савин, Игорь Игоревич. Повышение эффективности ультразвуковых процессов и аппаратов на базе согласования параметров компонентов электроакустических систем и технологических сред: дис. кандидат технических наук: 05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии. Бийск. 2006. 132 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савин, Игорь Игоревич

Список сокращений.

Введение.

1 Ультразвуковые процессы и аппараты химических технологий.

1.1 Действие ультразвуковых колебаний на технологические среды в процессах химических технологий.

1.1.1 Классификация действия акустических колебаний на ход процессов химических технологий.

1.1.2 Факторы акустического воздействия на технологические среды в процессах химических технологий.

1.1.3 Процессы химических технологий, осуществляемые вводом ультразвуковых колебаний в технологическую среду.

1.1.4 Критерии эффективности ультразвукового воздействия на процессы химических технологий.

1.2 Реакция технологической среды на ввод акустических колебаний высокой интенсивности.

1.3 Ультразвуковые технологические аппараты.

1.4 Постановка задачи исследования.

2 Исследование взаимодействия ультразвуковых аппаратов и технологических сред. Выработка требований к оптимальным условиям ввода энергии колебаний.

2.1 Построение модели взаимодействия ультразвукового технологического аппарата и технологической среды.

2.1.1 Эквивалентная схема замещения ультразвуковой колебательной системы, взаимодействующей с технологической средой.

2.1.2 Эквивалентные схемы замещения ультразвуковых технологических аппаратов.

2.2 Экспериментальное исследование процесса ввода ультразвуковых колебаний в различные по свойствам технологические среды.

2.2.1 Оборудование для проведения исследований.

2.2.2 Описание и основные результаты экспериментальных исследований.

3 Разработка и исследование способа и практической реализации автоматического управления ультразвуковым технологическим аппаратом.

3.1 Выбор регулируемых параметров и средств регулирования.

3.2 Методика инженерного расчета диапазона перестройки параметров ультразвуковых технологических аппаратов.

3.3 Выбор контролируемых величин и средств их измерения.

3.4 Разработка способа автоматического управления УЗТА и его практической реализации.

3.4 Испытание предложенного способа управления работой ультразвукового технологического аппарата.

3.4.1 Создание макетного образца ультразвукового технологического аппарата.

3.4.2 Экспериментальное исследование созданного макетного образца ультразвукового технологического аппарата.

4 Повышение эффективности процесса ультразвуковой сушки за счет совершенствования источников ультразвуковых колебаний.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Процессы и аппараты химической технологии», 05.17.08 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности ультразвуковых процессов и аппаратов на базе согласования параметров компонентов электроакустических систем и технологических сред»

Одним из эффективных путей интенсификации, стимулирования и оптимизации процессов химических технологий является применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности.

Реализация технологических процессов с использованием ультразвуковых колебаний имеет ряд преимуществ, по сравнению с традиционными способами реализации технологических процессов, а именно:

- меньшая энергоемкость;

- возможность получения конечного продукта с параметрами, недостижимыми в условиях других видов энергетического воздействия;

- возможность осуществления технологических процессов при пониженной температуре или принципиально без повышения температуры среды.

Действие ультразвуковых колебаний высокой интенсивности на физико-химические процессы определяется комплексом явлений, возникающих в технологических средах при распространении в них ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. К таким явлениям относятся акустические течения, микропотоки, акустическая кавитация, акустический флотационный эффект, пандеромоторные силы, радиационное давление.

Все перечисленные явления носят нелинейный характер. Величина их действия на технологическую среду определяется интенсивностью и объемной плотностью энергии вводимых ультразвуковых колебаний. Поэтому эффективность процессов химических технологий, реализуемых за счет ультразвуковых колебаний и инициированных ими явлений также определяется величинами объемной плотности энергии ультразвуковых колебаний и их интенсивности.

Проведенный анализ показал, что практически все реализуемые в настоящее время с помощью ультразвуковых колебаний процессы химических технологий не характеризуются максимально возможной скоростью отдельных процессов или не обеспечивают выход максимально возможного количества конечного продукта, по сравнению с результатами, достигаемыми при экспериментальной отработке технологий в лабораторных условиях.

Причина низкой эффективности ультразвуковых технологий, заключается в том, что ультразвуковые колебания приводят к непрерывным изменениям (структурным, количественным, качественным) в технологических средах и нарушают исходно установленные условия оптимальной передачи ультразвуковых колебаний.

Для ввода ультразвуковых колебаний в технологические среды используются ультразвуковые технологические аппараты, состоящие из двух основных узлов: электронного генератора, формирующего электрические колебания ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы, обеспечивающей преобразование энергии электрических колебаний в энергию ультразвуковых колебаний и осуществляющей взаимодействие с технологической средой. Ввод максимальной энергии ультразвуковых колебаний в технологические среды обеспечивается только при условии оптимального согласования параметров компонентов ультразвукового технологического аппарата и технологической среды.

Взаимодействие ультразвукового технологического аппарата со средой носит сложный двухсторонний характер и требует постоянной перестройки аппарата для обеспечения максимального ввода энергии ультразвуковых колебаний в технологические среды. Необходимость непрерывной перестройки обусловлена тем, что интенсивность ультразвукового л воздействия столь высока (10.100 Вт/см ), что изменения свойств технологической среды происходит с высокой скоростью в сравнительно широких пределах.

Причина невозможности ввода максимально энергии ультразвуковых колебаний в технологические среды обусловлена тем, что в известных типах ультразвуковых аппаратов подстройка параметров с учетом изменения свойств технологических сред либо не реализуется, либо реализуется недостаточно совершенно.

В связи с этим, проблема повышения эффективности процессов химических технологий за счет создания ультразвуковых технологических аппаратов, способных обеспечить ввод в технологическую среду, при изменениях ее физических параметров, максимально возможной энергии ультразвуковых колебаний, считается актуальной.

Целью работы является повышение эффективности процессов химических технологий, реализуемых за счет применения УЗ колебаний высокой интенсивности, путем создания УЗТА, обеспечивающих в автоматическом режиме максимальное энергетическое воздействие на различные технологические среды в условиях изменения их физических параметров.

Работа является продолжением исследований, проводимых в «Лаборатории акустических процессов и аппаратов» Бийского технологического института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». Автор выражает глубокую благодарность коллективу лаборатории, а также Хмелеву Владимиру Николаевичу за полезные замечания и консультации, поддержку и помощь в работе.

Похожие диссертационные работы по специальности «Процессы и аппараты химической технологии», 05.17.08 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Савин, Игорь Игоревич

Заключение

В результате выполнения работы решена проблема повышения эффективности процессов химических технологий, реализуемых за счет применения УЗ колебаний высокой интенсивности, путем создания УЗТА, обеспечивающих в автоматическом режиме максимальное энергетическое воздействие на различные технологические среды в условиях изменения их физических параметров. При достижении поставленной цели решены следующие частные задачи:

- разработана модель взаимодействия ультразвукового аппарата и технологических сред, учитывающая изменение их физических параметров (плотность, скорость звука, вязкость), позволившая выявить пути повышения эффективности ультразвукового воздействия на различные по свойствам технологические среды за счет оптимизации согласования параметров компонентов ультразвуковых аппаратов и технологических сред; проведены экспериментальные исследования, позволившие подтвердить адекватность созданной модели и определить, что ультразвуковые аппараты, построенные по известным ранее принципам, не могут осуществлять эффективное ультразвуковое воздействие на различные по свойствам технологические среды;

- предложен способ автоматического управления ультразвуковым аппаратом на основе перестройки его параметров с целью оптимизации их согласования с изменяющимися в ходе ультразвукового воздействия параметрами технологических сред; предложена методика определения необходимых диапазонов изменения перестраиваемых параметров; созданы ультразвуковые аппараты для его практической реализации;

- при испытаниях созданного ультразвукового аппарата на модельных средах показана возможность повышения мощности ультразвуковых колебаний, вводимых в технологические среды, на 9-34% (в зависимости от свойств среды);

- на примере сокращения на 14-16% времени процесса сушки хлопкового волокна и снижения на 6-8% энергоемкости этого процесса, показана эффективность применения ультразвуковых аппаратов, реализующих предложенный способ управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Савин, Игорь Игоревич, 2006 год

1. Бергман, JI. Ультразвук и его применение в науке и технике: М.: Наука, 1957.-576 с.

2. Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) : Б.Г. Новицкий. М.: Химия, 1983. - 192 с.

3. Зарембо, JI.K. Введение в нелинейную акустику / JI.K. Зарембо,

4. B.А. Красильников. М.: Наука, 1966. - 519 с.

5. Релей (Дж. В. Стрейт) Теория звука: в 2 т. / Дж. В. Стрейт; пер. с третьего англ. изд.; П.Н. Успенский, С.А. Каменецкий. М.: Гостехиздат, 1955. -Т. 1.-480 с.

6. Колмогоров, А.Н. Источники турбулентных вихрей в ультразвуковом поле // ДАН. 1941. - Т. 30. - № 4. - С. 299-303.

7. Медников, Е.П. Продольные и поперечные градиенты акустических давлений //Акустический Журнал. 1966. - Т. 12. - № 4. - С. 466-473.

8. Шельняков, А.Н. Микротечения у поверхности пульсирующих пузырьков / А.Н. Шельняков, Г.Н. Исупов // ИФЖ. 1978. - Т. 35. - №3.

9. C.410-444. // ИФЖ. 1978. - Т. 35. -№ 3. - С. 410-444.

10. Лерке, Р.И. Переход к турбулентному течению в колеблющихся пограничных слоях с неизменным направлением скорости // ASME. Серия Д. Теоретические основы инженерных расчетов. 1975. - №4. - С. 252273.

11. Розенберг, Л.Д. Кавитационная область // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. - С. 222-265.

12. Акуличев, В.А. Пульсации кавитационных полостей // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. -С. 129-167.

13. ЬМаргулис, М.А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция: М.: Химия, 1986.-300 с.

14. Ильин, А.В. Акустический флотационный эффект в жидкостях / А.В. Ильин и др. // Акустический журнал. 1972. - Т. 18. - №4. - С. 537545.

15. Казанцев, В.Ф. Определение силы Бьеркнесса при пульсации пузырька в жидкости // ДАН. 1959. - Т. 129. - № 1. - С. 64-67.

16. Каневский, И.Н. Колебательные изменения температуры в среде под действием ультразвуковых колебаний / И.Н. Каневский // Акустический журнал. 1961. - Т. 7.-№ 1.-С.З-6.

17. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А. Аграната. М.: Металлургия, 1974.-505 с.

18. Crum, L.A. Interaction gas bubbles in fluid under operation ultrasonic oscillations / L.A. Crum, A.J. Eller // JASA. 1970. - V. 48. - № 1. - P. 181189.

19. Eller, S.A. Straightened diffusion in ultrasonic field Text. / A. Eller, H.G. Flynn // JASA. 1967. - V. 37. - № 3. - P. 493-503.

20. Eller, S.A. Sources of microcurrents in ultrasonic field Text. / S.A. Eller // JASA. 1959. - V. 31. - № 1. - P. 54-65.

21. Статников, Ю.Г. Описание безвихревого движения кавитационного пузырька // Акустический журнал. 1967. - Т. 13. - № 3. - С. 464-465.

22. Hickling, R. Shock wave at slammed of cavitational bubble / R. Hickling, M.S. Plesset // Phys. Fluids. 1964. - V. 7. - № 1. - P. 7-14.

23. Воинов, O.B. Определение скорости движения микроструек жидкости под действием высокоинтенсивного ультразвукового поля // ПМТФ. 1979. -№ 3. - С. 94-98.

24. Мол чанов, Г.И. Ультразвук в фармации: М.: Медицина, 1980. 176 с.

25. Понаморев, В.Д. Экстракция лекарственного сырья: М.: Медицина, 1976. -285 с.

26. Романков, П.Г. Экстрагирование из твердых материалов / П.Г. Романков, М.И. Курочкина. Л.: Химия, 1983. -410 с.

27. Источники мощного ультразвука / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1969.

28. Агранат, Б.А. Ультразвуковая очистка / Б.А. Агранат, В.И. Башкиров, Ю.И. Китайгородский // Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970, С. 165-252.

29. Борисов, Ю.Я. Акустическая сушка / Ю.Я. Борисов, Н.М. Гынкина // Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. -М.: Наука, 1970. С. 165-252.

30. Симонян, С.Г. Низкотемпературная сушка сыпучих материалов // Труды ВНИИНСМ. 1965. - Вып. 2(10). -34с.

31. Симонян, С.Г. О механизме тепло- и массообмена при акустической сушке Текст. / С.Г. Симонян, Н.Н. Долгополов // Труды ВНИИНСМ. -1966.-Вып. 8(16).-55с.

32. Городецкий, П.Л. Ультразвуковая пропитка стеклотканей и конструкций из стеклопластиков / П.Л. Городецкий, В.А. Косенков, В.Ш. Статников, Е.С. Тросиянецкий // Материалы IX всесоюзной акустической конференции. М., 1979. - С. 103-106.

33. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химических технологий: М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. 830 с.

34. Щепетов, В.Н. Калориметрический метод для определения акустической мощности, отдаваемой преобразователем // Контрольно-измерительные ультразвуковые приборы. М: ЦИНТИЭПиП, 1960. - С. 165-172.

35. Макаров, Л.О. Акустические измерения в процессах ультразвуковой технологии : М.: Машиностроение, 1983. 53 с.

36. Хмелев, В.Н. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве / В.Н. Хмелев, О.В. Попова. Барнаул: АлтГТУ, 1997. - 168 с.

37. Барсуков, Р.В. Исследование ультразвукового воздействия на технологические среды и повышение эффективности технологических аппаратов: дис. канд. тех. наук.: 05.17.08: защищена 28.10.05: утверждена 20.02.06 / Р.В. Барсуков. Бийск, 2005. - 135 с.

38. Френкель, Н.З. Гидравлика : М.: Госэнергоиздат, 1947. 632 с.

39. Физические величины: справочник / Под. ред. И.С.Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

40. Донской, А.В., Ультразвуковые электротехнические установки / А.В. Донской, O.K. Келлер, Г.С. Кратыш. Л.: Энергия, 1968. - 276 с.

41. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под. ред. И.М. Голямина, М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

42. Ультразвуковые технологии и оборудование «Александра-Плюс». -Режим доступа: http://www.alexandraplus.ru/.

43. Всероссийский научно исследовательский институт токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (ВНИИ ТВЧ) Режим доступа: http ://www. vniitvch.ru/.

44. Разработка и выпуск ультразвукового оборудования ООО «Ультразвуковая техника» ИНЛАБ. - Режим доступа: http://www.inlab.ru/.

45. Ультразвуковое оборудование ПКФ ООО «Сапфир». - Режим доступа: http://www.sapfir.ru/.

46. Ultrasound Company BANDELIN electronic GmbH & Co. - Режим доступа: http://www.bandelin.com/.

47. Ultrasound technology Heilscher GmbH. - Режим доступа: http://www.heilscher.de/.

48. Active ultrasonics Innovative & Unique Ultrasonic Solutions. - Режим доступа: http://www.activeultrasonic.com/.

49. MASTERSONIC Wideband sonic and ultrasonic technology for cleaning, welding, liquid processing and sonochemistry. - Режим доступа: http://www.mastersonic.comy.

50. Sono-tek Ultrasonic Nozzles, Ultrasonic Atomization. - Режим доступа: http://www.sono-tek.com/.

51. Редько, B.B. Источник питания ультразвуковой технологической установки / B.B. Редько, Б.А. Багинский // Приборы и техника эксперимента, 2000, - №4, С. 154-157.

52. Ultrasonic transducer drive circuit : pat 4642581 : USA : ICL H03B 005/30 : CCL 331/154; 239/102.2; 331/25 / J. J. Erickson ; assigner Sono-Tek Corporation ; app. num. 747349 ; app. 21.05.1985 ; pub. 10.02.87.

53. Способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки Текст.: пат. 2131794 Российская Федерация: МПК6 В 23 В 37/00 /

54. B.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, Р.В. Барсуков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». №98105730; заявл. 26.03.98; опубл. 20.06.99, Бюл. №13.-4 е.: ил.

55. Therapeutic ultrasound generator with radiation dose control : pat : 5184605 USA : ICL A61H 001/00 : CCL 601/2 / Grzeszykowski; Miroslaw ; assigner Excel Tech Ltd.; app. num. 648596; app. 31.01.1991; pub. 09.02.1993.

56. Применение ультразвука в промышленности / Под ред. А. И. Маркова. -М.: Машиностроение. 1975.

57. Хмелев, В.Н. Система регулировки мощности ультразвуковых технологических аппаратов / В.Н. Хмелев, Р.В. Барсуков, А.Н. Сливин,

58. C.Н. Цыганок // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях: материалы 1-ой Всероссийской научно-практической конференции. Барнаул: АлтГТУ, 2000. - С.272-276.

59. Цыганок, С.Н. Исследование и совершенствование пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов химических технологий.:" дис. канд. тех. наук.: 05.17.08: защищена 28.10.05 / С.Н. Цыганок. Бийск, 2005. - 125 с.

60. Казанцев, В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок : М.: Машиностроение, 1980. -44 с.

61. Хмелев, В.Н. Повышение эффективности ультразвукового воздействия на обрабатываемые среды за счет оптимизации электрического согласования в ультразвуковом технологическом аппарате / В.Н. Хмелев,

62. И.И. Савин // Электронный журнал «Техническая акустика», 2005 год. -http.7/www.eita.org/eita/rus/abstracts2005rus/khmelev4rus.shtml.

63. Савин, И.И. Способ управления работой ультразвукового технологического аппарата / И.И. Савин, В.Н. Хмелев // Современные проблемы радиоэлектроники М.: Радио и связь, 2006. - С. 186 - 189.

64. Колешко, В.М. Ультразвуковая микросварка : Минск: Наука и техника, 1977.-328 с.71 .Пьезокерамические преобразователи. Методы измерения и расчета параметров: справочник / Под ред. С.И. Пугачева. Д.: Судостроение, 1984.

65. Гутин, Л.Я. Пьезоэлектрические излучатели и приемники / Л.Я. Гутин // ЖТФ.- 1946.-вып. 1.-16 с.

66. Меркулов, Л.Г. Теория ультразвуковых концентраторов / Л.Г. Меркулов // Акустический журнал. 1957 - №3.

67. Теумин, И.И. Ультразвуковые колебательные системы / И.И. Теумин. -М.: Машгиз, 1959.-331 с.

68. Семенов, Б.Ю. Силовая электроника / Б.Ю. Семенов. М.: СОЛОН-Р, 2001,-303 с.

69. Сергеев, Б.С. Функциональная схемотехника узлов вторичного электропитания: справочник / Б.С. Сергеев. М.: Радио и связь, 1992, -268 с.

70. Источники вторичного электропитания / Под. ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983, - 164 с.

71. Коссов, О.А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключения / О.А. Коссов. М.: Энергия, 1971, - 212 с.

72. Артым, А.Д. Ключевые генераторы гармонических колебаний /

73. A.Д. Артым Л.: Энергия, 1972, - 156 с.

74. Физическая акустика: в 4 т. Т.1. Методы и приборы акустических исследований: часть А. / Под ред. У. Мэзона; пер. с англ. под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Мир, 1966. - 592 с.

75. Sherrit, S. Modeling of horns for sonic/ultrasonic applications / S. Sherrit,

76. B.P. Dolgin; Y. Bar-Cohen; D. Pal; J. Kroh; T. Peterson // IEEE Ultrasonic Symposium, 1999,-Vol. 1, - 17-20 Oct. 1999, - P.647-651.83.3ернов, H.B. Теория радиотехнических цепей / H.B. Зернов, В.Г. Карпов. Л.: Энергия, 1972 - 816 с.

77. Хмелев, В.Н. Ультразвуковая размерная обработка / В.Н.Хмелев, Р.В.Барсуков, С.Н. Цыганок. Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 1999. 230 с.

78. Мейнке, X. Радиотехнический справочник: в 2 т. / X. Мейнке, Ф. Гундлах; пер. с немецкого. М.: Госэнергоиздат, 1960, - 984 с.

79. Электроника: энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Колесников М.: Советская энциклопедия, 1991, - 792 с.

80. Криштафович, А.К. Промышленная электроника : М.: Высшая школа, 1976.-288с.

81. Бриндли, К. Карманный справочник инженера электронной техники / К. Бриндли, Дж. Карр; пер. с англ. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002, - 480 с.

82. Радиопередающие устройства / Под. ред. В.В. Шахгильдяна. М.: «Радио и связь», 1990,-430 с.

83. Кузнецов, Р.К. Индуктивные компоненты в радиотехнике : М.: Радио и связь, 1987,-76 с.

84. Заявка 036771 Российская Федерация МПК7 D06F58/02. Способ ультразвуковой сушки белья в стиральных машинах барабанного типа /

85. Способ измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы: пат. 2271521 Российская Федерация: МПК7 G01H 9/00 / В.Н. Хмелев, И.И. Савин, Р.В. Барсуков,

86. C.Н. Цыганок; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». № 2004132102/28; заявл. 03.11.2004; опубл. 10.03.2006, официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №7. - 9 е.: ил.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.