переносу молекул реагирующих веществ к межфазной границе или уносу продуктов реакции. Причем основное сопротивление оказывает диффузионный слой, непосредственно хфилегающий к твердому телу. В этой области перенос осуществляется молекулярной диффузией.

Очевидно, скорость технологических процессов можно увеличить за счет уменьшения толщины или полного устранения диффузионного граничного слоя.

Возникаюшэя 1фи прохождении УЗ волны через жидкость УЗ кавитация и обусловленные ею мопщейшие микропотоки жидкости, а также ультразвуковые ветер и давление воздействуют на граничный слой и «смывают» его. При этом сопротивление переносу молекул реагиргующих веществ значитспьно уменьшается и скорость технологических процессов за счет этого возрастает.

Кроме толщины диффузионного граничного слоя скорость технологических процессов зависит от величины поверхности соприкосновения реагируюнщх компонентов. Поэтому увеличение поверхности соприкосновения реагирующих веществ также способно увеличить скорость протекания технологических щюцессов.

Создаваемый при прохожденин ультразвуковых волн в среде ультразвуковой ветер, вызывающий интенсивное перемешивание и мопщые микропотоки от захлопьтающихся кавитационньпх пузьфьков приводят к взаимному трению твердых частиц, движупщхся в жидкости и их сверхтонко.му измельчению (какое невозможно осуществить друтими методами). Свер.хтонкое шмельчение увеличивает межфазную поверхность реагирующих компонентов, что в свою очередь уве.тичивает скорость протекающих процессов.

Аналогичные физические процессы протекают и в системах, состоящих из двух и более жидких компонентов.

Таким образом ультразвуковые колебания, распространяющиеся в жидкофазных средах приводят к увеличению удельной поверхности взаимодействия и уменьшению величины диффузионного граничного слоя, обеспечивая тем самым многократное ускорение технологических процессов.

Сле.!ет дополните.тьно отметить, что кроме двух рассмотренных факторов, вносящих основной вклад в ускорение технологических процессов, в ультразвуковой волне возникают различные вторичные эффекты (электрические разряды в кавитационньпх пузырьках, огромные

При расщхкггранении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более I...2 вт/см) в жидкости наблюдается , обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией [ 7 ]. Явление кавитации связано с тем. что жидкости «легко» переносят огромные всесторонние сжатия, но чрезвычайно чувствительны к растягивающим усилиям. При прохонедении фазы ультразвуковой волны, создающей разряжение, жидкость разрывается и в ней образуется большое количество разрывов, в которые устремляются растворенные в жидкости газы и пар. Эти мельчайшие пузьфьки (размером менее 0,1 мм), называемые кавитационными, образуются обычно в местах, где прочность жидкости ослаблена: такими местами являются маленькие пу-зьфьки нерастворенного газа, частички посторонних примесей, границ раздела жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело и др. Кавитационные п\зьфьки совершают пульсирующие колебания, вокруг них образуются сильные микропотоки, приводящие к активной локальной турбулизащга среды.

После кратковременного существования часть пузьфьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузьфьков наблюдаются также локальные повышения температуры и элекфические разряды. Проведенные исследования [1, 7] показали, что воздействие ультразвуковых колебаний на различные среды обусловлено эффектами кавитации, ультразвукового ветра и ультразвуковшо давления, причем максимальное воздействие обусловлено ультразвуковой кавитацией. Практически все физико-химические и те;чноло1ические процессы протекают на границе раздела (межфазной поверхности), где молекулы различньгх веществ соприкасаются друг с другом. При этом любой процесс можно представить в виде трех последовательных стадий:

1. Приближение молекул двух или нескольких взаикюдействующих веществ друг к другу и их столкновение.

2. Сам процесс взаимодействия молекул.

3. Удаление продуктов реакции из зоны взаимодействия.

Рассмотрищ в качестве примера процессы протекающие в системе жидкость - твердое тело.

По современным представлениям [ 9 ], вблизи поверхности твердого тела формируется слой жидкости - называемый диффузионным граничным слоем, в котором сосредоточено основное сопротивление

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К УЛЬТРАЗВУКОВЫМ

АППАРАТАМ

Практическому применению ультразвука посвящено достаточно много отечественных и зарубежньп работ. Однако большинство сведений в этих работах ограничены изложением решений по отдельным прикладным вопросам и описывали несопоставимые условия использования ультразвуковых технологий. Поэтому выявление обпщх закономерностей процессов и сравнение технических характеристик применявшихся ультразвуковых аппаратов по литературным источникам может быть только приближенным.

Так как в основе каждого практического применения

ультразвука лежит какой либо определенный эффект, а сопутствующие эффекты могут играть вспомогательную роль, или быть вредными, то задача проектирования ультразвуковой технологии переработки продутсга будет заключаться в максимальном усилении работающего (полезного) эффекта и подавлении остальных. В конечном счете, решение задачи проектирования технологии сводится к выбору (конструированию) соответствующей аппаратуры и разработке оптимального техно.тогического режима.

Исследование проблемы создания многофункциональных ультразвуковых аппаратов целесообразно начать с классификации направлений практического применения ультразвука, используя для этого сведения, приведенные в литературе. В том числе, футпащональные возможности могут быть объединены в 4 футшы, а именно:

1. Функциональные применения, связанные с непосредственньш воздействием УЗ колебаний на твердые тела с целью их разрутпения (размерная обработка - сверление, гравировка и т.п.).

2. Функциональные применения, связанные с воздействием УЗ колебаний в жидкостях на твердые тела (из.мельчение красителей, мойка мелких предметов и т.п.).

3. Применения, связанные с интенсификацией процессов в *идких средах (эмульгирование, растворение, нанесение гальванических покрытий, обработка электро.литов. предпосевная обработка семян и т.п).

4. Функциональные применения, связанные с интенсификацией процессов на границах раздела твердых тел (склеивание, сварка, лканизация).

температуры в очень ьйленьких объемах обрабатываемых веществ, ударные волны и др.).

Сочетание столь разнородных физических эффектов, воздействующих одновременно на обрабатываемые среды позволяет инищ1ировать неизвестные ранее процессы, приводящие к получению новых веществ и композиции, а также к приданию известньпи веществам новых уникальных свойств.

Поэтому, при создании ультразвуковых аппаратов технологического назначения, основное внимание уделяется изучению физических механизмов различных УЗ процессов, ибо это есть единственная основа рационального подхода к конструированию аппаратуры, выбору оптимальных технических характеристик и режимов работы.

Проведенный анатиз физических эффектов, обеспечивающих эти функциональные возможности позволил установить следующее:

1. Обработка твердых тел (размерная обработка), осуществляется от ударов абразивных зерен, находящихся меаду поверхностями xjracoro материала и рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Колеблющий инструмент обеспечивает про1шкновение абразивных зерен в обрабатываемый материал, производя его разрушение. При этом на обрабатываемом материале копируются форма и размеры рабочего инструмента [ 10 ].

При реализации первой группы функциональных возможностей ультразвукового аппарата используются непосредственно колебания инструмента с ультразвуковой частотой. Эффект обработки твердых тел будет тем вьпие, чем вьпие частота колебаний (количество ударов по материалу за единицу времени) и вьпле амплитуда колебаний инструмента (больше сила удара). Литературные данные [ 1, 11 ] и опыт авторов свидетельствуют, что из разрешенного диапазона рабочих частот, оптимальной является частота 22 кГц. На этой частоте легко реализуются амплитуды колебаний 30... 70 мкм, обеспечивающие максимальную производительность процесса обработки твердых тел.

Поскольку в процессе обработки в очень широких пределах изменяются условия эксплуагации прибора (от излучения в воздух, до излучения в твердое тело) в нем должны быть предусмотрень! системы стабилизации частоты и амплитуды колебаний [ 12 ] .

2. Вторая группа функциональных применений прибора обусловлена кавитационными процессами в жидкостях. Для реализации кавитационных процессов в жидкости необходимо вводить ультразвуковые колебания с интенсивностью 1...10 вт/см. Рост интенсивности вводимых колебаний на первом этапе ведет к увеличению скорости технологических процессов.

Отмечено также, что дальнейшее увеличение шггенсивности приводит к образованию на поверхности рабочего инструмента кавнтационного облака (большого количества воздушных пузырьков), исключающего передачу ультразвуковых колебаний в объем.

Оптимальная интенсивности вводимых ультразвуковых колебаний состав.тяег3...]0 вт/см.

3. Третья группа футациональных приме1фний многофункциональных аппаратов обусловлена одновременно кавитацией и акустическими течениями в жидкостях. Поэтому для осуществлеш1я функциональных возможностей прибора, в технологиях объединенных в

третью группу, наряду с кавитацией необходимо обеспечить интенсивные акустические потоки в жидкостях. Это может быть обеспечено применением ультразвуковых колебательных систем с рабочими инструментами специальной формы. Требования к аппаратуре аналогичны рассмотренным вьпле.

4. Интенсификация процессов, происходящих на фанице раздела твердых материалов (склеивание, сварка. вулканизация) обусловлена комплексным воздействием нескольких физических эффектов, таких как - акустические потоки, давление, кавитация и др. Условия эксплуатации в этом случае еще более жесткие, чем при реализации первой группы функциональных возможностей [ 13 ].

Проведенные предварительные исследования позволили установить, что ультразвуковые технологии, реализуюпще все четыре группы функциональных применений, могут быгь реализованы на базе семейства многофункциональных ультразвуковьгх аппаратов, способных обеспечить на рабочих инструментах, соприкасающи,хся с обрабатываемыми средами, ультразвуковые колебания с интенсивностью 3...10 вт/см и амплитудой колебаний 30-70 мкм.

Ультразвуковой технаюгический аппарат, как правило, представляет собой сложную систему следуюпщх блоков н элементов (см. рис 2,1. ); собственно технологического аппарата (объема 1 с обрабатьшаемым материалом 2); ультразвуковой колебательной системы 3, состоящей из преобразователя электрических колебаний 4, волноводной системы 5, концентрирующей УЗ колебания и рабочего инструмента 6 для ввода УЗ колебаний в обрабатьшаемые среды; электрического генератора 7; систем контроля и автоматизации 8.

Вопросы расчета и изготовления ультразвуковых колебательных систем, электрических генераторов и систем контроля и автоматизации будут рассмотрены в настоящей работе далее.

Начнем выработет обпщх требований к ультразвуковым аппаратам технологического назначения с обоснования требований к объемам с обрабатываемым веществом. Обусловлено это тем, что при создании аппарата необходимо прежде всего задаться необходимой интенсивностью УЗ колебаний в различных участках объема обрабатываемого вещества, ограниченного жесткими

стенками.