Энергетика и дисперсность тумана, образованного ультразвуковым увлажнителем

Рассмотрим процесс образования тумана, происходящий в увлажнителе воздуха, в котором распыляют воду с помощью ультразвукового фонтана [1]. Туман — это относительно устойчивая, но постоянно изменяющаяся («стареющая») среда, содержащая множество сконцентрированных в некотором объёме свободно витающих в воздухе капель воды.

Преобразование первично образованного тумана — его «старение» — наблюдается постоянно, поскольку с течением времени происходит: уменьшение концентрации, количества витающих капель — испарение самых мелких капель, укрупнение капель при переконденсации влаги на поверхность более крупных капель, коалесценция — слияние капель, изменение их электростатического заряда, повышение степени гравитационного осаждения — седиментации крупных капель и др. Отдельные стадии «старения» тумана, претерпевающего ряд трансформаций, протекают за доли секунды, иные за десятки минут и более.

Исследователи жидких аэрозолей часто не придавали должного значения малозаметным быстро происходящим стадиям его изменения. При этом они сталкивались (и продолжают сталкиваться) с изучением не первично образованного тумана, а его изменённого прообраза — «вторичного» тумана, параметры которого удавалось зафиксировать с помощью применяемых ими соответствующих методик измерений и имеющихся в наличии доступных измерительных средств (прямые бесконтактные способы регистрации минимальных размеров и количества капель плотного тумана доступны только для частиц величиной, измеряемой десятыми долями микрометра).

До сих пор при описании тумана, полученного распылением воды в ультразвуковом фонтане, исследователи наиболее часто оперируют данными, полученными при изучении изменённого «вторичного» спектра капель, описываемого понятиями, корреспондирующимися преимущественно с классической волновой теорией распыления жидкостей, и не уделяют должного внимания столь значимой кавитационной составляющей — наиважнейшей при изучении именно ультразвукового процесса.

Это обстоятельство приводит к заметному разбросу опубликованных значений физических величин, описывающих свойства туманов, генерируемых конкретными ультразвуковыми устройствами распыления воды, что затрудняет для проектировщика задачу выбора правильной стратегии их эффективного применения.

Распыление воды в ультразвуковом фонтане с образованием области мелкодисперсного тумана известно около 100 лет.

На протяжении первых 50 лет была изучена физическая природа образования мелкодисперсного тумана; сформировались две самостоятельные гипотезы, характеризующие изучаемый процесс распыления жидкостей: капиллярно-волновая и кавитационная. Были определены основные характеристики генерируемого аэрозоля: размеры — спектр распределения капель (диапазон дисперсности), плотность, концентрация, водность аэрозоля, а также устойчивость — время «старения» тумана.

По результатам глубокого анализа предшествующих работ и детальных исследований, проведённых в 1960-х годах в Акустическом институте АН СССР под руководством д.т.н., профессора Л. Д. Розенберга, была предложена (актуальная сегодня) компромиссная кавитационноволновая гипотеза акустического распыления жидкостей в ультразвуковом фонтане [2]. Был измерен и проанализирован спектр водного мелкодисперсного аэрозоля-тумана, генерируемого ультразвуковыми колебаниями, и энергозатраты на образование многомиллионного количества его капель (энергозатраты на разрыв «сплошности» воды).

Было подтверждено соответствие спектра распределения количества капель генерируемого аэрозоля традиционному логарифмически-нормальному закону их распределения по размерам. Такое распределение капель хорошо согласуется с волновой природой диспергирования жидкостей. В литературных источниках в мегагерцовом диапазоне ультразвукового распыления обычно указывают размеры капель от 1 до 15–20 мкм.

Образование тумана происходит при разрыве однородности (сплошности) ультразвукового (водяного) фонтана и создании новых поверхностей в виде мелкодисперсных капель аэрозоля. На достижение конечного результата — получение водного тумана — расходуется лишь малая доля потребляемой увлажнителем электрической энергии.

Кроме целевого потребления энергии на образование непосредственно новой поверхности мелкодисперсных капель, она расходуется поэтапно в генераторе токов высокой частоты, в пьезокерамическом излучателе ультразвуковых колебаний, при прохождении направленного ультразвука через слой воды и его самофокусировке на её изгибающейся поверхности, на образование и поддержание непосредственно фонтана, на перемешивание воды, находящейся в сосуде, на генерирование кавитационной области внутри фонтана и капиллярных волн на его поверхности, на придание начальной кинетической энергии и электрического заряда каплям, отделяющимся от поверхности фонтана, и др.

При этом результаты анализа энергопотребления на процесс образования новой поверхности распыляемой жидкости выявили неудовлетворительное соответствие (разбаланс) между суммарным энергопотреблением на этапах с предполагаемым наибольшим расходованием энергии в цепи выделенных её «потребителей», расчётными численными значениями и реально зафиксированными величинами потребляемой электроэнергии.

В 1975–1985-х годах в Ленинградском технологическом институте холодильной промышленности (ЛТИХП) были проведены исследования ультразвукового увлажнителя воздуха [1]. Анализ баланса суммарной массы влаги, выводимой из корпуса увлажнителя в виде тумана, содержащего известный (измеряемый) спектр витающих в воздухе капель и насыщенный водяной пар, позволил обоснованно предположить наличие в тумане большого количества инструментально не зафиксированных очень мелких капель. Результаты экспериментальных и аналитических работ способствовали формулированию предложенной в 1987 году гипотезы о бимодальном спектре распределения капель по размерам, образующих устойчивый туман вблизи ультразвукового фонтана, который можно практически без потерь транспортировать по воздуховодам преимущественно с их плавной геометрией [3].

Плотность распределения диаметров (вероятных размеров) капель тумана, образованного ультразвуковым увлажнителем, представлена на рис. 1.

Учитывая положения предложенной гипотезы, вероятная величина наиболее часто встречающегося диаметра капель уменьшается примерно на два порядка, и «разбаланс» величин, составляющих суммарные расчётные энергозатраты на основные этапы процесса распыления и реальное потребление энергии увлажнителем, значительно сокращается. Столь значительные изменения в оценке дисперсности образуемого тумана показывают расхождение с аналогичными физическими характеристиками аэрозолей, зафиксированными доступными в те годы средствами измерений и опубликованными в 1970 году в упоминаемом выше академическом издании [2].

Уточнение спектра размеров и счётного количества капель в генерируемом аэрозоле (тумане) осуществлялось в 1985 году в НИИ физики облаков (город Обнинск) с применением телевизионного спектрометра аэрозолей «Аспект-10» [4]. Телевизионный спектрометр позволяет производить прямые бесконтактные измерения капель тумана до минимальных размеров частиц, равных 0,2 мкм.

Там же в подтверждение выдвинутой гипотезы по сухому остатку испарившихся капель концентрированного соляного раствора было косвенно подтверждено присутствие в образуемом тумане большого количества капель с размерами менее 0,2 мкм.

Подтверждением гипотезы бимодального спектра распределения капель по размерам можно также считать выводы, опубликованные в 2015 году [5].

Рассмотрим энергетику непосредственно процесса распыления (измельчения) воды. Определим технологический коэффициент полезного действия (КПД) процесса туманообразования.

Энергию (расход энергии) образования новой поверхности можно рассчитать по формуле:

ΔW = σΔS = σ(S_d – S_D), (1)

где S_D — площадь поверхности распыляемого (за 1 с) объёма воды, которую условно представляем в виде начальной одиночной капли диаметром D, м; S_d — суммарная площадь капель тумана количеством n с усреднённым диаметром d, м (образованных при диспергировании капли диаметром D); σ — коэффициент поверхностного натяжения воды, Н/м.

После преобразований расчётная формула (1) примет вид:

ΔW = σπD²(D/d – 1). (2)

Для практического расчёта воспользуемся известными характеристиками серийно выпускаемых высокочастотных ультразвуковых увлажнителей.

При удельной производительности увлажнителя по влаге, равной 1 кг/ч, устройство потребляет из сети мощность 80 ВА (≈ 80 Вт) [1]. При пересчёте на секундный расход эти цифры составят G_ув = = 0,278×10^–3 кг/с и расход электроэнергии ΔР = 80 Вт·с.

Приравнивая величину действительного секундного расхода G_ув увлажнителя-распылителя к массе условной начальной капли воды, подвергаемой дроблению, рассчитываем диаметр условной начальной капли D = 0,0081 м (0,81 см), тогда площадь поверхности этой капли S_D = 206×10^–6 м (2,06 см²).

В монографии [2] указан наиболее часто встречающийся диаметр капель при распылении воды на частоте звука, близкой к величине 2 МГц, который равен 2×10^–6 м (2 мкм).

По известным справочным данным коэффициент поверхностного натяжения воды (при температуре распыляемой воды ≈ 30°C) равен σ = 712,2×10^–4 Н/м, при этом плотность воды — ρ ≈ 995 кг/м³. Тогда секундный расход энергии на образование капель тумана будет равен ΔW = 0,0594 Дж (Вт·с). При этом за 1 с образуется туман с количеством капель n = 6,6×10¹⁰ шт., а суммарная поверхность образованных туманом капель составит S_d = 0,834 м². Общая поверхность капель тумана за 1 c возросла многократно — в 4000 раз.

По величинам секундного расхода затраченной и рассчитанной энергии на образование тумана определим технологический КПД процесса туманообразования как ΔW/ΔP = 0,00074 (или 0,074%).

Причём аналогичный показатель более производительного ультразвукового распыления воды в слое (килогерцового диапазона частот), генерирующего более крупный аэрозоль, примерно в два раза уступает распылению в ультразвуковом фонтане [2]. Другие способы получения жидких и твёрдых аэрозолей также имеют низкие значения технологических КПД — сотые доли процента; заметим, что получение более крупного аэрозоля обычно является менее энергозатратным процессом [2, 6].

Если воспользоваться предложенной в 1987 году гипотезой о бимодальном спектре генерируемых ультразвуковым увлажнителем капель тумана, то d = d_бм ≈ 0,02 мкм, тогда расчётный технологический коэффициент полезного действия процесса туманообразования увеличится до значения ΔW/ΔP = 7,4%.

Количество капель тумана возрастает на шесть порядков: n_м = 6,6×10¹⁶ шт. Суммарная площадь поверхности капель достигает S_dм = 83,4 м² (S_м/S_D ≈ 400×10³ — кратность увеличения поверхности капель тумана за 1 с).

Полученные величины хорошо корреспондируются с прогнозируемыми значениями технологического КПД (до 5–10%) разрабатываемых перспективных измельчителей твёрдых веществ для получения порошков [6]. Причём при разработке новых устройств для получения мелкодисперсных порошков особое внимание уделяют обеспечению немедленного удаления полученного продукта (мелочи) из зоны дробления. Только при этом будут сведены к минимуму потери энергии, связанные с взаимодействием частиц между собой, — их трением, нагреванием, сцеплением, то есть вторичным укрупнением с образованием агломератов.

Приведённые утверждения можно полностью отнести к мелкодисперсным туманообразующим распылителям воды, в которых с целью замедления «старения» тумана необходимо стремиться к максимально быстрому рассредоточению капель генерируемого аэрозоля. Мелкодисперсные нанопорошки получают также посредством распыления растворов с последующим высушиванием (испарением) жидкого аэрозоля и сбором сухого остатка капель.

В заключение хочется отметить, что процесс получения мелкодисперсного тумана является процессом с весьма низким расчётным технологическим КПД, и даже небольшое повышение этого показателя, например, за счёт искусственного замедления или приостановки процесса «старения» тумана, может значительно расширить область рационального применения ультразвуковых устройств.

Аэрозольные капли плотного ультразвукового тумана в процессе его «старения» особенно подвержены электростатической коалесценции, так как образование капель практически всегда сопровождается приобретением ими разноимённых зарядов при их очень малой массе (более крупные и массивные капли в значительно меньшей степени подвергаются электростатической коалесценции). Поэтому торможению трансформации начального спектра размеров капель тумана, образованного ультразвуковым распылителем воды в фонтане, должна способствовать специальная технологическая операция придания преимущественно униполярного заряда генерируемым каплям тумана и внутренним стенкам корпуса увлажнителя (искусственную электризацию капель ограниченно применяют в медицинских ингаляторах).

Итак, технология распыления воды в ультразвуковом фонтане — получения сверхмелкодисперсного тумана — в соответствии с гипотезой о бимодальном спектре размеров капель позволяет достигать научно прогнозируемых максимальных (стремящихся к 10%) значений коэффициента полезного действия процесса образования новой поверхности витающих в воздухе частиц (капелек воды), значительно опережая по этому показателю широко известные в разных сферах применения способы и устройства мелкодисперсного распыления воды.

Эта особенность и уникальные характеристики тумана, генерируемого ультразвуковыми увлажнителями, способствуют более рациональному их применению во многих технологических процессах, требующих поддержания точных и часто экстремальных параметров воздушной среды. Учитывая относительно небольшую единичную производительность анализируемых ультразвуковых увлажнителей по влаге, передаваемой обрабатываемому воздуху (отдельные блоки до 30 кг/ч), можно также рекомендовать их эффективное применение для финишной обработки достаточно больших объёмов воздуха.