книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

Г. А. КАРДАШЕВ, П. Е. МИХАЙЛОВ

ТЕПЛО­

МАССООБМЕННЫЕ

АКУСТИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

F К О Н і Р О г г Ь

I э к з ь м п л

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1973

Гео. публична*

квучно - те.-,кп * кал

бисід-.ч*. > ' ' - ? К21 ЭКЗЕМПЛЯР УДК 66.015.24 ЧИТАЛЬНОГО аАЛА

Кардашев Г. А., Михайлов П. Е. Тепломассообменные акустиче­ ские процессы и аппараты. М., «Машиностроение», 1973, 223 с.

В книге дано физическое введение в теорию процессов тепломассо­ обмена при акустическом воздействии. Рассмотрено влияние акусти­ ческих колебаний на различные тепломассообменные технологические процессы, причем акустические воздействия классифицированы по спектральному признаку на узко- и широкополосные. Большое вни­ мание уделено импульсным (широкополосным) генераторам и источ­ никам. Изложены теоретические основы и методы инженерного расчета и конструирования акустических технологических аппаратов — от электрических генераторов и излучателей до собственно аппаратов.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой и применением тепломассо­ обменной аппаратуры.

Табл. 5, ил. 123, список лит. 69 назв.

Рецензент д-р техн. наук проф. ГЕЛЬПЕРИН Н. И.

© Издательство «Машиностроение», 1973 г.

Н. И. Сыромятникова и В. Ф. Волкова, С. С. Заброд-

Эффективность виброкипящего слоя показал Н. И. Сыро­ мятников.

Ускорение процессов массопереноса акустическими ко­ лебаниями доказано многочисленными экспериментами [6]. Так, X. Френцель, К. Гинзбург и X. Шульцес, •а также Ф. Б. Баумгарт наблюдали увеличение на 70— 100% скорости диффузии в растворе через пористую мембрану. Г. Томас и Г. Тарночи наблюдали в ультра­ звуковом поле двух-, трехкратное увеличение скорости диффузии оксалата натрия через целлофановую мембрану.

A.Н. Гинстлинг и А. П. Онохин доказали значительное ускорение пропитки древесины под действием ультра­ звука. Б. Г. Белов, М. Е. Архангельский и Г. Н. Пинус показали ускорение диффузии в гелях. Н. М. Мальцев,

B.Ю. Орлов, А. М. Гинстлинг и А. А. Барам [16], К. В. Чмутрв и И. Г. Алексеева наблюдали существенное

ускорение сорбционных процессов в ультразвуковом поле. Известно, что акустические колебания ускоряют раство­ рение, перегонку, экстракцию, влияют на процесс ста­ рения и создания синтетических дисперсных сплавов (Г: И. Погодин-Алексеев [57]).. А. П, Капустин, А. Н. Ку­ ценко наблюдали ускорение процессов кристаллизации органических и неорганических веществ. Известны по­ пытки применения упругих колебаний для ускорения процессов крашения тканей, пропитки металлокерами­ ческих изделий жидкостями, склеивания металлических изделий, пропитки радиотехнических изделий изоляци­ онными лаками.

В определенных условиях упругие колебания суще­ ственно ускоряют процесс сушки. Например, П. Грегуш отмечает десятикратное ускорение сушки хлопкового волокна в звуковом поле с частотой 25 кгц. Значительную интенсивность сушки порошкообразных, пористых и волок­ нистых материалов (карбоксилэтилцеллюлоза, паста дву­ окиси титана, коллоидная гидроокись циркония, сили­ кагель, ферменты, гормоны, бумага, картон) наблюдали при частоте 10 кгц Е. Брун и Р. Ж- Буше.

Исследования влияния акустических воздействий на процессы, сушки, проведенные главным образом в Аку­ стическом институте АН СССР [58], институте тепло­ массообмена АН БССР и МИХМе, показали ряд особен-

4

ностей этого вида воздействия. Например, Н. Н. Долго­ полов и С. Г. Симонян отмечают, что при акустической сушке, в отличие от контактной и инфракрасной, отсут­ ствует начальная стадия разогрева.' Многие авторы отме­ чают, что акустическая сушка наиболее эффективна в сочетании с другими формами воздействия. Эффектив­ ность сушки керамической плитки в акустическом и электромагнитном поле отмечают С. Г. Симонян и Н. Н. Долгополов. Резонансные явления в процессе виброперемешивания цементно-песчаных смесей иссле­ дованы Н. В. Михайловым и др. [65].

Акустическое воздействие на ход химико-технологи­ ческих процессов отражено в монографиях Л. Бергмана [6], И. Е. Эльпинера [68], В. М. Фридмана [60], В: А. Но­ сова [45], А. М. Гинстлинга и А. А. Барама [16] и во многих других работах.

Воздействия, примененные различными исследовате­ лями, можно разделить на высокоинтенсивные, при кото­ рых возникает кавитация в среде (разрыв сплошности потока), и низкоинтенсивные, энергия которых. недоста­ точна для возникновения кавитации. Во многих случаях эффективность воздействия при кавитации на один-два порядка выше, чем на докавитационном уровне. В одних условиях низкоинтенсивное облучение не ускоряет про­ цесса массообмена. Так, Ю. Я. Борисов и Н. М. Гынкина при сушке этилцеллюлозы отметили существование пороговой интенсивности звука около 140 дб, ниже кото­ рой акустическое воздействие не ускоряло сушку. Однако во многих работах отмечено существенное ускорение тепло- и массообмена в других условиях при воздействии низкоинтенсивного звука на жидкую и газообразную среду. Причиной таких, на перрый взгляд, противоречи­ вых результатов является зависимостьотклика (реак­ ции) озвучиваемой системы, в том числе, и структуры обрабатываемого материала, на примененное воздействие в данном конкретном аппарате.

Известно, например, что при воздействии гармони­ ческих ультразвуковых колебаний процесс мокрого дуб­ ления кож ускоряется примерно на 15%. Рассматривая кожевенное ■сырье как сложную акустическую систему, авторы в содружестве с другими исследователями подо­ брали широкополосное воздействие так, чтобы его' частот­ ный спектр примерно соответствовал распределению пор в сырье по размерам. Для этого использовали импульсы

. 5

ГЛАВА I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ АКУСТИЧЕСКОГО ТЕПЛОМАССООБМЕНА

Специфическим предметом исследования теории акусти­ ческого тепломассообмена является механизм реакции структуры материала на акустическое воздействие. Тео­ рия должна объяснять механизм этой реакции и ее влия­ ние на процессы переноса энергии, импульса и массы вещества. Кроме «внешней» задачи о передаче колебаний от источника и о возмущениях в пограничной области раздела фаз, необходимо решать основную «внутреннюю» задачу оценки хода физических макро- и микропроцессов внутри обрабатываемого материала, подверженного упру­ гим колебаниям. Цель теории состоит в определении усло­ вий и режимов воздействия, обеспечивающих интенсифи-' кацию тепломассообмена в данных материалах.

■Попытки решения основной «внутренней» задачи даже в частных случаях затруднены в связи с недостатком информации о механизме процессов.

В основу теории можно положить кинетические модели вещества и известное представление о распространении колебаний в дискретных средах.

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЕЩЕСТВА

Рассмотрим характеристики структуры вещества на основе кинетической модели. Объемная плотность п частиц вещества зависит от потенциальной энергии и темпера­ туры. При подводе тепла к единичному объему вещества при постоянной температуре (Т = const) кинетическая энергия его увеличивается, а потенциальная— умень­ шается вследствие расширения вещества на ту же вели­ чину, т. е. йЭк = —сІЭп. Тогда, так как сІЭк = kTdn,

а сІЭп — псІЭп, то

где A3п — приращение потенциальной энергии взаимо­ действия при изменении плотности частиц от максимально возможной п0 по данной п\

*k — постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

7

Таким образом,, формула (1) расширяет область при­ менения .известного уравнения Больцмана.

Молекулярное расстояние L (между центрами частиц с диаметрами а) при плотности частиц п можно оценить следующим образом. Минимальный объем одной частицы

всамосжимающейся системе можно считать равным V =

=\/п, а также равным объему V' цилиндрического ка­

том движения всех частиц можно записать V = У 2na2iL. Поэтому

Зависимость длины пути I от температуры получим подстановкой значений величин из формулы (1) в выра­ жение (3):

частиц.

При наиболее плотной гексагональной упаковке сфе­ рических частиц (шариков) каждая из них окружена 12-ю ближайшими шариками. Принимая, что при равно­ мерном (в среднем) распределении шариков в простран­ стве сохраняется сферическая симметрия, найдем для любого г-го слоя число частиц Nt — 12t2, площадь ми­ шени s = М(.яст2 и площадь рассеяния s,- = 4ni2Lz. По­ этому вероятность соударения движущейся частицы с лю-

8

бым t-м слоем Bt = 3 (a/L)2, а с одним определенным слоем

В = £ Bt = tß, = Зг (a/L)2.

І

Следовательно, в системе невзаимодействующих ча­ стиц соударение движущейся частицы с одной из осталь­ ных неподвижных частиц обеспечено при условии

= т ( к )2 ИЛИ 1 = аУ ЗІо >

где г'о— номер последнего слоя, обеспечивающего досто­ верность события.

Если бы молекулы были неподвижны, то длина сво­ бодного пробега с равной вероятностью могла принимать ряд дискретных значений

в пределах L — а < I < < іЬ — а. В системе дви­ жущихся и притягиваю­ щихся одна к другой час­ тиц вероятность соударе­ ния с ближайшими слоями возрастет, так как притя­ жение увеличивает эффек­ тивный диаметр столкно-

Рис. 1. График, иллюстрирую­ щий соотношение между кине­ тической, и потенциальной энер­ гией частицы 2 в ячейке из частиц 1, 2, 3 в зависимостиот координаты г при отсутствии равновесия и преобладании:

вения. Кроме того, в'системе подвижных частиц вероят­ ность проникновенияих за границу iL — а станет отлич­ ной от нуля. Однако при любых значениях і0 средняя длина пробега между соударениями I Ä* i0L — a.

Состояние простейшей модели ячейки вещества из трех частиц определяется тем, что с уменьшением рас­ стояния 2L увеличивается потенциальная энергия при­ тяжения между крайними частицами 1 и 3, но к моменту соударения (положение 2' или 2") уменьшается потенци­ альная энергия движущейся средней частицы .2 (рис. 1).

- 9