4.  Исследование влияния внешнего акустического поля на процесс образования осадков в сушильной камере.

 

   Известно использование акустических колебаний для интенсификации процесса удаления осадков [10,24].

   Фактором, интенсифицирующим перенос массы к поверхности, являются акустические течения вблизи стенки, а фактором, разрушающим осадок твердой фазы на стенке – знакопеременное поле звукового давления.

   Механизм влияния акустических колебаний на процесс образования осадков на стенке каналов имеет неоднозначный характер. С одной стороны, действие акустических колебаний направлено на возбуждение на границе связей твердых отложений знакопеременных изгибных усилий, в результате которых прочность связей ослабевает и слой образованного осадка разрушается. С другой стороны, возникновение акустических течений в пограничном слое [46,54,76] приводит к уменьшению толщины диффузионного подслоя и, как следствие, к интенсификации процесса массобмена.

   В настоящее время в научно-технической литературе отсутствуют надежные количественные зависимости, описывающие кинетику разрушения твердых осадков в системе «газ – твердое» при воздействии внешнего акустического поля.

   Согласно представлениям о вихревой структуре газового потока, разработанных Клайн С., Блейком Т., Хабахпашевым Е.М., Шептуном В.М.

[   10   ] и другими  исследователями, спектр частот собственных колебаний является определяющим в интенсификации процессов переноса в пристенной области ()( рис 25).

 

4.1 Предотвращение образования осадков.

   В работе [1] установлено, что с увеличением скорости воздушного потока  выше    3 м/с, количество образующегося осадка на стенке уменьшается

(рис. 20  ). Это может быть объяснено тем, что скорость разрушения Фbr осадка становится больше скорости накопления Фас осадка и, в конечном итоге, количество dG/ образующего осадка уменьшается (уравнение  2  ).

На рис.  36  представлен характер зависимости количества образующегося осадка от скорости Um воздушного потока.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.36 Характер зависимости количества образующегося осадка dG/ от скорости Um   воздушного потока.

 

На графике зависимости dG/ (Um) можно выделить 3 участка:

I – возрастание скорости образования осадка;

II – участок стабилизации;

III – уменьшение скорости образования осадка.

Ход зависимости dG/(Um) можно объяснить следующим образом. Скорость Фас накопления осадка прямо пропорциональна скорости Vms перемещения твердых частиц в поперечном направлении к поверхности канала                                                                   (уравнение  39 ).

Для оценки условий разрушения используют критерий разрушения Г [ 10 ]  :

    ,                                                                               ( 41 )

где  - приведенный модуль упругости;  - плотность ; - динамическая скорость .

 

  Разрушение осадка наступает при условии τкас > [σв], где τкас – касательные напряжения, возникающие при знакопеременных амплитудных колебаниях вязкого слоя; [σв] – предельные допускаемые напряжения в слое осадка [10] . Оценка величин допускаемых напряжений приведена в Главе 3.

Скорость разрушения Фd осадка пропорциональна  величине линейной скорости переноса скорости . В то же время скорость  

(уравнение 37).

    При дальнейшем увеличении скорости Um начинается разрушение осадка. На участке III ( рис. 36) скорость накопления         

      .                                                                          (   42     )

    

4.2 Влияние внешнего акустического поля на гидродинамические и массообменные процессы.

   Эффект разрушения осадка можно достичь двумя путями: увеличивать скорость потока, затрачивая дополнительную энергию на его перемещение, или, воздействовать на структуру вязкого слоя( рис. 25) и, соответственно, непосредственно на процесс образования осадка.

   Воздействие знакопеременного поля звукового давления на разрушение осадка рассмотрено в работе     [10]. При возбуждении пограничного слоя на частотах, близких к частоте собственных колебаний пограничного слоя, наблюдается синхронизация вихрей и увеличение амплитуды колебаний пристенного слоя.

    Влияние акустических колебаний на развитие пограничного слоя на пластине было тщательно изучено. Исследования проводились в воздухе в интервале скоростей 5-30 м/с. Озвучиванию подвергалась передняя кромка пластины при частотах 0,2-3 кГц и уровне звукового давления, не превышавшем 100 дБ. В отсутствии возбуждения вблизи точки торможения возникают вихри, приводящие к образованию волнового пограничного слоя. Частота таких естественных возмущений f определяется числом Струхаля:

 

  .                                                                               (   43   )

 

   Установлено, что при возбуждении пограничного слоя на частотах, близких к частоте естественных вихрей, наблюдается синхронизация вихря с вынужденной частотой f, что приводит к усилению возмущений. Возникновение двух эффектов  взаимно противоположного характера, возникающих при акустическом воздействии на осесимметричные струи в диапазоне частот 100 Гц-6,4 кГц при уровнях звукового давления 100-130 дБ, проанализировано в [10].

   При  наблюдалась интенсификация процесса перемешивания вытекающей струи с окружающей средой, а при S>1 – ослабление (здесь d – диаметр сопла). Оба эффекта усиливались при увеличении уровня звука. Интенсификация турбулентного перемешивания струи под действием внешнего акустического поля наблюдалась при низкой начальной турбулентности (ε0=1%), так и в предварительно турбулизированной среде (ε0=11,5%). Влияние звука на турбулентное перемешивание можно объяснить непосредственным воздействием акустических колебаний на турбулентную структуру потока и процесс каскадной передачи энергии от крупных вихрей к малым. Браун (см ссылку  в [10]) обнаружил существование определенных частот, соответствующих максимальной и минимальной реакциям струи на внешнее возбуждение. Из его опытов следует, что при сохранении подобных гидродинамических и акустических обстановок для потоков жидкостей, между числами Струхаля и Рейнольдса соблюдается динамическое подобие, то есть                                                 .                                                       

    Исследована  устойчивость свободного пограничного слоя в интервале скоростей до 15 м/с при ε0<0,0008 и была найдена зависимость  естественных частот потока от скорости течения. При этом было показано, что, воздействуя на поток внешним акустическим полем с частотой, равной частоте флуктуации скорости, можно не только стабилизировать колебания, но и заметно увеличить их амплитуду.

Обобщив экспериментальные работы по исследованию влияния колебаний на гидродинамику турбулентных потоков в каналах, можно сделать вывод о

том , что взаимодействие турбулентных пульсаций с наложенными колебаниями внешнего акустического поля возможно в том случае, когда частота наложенных колебаний совпадает с частотой турбулентных пульсаций, соответствующей малым волновым числам, энергетический спектр пульсаций, описывается  законом E(K)~K-1, в переходном слое вблизи стенки (y+=12).

   В [10] экспериментально установлена корреляция амплитуд гармонических составляющих пульсаций скорости  турбулентного потока у стенки. Коррелируемость амплитуд наблюдается в высокочастотной области спектра.

Одним из возможных проявлений воздействия внешнего акустического поля на воздух является возникновение акустических течений, которые могут возникать вблизи твердых поверхностей, вихревых движений и неоднородности (рис. 37   ).

Рис.37 К возникновению акустичес-

ких  течений

 

 

 

 

 

Оценочный критерий для течений ,вызываемых как вязкими потерями импульса, так и  инерционными (нелинейными) эффектами, имеет вид:

ζ t  =   l  /       

и представляет собой отношение сил, вызванных инерционными потерями, к силам вызванными вязкими. Здесь, l – характерный масштаб изменения колебательной скорости. В маловязких средах при достаточной интенсивности звука и значительных l (низкие частоты) может преобладать чисто нелинейный механизм генерации акустического                                                                                   течения.

   При ζт < 1 преимущественным механизмом генерации течений является передача импульса среде из-за вязких потерь; ζт ≥ 1 – источником течений являются инерционные силы; ζт ≤ 1 0 основным источником генерации течений (вихрей) являются вязкие потери вблизи препятствий. Однако, в последнем случае, при больших интенсивностях звука возможен переход от режима диссипативных источников к инерционным. Характерное время установления акустического течения:

                                      .

   На основании проведенного анализа научных  работ можно сделать вывод, что при наложении внешнего акустического поля на течение газового потока вблизи стенки может происходит взаимодействие высокочастотных составляющих спектров пульсаций давления жидкости со спектром колебаний внешнего акустического поля. Необходимым условием взаимодействие является равенство частот и определенный уровень звукового давления. Возможным результатом этого взаимодействия являются акустические течения, характер которых определяется превалирующей ролью инерционных либо вязкостных членов уравнения акустического течения.

 

4.3 Экспериментальные исследования и обсуждение результатов.

 

    В экспериментах знакопеременное поле звукового давления в пристенном слое на границе раздела «стенка канала – воздушный поток» создавали за счет механического воздействия на дно сушильной камеры (рис.4 ). Электрические колебания звуковой частоты усиливались широкополосным усилителем, после чего преобразовывались в звуковые колебания, которые передавались через стенку сушильной камеры.

На рис.38 приведены экспериментальные данные по влиянию звукового давления на скорость роста слоя осадка.

Рис.38. Зависимость массовой скорости Ф образования осадка Гуммиарабика от величины звукового давления :

 

I, II – нижняя и верхняя границы областей оптимальных значений давления;

1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 - ; 5 - .

 

   Проведенный физико-химический анализ позволил установить структуру осадка. В осадке содержатся частицы со средним диаметром  и для которых время релаксации  связано с периодом  колебаний пристенного слоя неравенством .

   Ход кривых  показывает, что скорость роста осадка при акустическом воздействии зависит от предельного звукового давления; начало и окончание  разрушающего действия звукового давления  показаны пунктирными линиями (рис.38).

   Увеличение величины предельного звукового давления с ростом чисел Рейнольдса можно объяснить рассеянием энергии колебаний более высокочастотными турбулентными пульсациями в пристенном слое. Экспериментальные исследования показали, что воздействие акустических колебаний на процесс образования отложений оказывается эффективным в достаточно узком диапазоне звукового давления и зависит от числа Рейнольдса. При достижении числа Re > 12 · 10 3  акустические колебания практически не оказывали  влияния на скорость роста осадка.

   В результате обработки экспериментальных данных по кинетике роста слоя осадка получена количественная зависимость для определения скорости  разрушения роста осадка для широкого диапазона изменения чисел Рейнольдса:

   ,                                                                                                (44)

где æ =  /  U  - амплитудно-частотный параметр.

Оптимальная величина звукового давления может быть определена из условия равенства факторов роста  и разрушения  осадка твердой фазы. Совместное решение уравнений 39 и 44 позволяет определить амплитудно-частотный параметр  и амплитуду колебательной скорости  при известных числах Рейнольдса, физико-химических свойствах сушильного агента и высушиваемого материала. В этом случае оптимальное значение величины звукового давления :

,                                                                                                   (45)

а значения амплитуды  смещения определяют из уравнения, записанного для плоской волны:

,                                                                                                  (46)

где  - частота налагаемых колебаний.

Рассчитанные значения критерия  соответствовали условиям разрушения осадка (Г > 1.0).