Ультразвуковая кавитация - основной действующий фактор ускорения процессов в жидких средах
УЗ кавитация - основной инициатор физико-химических процессов, возникающих в жидкости под действием УЗ. Она реализуется за счет трансформации низкой плотности энергии УЗ в высокую плотность энергии вблизи и внутри газового пузырька.Кавитация — образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных паром, газом или их смесью. В ультразвуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн. При этом, в жидкости происходит разрушение поверхностей твёрдых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.
Как происходит процесс образования кавитации в жидкости? Рассмотрим возникновение эффекта и протекание по стадиям:
1. Действуем на жидкость УЗ колебаниями малой интенсивности. Как известно, УЗ волна, проходя через жидкость, создает зоны сжатия и зоны разряжения, меняющиеся местами в каждый полупериод волны. Возникающее при этом знакопеременное давление можно подсчитать по формуле:
где С - скорость распространения УЗ [м/с], I - интенсивность УЗ [Вт/см2 ].При этом частицы среды колеблются с малыми амплитудами (доли микрометра) и громадными ускорениями, порядка 105*g.
2. Увеличиваем интенсивность до 1 Вт/см2 . Появится нарушение однородности жидкости. Что же происходит? В фазу разряжения (пониженного давления) в наиболее слабых местах начинается выделение растворенных газов с образованием одного долгоживущего пузырька.При этом, образующийся пузырек стабилизируется монослоем органических веществ и линейно колеблется с частотой УЗ относительно своего равновесного R. Очевидно, что максимальная амплитуда А у резонансных для данной частоты f пузырьков.
3. Дальнейшее повышение интенсивновсти до 1,5 Вт/см2 приводит к нарушению линейности колебаний стенок пузырьков. Начинается стадия стабильной кавитации. Пузырек сам становится источником УЗ колебаний: гармоник, с частотой n/f, субгармоник, с частотами n/f. На его поверхности возникают волны, микротоки, электрические разряды.
4. Четвертая стадия называется стадией нестабильной кавитации. Возникает при дальнейшем увеличении интенсивности I > 2,5 Вт/см2. Она характеризуется образованием быстрорастущих парогазовых пузырьков, которые в фазу сжатия мгновенно сокращаются в объеме и схлапываются, т.е. наступает коллапс.
Для разных жидкостей, значения давления, при котором образуется кавитация, находится в пределах от 1,0 до 3,9 атм.
Примеры: вода-1 атм, касторовое масло-3,2 атм., керосин-3,9 атм., четыреххлористый углерод - 1,75 атм.
Чем характеризуется кавитационный процесс?
а) В пузырьке происходит разогрев парогазовой смеси до 8000…12000 0К;
б) Колебания пузырька характеризуются высокой радиальной скоростью стенок, большей скорости звука (340 м/с);
в) В пузырьке создаются большие давления, превышающие 10000 атм.
Теоретически эти цифры могут быть превышены и при определенных условиях можно достичь значений, при которых наступят термоядерные реакции.
5. Что происходит далее, когда газовый пузырек захлопывается
а) На месте исчезнувшего пузырька образуется ударная волна
б) Если пузырек при сжатии имел линзообразную форму, между сближающимися стенками возникает микроточечный электрический разряд высокого напряжения (десятки миллионов вольт).
В результате развития в среде всех стадий кавитационного процесса возникает сложная гидродинамическая обстановка, влияющая на структуру жидкости. Чем она обусловлена?
1. Осцилирующие пузырьки - образуют волны давления P в среде.
2. Захлопывающиеся области образуют ударные волны.
3. Существует общее акустическое давление УЗ волны.
Накладываясь друг на друга, на пузырьки газа, и твердые частицы, эти факторы в объеме образуют неоднородность давлений Р, что порождает быстрые микропотоки и общие течения.
Обобщенно физические и химические эффекты, имеющие место при пульсациях каждого рассмотренного вида парогазовых пузырьков, представлены на рисунке 3.2. Наибольший вклад в многообразие эффектов, показанных на рисунке 3.2, вносят именно захлопывающиеся кавитационные пузырьки [19].
Следовательно, при реализации технологических процессов, интенсифицируемых УЗ колебаниями, необходимо создавать условия возникновения именно захлопывающихся кавитационных пузырьков. При этом существует понятие оптимального времени захлопывания кавитационного пузырька.
Таким образом, в жидкости возникают такие физико-химические явления, как акустическая кавитация, интенсивное перемешивание, переменное движение частиц, интенсификация массообменных процессов. Сопутствующими факторами здесь являются эффекты диспергирования в системе твердое тело - жидкость, жидкость — жидкость (получение суспензий, эмульсий, селективное разрушение клеток и микроорганизмов в суспензиях), расслоение по относительной массе и размеру взвешенных в жидкой среде твердых частиц, коагуляция.
Воздействие УЗ с частотой 20-100 кГц характеризуется разделением молекул и ионов с различной массой, искажением формы волны, появлением переменного электрического поля, капиллярно-акустическим и тепловым эффектами, активацией диффузии.
Здесь проявляются сопутствующие эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей.
При использовании высокочастотного ультразвукового диапазона частот (более 100 кГц) могут возникнуть изменения в структуре веществ, воздействие на клеточном и субклеточном уровне.
