Экология/ 2.Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон.

Тряпичкин С.А., Кравчик В.Г.

Южно – Российский государственный университет экономики и сервиса, Россия

Ультразвуковая обработка воды для бытовых нужд.

При воздействии на жидкость ультразвукового излучения возникают дополнительные силы, взвешенные в жидкости частицы вовлекаются в колебательное движение, на жидкость действует звуковое давление  или давление ультразвукового излучения, появляется дрейф частиц, возникают акустические течения. Как известно, чем меньше частицы, тем выше должна быть частота ультразвукового излучения. В жидкости происходит поглощение и рассеивание ультразвуковой энергии. Под воздействием ультразвука ускоряется процесс коагуляции, на этот процесс влияет время экспозиции, которое зависит от интенсивности ультразвукового излучения Iп.Давление ультразвукового излучения вызывает силы гидродинамического воздействия. В большинстве случаев вязкость определяет основные потери звуковой волны. При распространении ультразвука в воде, вокруг объектов, находящихся в ней и имеющих другую плотность, возникают микроскопические области высокого давления, сменяющегося высоким разрежением. Микроорганизмы находящиеся в воде не способны выдержать такие воздействия. Резкое разряжение приводит к механическому разрушению бактерий. Как известно, закон сохранения энергии идеальной жидкости описывается следующим выражением:

,                                                    (1)

где  – кинетическая энергия,

 – внутренняя энергия, которая для идеальной жидкости совпадает с потенциальной;

Как известно ультразвуковая энергия есть сумма кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды.

Интенсивность ультразвука определяется как.

                                           (2)

где W – энергия потока ультразвука, проходящего через площадь S за время t.

Зависимость интенсивности ультразвука от амплитуды выражается формулой:

,                                           (3)

где r – плотность среды,

с – скорость распространения ультразвуковых волн,

w – круговая частота,

А – амплитуда колебаний;

Соотношение интенсивности ультразвука с величиной переменного акустического давления Р для плоской ультразвуковой волны:

                                                              (4)

Связь интенсивности ультразвука с колебательной скоростью частиц среды:

                                                        (5)

v – колебательная скорость частиц среды.

Мощность N акустического излучателя определяется как (Вт/см2):

                                                              (6)

Поглощенная в единице объема энергия  –  физическая доза D:

,                                                         (7)

где I – интенсивность ультразвуковых колебаний, падающих на озвучиваемую поверхность тела,

t – время озвучивания,

S – площадь облучаемой поверхности тела,

V – объем тканей тела, подвергнутых воздействию;

При помощи выражения получаем (7) среднее значение дозы. Действительное значение дозы в конкретной точке может отличаться от среднего из – за неравномерного распределения ультраакустической энергии в любом объекте. В процессе распространения плоских ультразвуковых волн в среде интенсивность ультразвука I уменьшается по мере удаления от источника излучения согласно формуле:

,                                                           (8)

где I0 – начальная интенсивность,

x – расстояние от источника,

k – коэффициент поглощения звука в среде,

е – основание натурального логарифма коэффициента поглощения ультразвука, выражается в обратных единицах длины (см-1; м-1) или в децибелах на единицу длины (см; м); при этом 1 см-1 = 8,68 дБ/см.

Под действием ультразвука тонкие частицы претерпевают физические изменения их поверхностных свойств, в результате происходит агрегация мелких частиц в более крупные флокулы.

Процесс флокуляции описывается следующим выражением:

                                                        ,                                                      (9)

где n − концентрация взвешенных частиц во время τ, прошедшее от начала процесса,

n0 − концентрация частиц в начале облучения,

k − коэффициент скорости коагуляции;

Если суммарная поверхностная энергия тонких частиц до начала процесса агрегирования равна Е1, то после, из – за уменьшения суммарной поверхности частиц, энергия примет значение: Е2:

                                                                                                              (10)

Укрупнение объектов, находящихся в жидкой или вызовет движение этих частиц под действием силы тяжести или задержку их в слое фильтрующих частиц, если размеры данных частиц (флокул) будут больше, чем линейные размеры промежутков между частицами., количество частиц, попавших в осевший слой и оставшихся во взвешенном состоянии будет:

                            ,                                                        (11)

                                     ,                                                 (12)

где Vниж. ( t )–  суммарный объем осадка, накопленного в нижнем продукте к моменту времени t, м3,

S –площадь сечения аппарата,

xдно − координата разгрузочной части аппарата;

Для верхнего продукта справедливы аналогичные формулы.

Сепарационная характеристика для стационарного режима работы, когда δ(mγ)/δt =0, имеет ступенчатый вид:

                                               .                                                       (13)

Подобное идеальное разделение возможно при свободном движении зерен.

При большей производительности по твердому материалу в зоне разделения скапливаются твердые частицы и разделение имеет осложненный характер.

Осложненность процесса разделения может быть учтена введением градиентной силы Fград, в результате уравнение движения частиц будет выглядеть так:

                                                (14)

Если m = const, то получим:

,                                                    (15)

где

.                                     (16)

При этом двухмерная сепарационная характеристика по ρ и l , будет иметь вид:

,                     (17)

где a=g αc-1(ρ0 − ρcр); lp = (vcp./ a)0,5 есть крупность разделения;

Данный закон гиперболического тангенса для сепарационной характеристики разделения в осложненных условиях удовлетворительно аппроксимирует экспериментальные кривые εсл. ( l ).При весьма большой осложненности в уравнениях сепарации надо дополнительно учитывать силу сопротивления Fсопр. = −αv  и, градиентную силу Fград.

При определении выходов продуктов γ(l, ρ, xверх, t) учитываются граничные условия в виде vx(l, ρ, xдно, t) =vx (l,ρ,xверх, t) = 0 . Для решения необходимо, чтобы m = const и ρ = ρпульпы = const. При этом уравнение сепарации имеет вид:

                                                 (18)

Для этого выражения решение при достаточно большом времени сепарации имеет вид:

                                                                  (19)

где A = – vср + aц ( ρ   ρпульпы)/ αсопр ( l ) – коэффициент «сноса», м/с, зависящий от l и ρ частиц и равный скорости частиц при отсутствии градиентной силы

(k град = 0); h = xдно= xверх – толщина постели,

D = kград. ( l )/αсопр.( l ) – коэффициент диффузии;

Скорость среды в данном случае направлена против х , поэтому vср. отрицательна. Прохождение скоагулированных частиц сквозь фильтрующий слой в первом приближении может быть рассмотрено как просеивание сквозь сито с размером ячеек lотв.

Литература:

1. Голямина, И.П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. – М.: «Советская энциклопедия», 1979. – 400 с.

2 . Розенберг, Л.Д. Физические основы ультразвуковой технологии. – М.: «Наука», 1970. – 698 с.