Выявление условий ультразвукового воздействия на газодисперсную среду и создание излучателей для повышения эффективности коагуляции в устройствах с закрученными потоками

Abstract

Актуальность исследования обусловлена наличием и неконтролируемым распространением в воздухе аэрозолей различных веществ, которые оказывают негативное влияние на человека, флору и фауну. Особенно эта проблема стоит при добыче, переработке и сжигании георесурсов. Наиболее эффективным способом решения проблемы является применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, воздействие которых на аэрозоли вызывает процессы сближения и агломерации мелких частиц в крупные. Однако при низкой концентрации эффективность коагуляции частиц недостаточна для увеличения степени улавливания газоочистного оборудования. Поэтому существует необходимость поиска новых путей оптимизации ультразвукового оборудования для коагуляции высокодисперстноых частиц с целью повышения его эффективности. Цель: определение оптимальных условий ультразвукового воздействия на закрученный газодисперсный поток, обеспечивающих максимальную эффективность агломерации высокодисперсных частиц. Проведение сравнительных исследований процесса коагуляции частиц при воздействии ультразвуковыми полями, формируемыми различными видами излучателей и их совместным воздействием, позволит определить эффективность ультразвуковой коагуляции и оптимальную конструктивную схему ультразвукового воздействия. Объекты: процесс коагуляции частиц под ультразвуковым воздействием, формируемым различными типами излучателей. Методы: компьютерное моделирование формируемого ультразвукового поля методом конечных элементов с помощью гармонического акустического анализа; моделирование и разработка дисковых излучателей методом конечных элементов с помощью модального анализа. Для определения характеристик аэрозоля использован Анализатор частиц Malvern Spraytec. Результаты. Результаты расчетов и экспериментов показали, что наиболее энергоэффективным может быть применение в качестве основного источника ультразвукового воздействия для устройств с закрученными потоками протяженного ультразвукового трубчатого излучателя, работающего на изгибно-диаметральной моде колебаний и формирующего кольцевую стоячую волну с уровнем звукового давления 162--165 дБ. Дальнейшее повышение эффективности коагуляции может обеспечиваться только совместным воздействием, трубчатым излучателем и продольно-колеблющимся излучателем. Это существенно модифицирует структуру поля и обеспечивает не только увеличение уровня звукового давления (до 167 дБ), но и количества формируемых узловых поверхностей (до 44)

Relevance. The presence and uncontrolled distribution of aerosols of various substances in the air, which have a negative impact on humans, flora and fauna. This problem is especially acute in the extraction, processing and combustion of georesources. The most effective way to solve the problem is the use of high-intensity ultrasonic vibrations, the effect of which on aerosols causes convergence and agglomeration of small particles into large ones. However, at low concentrations, the particle coagulation efficiency is not sufficient to increase the recovery rate of gas treatment equipment. Therefore, there is a need to find new ways to optimize ultrasonic equipment for coagulation of fine particles in order to increase its efficiency. Aim. To determine the optimal conditions for ultrasonic influence on a swirling gas-dispersed flow, ensuring maximum efficiency of agglomeration of highly dispersed particles. Carrying out comparative studies of coagulation of particles when exposed to ultrasonic fields generated by different types of radiators and their combined effects will make it possible to determine the effectiveness of ultrasonic coagulation and the optimal design scheme of ultrasonic exposure. Objects. Coagulation of particles under ultrasonic impact, formed by various types of radiators. Methods. Computer modeling of the generated ultrasonic field using the finite element method with the help of harmonic acoustic analysis. Finite element modeling and design of disk radiators using modal analysis. To determine the characteristics of the aerosol, a Malvern Spraytec Particle Analyzer was used. Results. The results of calculations and experiments have shown that the use of an extended ultrasonic tubular radiator operating on a bending-diametric mode of vibration and forming a ring standing wave with a sound pressure level of 162-165 dB as the main source of ultrasonic impact for devices with swirling flows may be the most energy efficient. Further increase in the efficiency of coagulation can only be achieved by the combined action of a tubular radiator and a longitudinally oscillating radiator. This significantly modifies the field structure and provides not only an increase in the sound pressure level (up to 167 dB), but also in the number of formed nodal surfaces (up to 44)