5_зМБЧБ 2
advertisement
2. Энергетика ультраструйной обработки жидкостей 2.1. Основные физические факторы влияния Как отмечалось ранее, физическая сущность технологии УСО состоит в сжатии обрабатываемой (активируемой) ГТС (жидкости) до сверхвысоких давлений (до 300-500 МПа) и продавливании сжатой жидкости через специально спрофилированное сопло малого диаметра (~0,1-0,2 мм). Образующаяся на выходе из сопла когерентно-компактная ультраструя жидкости при скоростях (510)102 м/с направляется на мишень и ударнодинамически взаимодействует с ней. Это приводит к изменению свойств ГТС, т.е. её активации. Ультраструйная обработка (УСО) материалов и жидкостей является специфической операционной технологией, имеющей черты механической и физико-технической обработки различных материалов, включая ГТС. При реализации УСО происходит комплексное воздействие на рабочую (обрабатываемую) жидкость и материал заготовки (мишень). Если факторы воздействия на твердотельную мишень (заготовку) высокоскоростной или абразивно-жидкостной струи достаточно изучены, а его результат – интенсивная гидроэрозия – имеет корректное количественное описание, подтвержденное обширным экспериментальным материалом, то исследования свойств самой жидкости при действии факторов УСО носят фрагментарный характер и далеки от завершения. Это объясняется новизной постановки задачи по изучению свойств жидкостей после комплексного энергетически экстремального воздействия на них и ограниченными возможностями экспериментальной базы исследований. Тем не менее, анализ показывает, что при УСО за весь период нахождения жидкостной среды в зоне технологического воздействия на неё оказывают влияние следующие физикоэнергетические факторы, способные привести к изменению исходных свойств, т.е. к активации: 22 1. Квазистатическое всестороннее сжатие в диапазоне рабочих давлений от 100 до 500 МПа, а в перспективе до 700-10000 МПа, способное инициировать сложную цепочку межмолекулярных и молекулярных взаимодействий, включая макроизменения свойств самой жидкости. Это подтверждают отдельные сведения о стерилизующем эффекте всестороннего сжатия (~400 МПа) прохладительных напитков (компания «Pepsi») и данные, полученные украинскими учеными по гидростатической консервации мясных продуктов (150-250 МПа). Так как результаты этих и аналогичных исследований представляют собой «ноу-хау» разработчиков, то подробный научный анализ влияния фактора гидростатического сжатия на параметры жидкостей не проводился. Отличительная черта этого энергетически квазистационарного этапа УСО состоит в том, что при указанных давлениях жидкость вполне ощутимо проявляет аномальное для неё свойство сжимаемости, т.е. обладает, подобно сжатому газу, внутренней упругой потенциальной энергией, которая в принципе способна превращаться в другие виды, например химическую. При таких сверхдавлениях, действующих на жидкость достаточно продолжительное время, изменяются константы её газонасыщения, растворимости солей и т.д. Сжимаемость жидкости до 10-15% от исходного объема, по некоторым данным, необходимо учитывать при расчете скорости и температуры ультрастуи, формируемой в специально спрофилированном сопле. 2. Истечение обрабатываемой ГТС через профилированное сопло малого диаметра. В результате этого имеет место резкое нестационарное ускорение жидкости, ее взаимодействие со стенками сопла. Данный процесс характеризуется весьма активными сдвиговыми деформациями в жидкости, генерированием относительно мощных колебаний в широком спектре частот, в частности возбуждением ультразвуковых колебаний (УЗК) и их аналогов в более высоких частотных диапазонах – возникновением волн акустической эмиссии (АЭ). Кроме этого, из-за внутреннего и внешнего трения имеет место некоторый разогрев жидкости. Поэтому процессы, происходящие в сопле 23 (фильере) в принципе энергетически способны воздействовать на функциональную активность жидкости (ФАЖ) при ее разгоне, в частности при формировании сверхзвуковой (~1000 м/с) струи. Например, для воды и растворов на ее основе, а также других производных может происходить изменение исходной достаточно сложной молекулярной и атомарной структуры. Аналогичные процессы возможны и для других ГТС. 3. Свободное, нестесненное движение жидкости на выходе из сопла. Оно характеризуется незначительным понижением температуры струи из-за расширения сжатой жидкости, небольшими тормозными перегрузками из-за трения о воздух (газ) и большими – при истечении струи в жидкость. Кроме этого происходит незначительное ее газонасыщение (газовыделение) из-за малого промежутка времени свободного движения струи (~1 мс) и частичное фракционирование (капле- или спрееобразование). Возможным основным фактором влияния может быть резкое падение давления жидкости при ее движении после среза сопла, способное привести к специфическим колебаниям в микробиологических объектах. Принципиально возможно оценить энергетику и частоту их колебаний, однако это не входило в задачи, решаемые в данной работе. 4. Ударно-динамическое торможение высокоскоростной струи о мишень. При этом происходят сверхинтенсивные динамического типа механофизические ударные явления. В частности, возникают сверхмощные волновые процессы и вторичные эффекты капле- и спрееобразования. Кроме того, имеет место переход первичной кинетической энергии струи в другие виды энергии, в первую очередь тепловую, химическую и поверхностную, что также приводит к увеличению эффекта ФАЖ. По-видимому, ударно-динамический фактор УСО является основным, так как характеризуется наибольшей энергетической нестационарностью и вариативностью. 5. Свободное движение распыленной струи жидкости (облака спрея) характеризуется изменением температуры 24 из-за процессов остывания микрокапель, их трения о воздух (газ), частичным испарением жидкости и, главное, ее интенсивное газонасыщение в спрееобразном виде. Необходимо также отметить, что помимо вышесформулированных факторов на ФАЖ, по-видимому, оказывает влияние характер перепада давлений в сопле, степень распыления жидкости, темп (динамика) цикла: разгон-торможение; степень газонасыщения жидкости, наличие в ней микрочастиц сопла и, что особенно важно, преграды, а также другие факторы, взаимодействие которых схематично представлено на рис. 2.1. Факторы, приводящие к активации жидкостей статическое сжатие истечение через сопло малого диаметра взаимодействие с преградой Физические факторы ультраструйной обработки всестороннее сжатие сдвиговые деформации перепад давлений динамическое торможение, удар взаимодействие в пограничном слое воздействие ультразвуковых колебаний и волн АЭ динамический фактор газонасыщение, микролегирование материалом преграды термическое воздействие (нагрев) Физико-химические изменения исходной структуры жидкостей Рис. 2.1. Физические факторы влияния при струйной интенсификации функциональной активности жидкостей (СИФАЖ). 25 2.2. Уравнения энергетического баланса При УСО жидкостей ударно-динамическим способом происходят многократные и различные по интенсивности превращения энергии – переход одного вида энергии в другой. Ультраструйная обработка является новой технологией обработки различных жидкостей, и дифференцированный, детальный анализ энергетики процесса обработки еще не завершен. Поэтому ограничимся происходящих интегральными в процессе оценками обработки энергетических жидкостей превращений, ударно-динамическим Рис. 2.2. Основные зоны энергетических превращений при ультраструйной активации жидкостей: I-V – характерные зоны превращения энергий из одного вида в другие 1 – струеформирующее сопло; 2 – сверхзвуковая струя; 3 – обрабатываемая жидкость; 4 – мишень; 5 – волны упругой деформации среды (широкополосное акустическое излучение). 26 способом, и запишем их в виде уравнений энергетического баланса для различных участков и характерных зон формирования и действия струи. На рис. 2.2 показаны основные зоны энергетических превращений при реализации УСО. Работа внешних сил Aвс будет перераспределяться в следующие виды энергии: 1) Eкин – кинетическую энергию струи жидкости; 2) Eпот – потенциальную энергию, которая образуется за счет сжатия жидкости и деформации элементов технологического оборудования; 3) Eт – тепловую энергию, выделяющуюся в результате трения жидкости о стенки сопла, о воздух, в результате торможения жидкости о мишень (преграду) и т.д.; 4) EАИ, ЭМИ, ЭЭЭ – волновую энергию широкополосного акустического и электромагнитного излучения (АИ и ЭМИ), а также энергию экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ); 5) Eнп – энергию новых поверхностей, которая необходима для изменения и появления различных поверхностей (жидкость, мишень); 6) Eгн – энергию газонасыщения; 7) Eсф – энергию возможных структурно-фазовых превращений. Уравнения энергетического баланса выглядят следующим образом. I) Энергетика зоны квазистатического сжатия жидкости перед струеформирующим соплом в первом приближении может быть представлена в виде: I I I Авс E I Eкин Eпот EАИ (2.1) I I II II I В первой зоне Eкин мало; Eпот переходит в Eкин и в E АИ ; E АИ обусловлено появлением АИ, генерируемого в других зонах возмущения, так как скорость звука в жидкости vзв больше, чем скорость истечения vист жидкости из сопла: vист < vзв. II) Зона ускорения (разгона) жидкости в около сопловой зоне: 27 II II II II ЕI ЕII Eкин EАИ, ЭМИ Eнп ( износ ) Eт (2.2) Стрелками будем указывать увеличение или уменьшение доли того или иного вида энергии. Количество стрелок отражает степень этого изменения, например: – весьма интенсивное увеличение; – уменьшение средней интенсивности и т.д. II Во второй зоне Eкин возрастет до максимальной величины, так как скорость резко увеличивается из-за действия интенсивного ускорения; II возникновение EАИ, ЭМИ вызвано трением жидкости о поверхность сопла, далее II EАИ, ЭМИ переходят в другие виды энергии, вплоть до энергии новых III поверхностей E нп и Eсф , связанной с генерацией (эмиссией) быстрых электронов EЭЭЭ . III) Зона квазистабильного ультраструйного нестесненного (свободного) движения струи жидкости по инерции: III III III III ЕII ЕIII Eкин EАИ, ЭМИ Eнп Eт (2.3) III В третьей зоне Eкин несколько уменьшается из-за торможения струи III жидкости о среду, например воздух, в котором происходит ее движение; E нп растет за счет незначительного распыления струи жидкости воздухом и за счет поглощения части волновой энергии ЕАИ – акустического возмущения окружающей среды. IV) Зона энергетической сверхдинамики струи жидкости. Эта зона торможения (ударения) жидкости о мишень (преграду) делится на два этапа: 1-ый интенсивным этап – неравновесной выделением квазистабилизации энергетики, волновой энергетических сопряженный энергии; превращений. 2-ой с этап Схематично энергетические превращения на этих этапах можно представить в виде: IV IV IV IV Е III Е IV Eкин EАИ, ЭМ И,ЭЭЭ Eнп E т IV IV IV IV IV Eкин EАИ, ЭМ И(мало) Eнп E т Eгн 28 (2.4) V) Зона завершения цепочки энергетических превращений: V V V V V ЕIV ЕV Eкин EАИ, ЭМИ(мало) Eнп Eт Eгн . (2.5) Рис. 2.3. Цепочка энергетических превращений при УСО жидкостей: – доминирующие виды энергии; --- вторичные виды энергии. Все пять основных зон энергетических превращений содержат весьма различные, но взаимосвязанные виды энергий. Причем, всю цепочку энергетических превращений условно можно показать в виде схемы, изображенной на рис. 2.3, из которого следует, что обобщенное, интегральное уравнение энергетического баланса будет иметь вид: Е Eт Eнп Eсф EАИ EЭМИ EЭЭЭ Eу Eпр , (2.6) где E – энергия, подводимая к технологической системе от внешних источников с учетом потерь. Эта работа затрачивается непосредственно на изменение энергоемкости обрабатываемой жидкости, в частности ее кинетической энергии движения и внутренней энергии «покоя», например, потенциальной, в случае проявления ощутимой сжимаемости жидкости при высоких давлениях; Eт – тепловая энергия обработанной жидкости; Eнп и Eсф – 29 соответственно энергии, расходуемые на образование новых поверхностей, структурные и фазовые превращения. Например, при гидрорезании – поверхностной энергии частиц, образующихся при микроразрушении абразивных зерен, обрабатываемой поверхности, ее наклепа и т.д., включая структурные изменения самой рабочей жидкости, в частности изменения степени ее эмульгированности для ряда смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), в первую очередь на масляной основе, каплеобразование (спрееобразования), парообразование и пр. EАИ – энергия акустического излучения – волн упругой деформации (АЭ); ЕЭМИ – энергия электромагнитного излучения; ЕЭЭЭ – энергия экзоэлектронов; Еу – потенциальная энергия упругих деформаций элементов технологической системы не волновой природы, обусловленная действием статической и квазистатической составляющей полей механических напряжений; Eпр – прочие виды энергии, которыми в первом приближении можно пренебречь, например вторичными акустическими и энергомагнитными излучениями. Заметим, что если энергетический вклад Eпр не велик, то ее информационное значение требует специального анализа в рамках методологии эмиссионной технологической диагностики. 2.3. Оценка слагаемых энергетического баланса Качественный анализ уравнения (2.6) позволяет выделить следующие основные особенности энергетических превращений при реализации ультраструйных гидротехнологий и сделать промежуточные выводы: 1. В методическом плане уравнение (2.6) позволяет определить сами термины «ультраструя», «ультраструйная технология» и «ультраструйная обработка». Действительно, если всеми слагаемыми уравнение (2.6) можно пренебречь, за исключением Ет>>Еi (i = нп, сф, АИ, ЭМИ, ЭЭЭ, у, пр), то приставка «ультра» не имеет смысла. Несмотря на условность такой градации она достаточно четко, в зависимости от конкретных условий и решаемых задач, позволяет классифицировать по энергетическому признаку многообразие 30 струйных технологий. В частности, если Енп и Есф «остающиеся» в материале мишени (заготовки) достаточно велики, то мы имеем дело с гидрорезанием или гидроструйной очисткой. Если их доля существенно меньше тех же видов энергии, «остающихся» в жидкости, то это классический вариант УСТ обработки жидкостей с целью их активации. 2. Из анализа уравнения (2.6) следует наличие достаточно устойчивых, не склонных к последующей трансформации, видов энергии. В основном, это: Ет, Енп, Есф, которые, конечно, имеют кинетическую (временную) компоненту, но могут в первом приближении рассматриваются как квазистационарные. Данные виды энергии, по сути, определяют интегральный энергетический облик, энергетический портрет конкретной гидротехнологии. Их величина и соотносительность между собой имеют важное физико-технологическое значение и являются основным объектом целенаправленного управления, ответственным за вторичные энергетические превращения. Условно назовем их сумму Ер равновесной энергией структуро- и формообразования: Eр Eт Eнп Eсф (2.7) 3. Энергетическая неустойчивость волновых, эмиссионных процессов (ЭП), которая проявляется в их последующей трансформации в компоненты Ер. Тем самым создаются физические предпосылки активного влияния ЭП на состояние всех элементов технологической системы, включая обрабатываемый материал, в нашем случае активируемую жидкость. Данное положение имеет принципиальный характер, так как позволяет посредством регистрации параметров эмиссионных процессов оценивать не только условия протекания структуро- и формообразования на различных гидротехнологических операциях, но и косвенно судить о происходящих изменениях во всех элементах технологической системы, например, контролировать процесс струйного резания, износ сопла и т.д. Условно назовем сумму энергий эмиссионных процессов Ен неравновесной составляющей общей работы структуро-и формообразования: Eн EАЭ EЭЭЭ EЭМ И . 31 (2.8) Для общности в число ЭП включена экзоэлектронная эмиссия, а энергия ЕАИ принимается равной ЕАЭ, что является непринципиальным методическим допущением. Тогда уравнение (2.6) запишется в виде: Е=Ер+Ен. (2.9) Необходимо отметить, что именно количественные соотношения между слагаемыми в (2.6-2.9) определяют физическую сущность технологической операции, однако несовершенство сегодняшних представлений о всей совокупности взаимодействия процессов в зоне обработки не позволяет этого сделать. Поэтому в данных условиях даже первые успешные попытки методологических обобщений могут оказаться полезными. Допустим, что между некоторыми слагаемыми в энергетических соотношениях (2.6-2.9) справедливы зависимости: Еi= Еj+Еk; Еj>>Еk, (2.10) где i, j, k – индексы, служащие для обозначения некоторых компонент энергетического баланса, причем, существует физически обоснованная связь между Еj и Еk, описываемая достаточно монотонной в исследуемом интервале их изменения некоторой функцией, удовлетворяющей условиям Дирихле: Еk = f(Еi). Тогда в первом приближении можно записать: dEk ( E i ) E k ( E i ) E k ( E i E k ( E i )) ; dEi E k ( Ei ) (2.11) Раскладывая в (2.11) E k ( E i E k ( E i )) в ряд Тейлора и удерживая члены второго порядка малости включительно, получим после очевидных преобразований следующее дифференциальное уравнение: d 2 E k ( Ei ) E k ( Ei ) 0 . dEi2 (2.12) Требуя нетривиального решения уравнения (2.12), с учетом закона сохранения энергии получаем: E k ( E i ) c E E i или E i (1 c E ) E i , 32 (2.13) где cE – некоторая постоянная. Интерпретируем полученные соотношения с позиций технологической диагностики, позволяющей получить наиболее полную информацию о слагаемых уравнения (2.6): 1. Полагая, что Ek=Eи=Енр – информативная (Еи) или неравновесная, но регистрируемая (Енр) соответствующей аппаратурой энергия ЭП, а Еj=ЕА=Енн – активная (ЕА) или нерегистрируемая (Енн) энергия, расходуемая на изменение состояния объекта из (2.13) следует прямопропорциональная зависимость между ними (рис. 2.4). Это позволяет оценивать посредством измерения Еи не только энергоемкость эмиссионных процессов, но и учитывать их вклад в изменении состояния любого анализируемого элемента технологической системы (обрабатываемой жидкости или материала, износа сопла и т.д.). Рис. 2.4. Графическая иллюстрация соотношения между составляющими энергетического баланса ультраструйной обработки. 2. Проведя соответствующую переиндексацию в (2.13), можно сделать вывод о прямопропорциональной зависимости между Ен и Ер вдали от 33 бифуркационных областей, в частности при отсутствии интенсивных фазовых превращений, например, парообразования. Это обстоятельство методологически обосновывает перспективу технологической диагностики эмиссионными методами общей картины энергетических превращений при реализации ультраструйных технологий (рис. 2.5). Рис. 2.5. Распределение различных видов энергии в зависимости от изменения энергетических параметров ультраструй. Таким образом, выполненный энергетический анализ уравнения (2.6) показал возможность активного влияния волновых (эмиссионных) процессов на компоненты равновесной следовательно, на ее энергии выходные при ультраструйной параметры. Кроме обработке, этого, показано диагностическое значение ЭП для решения задач УСТ и струйного резания. 34 и, Последнее обстоятельство позволяет эффективно адаптировать Рис. 2.6. Применение «энергетического коридора» для оптимизации, контроля и управления технологическим процессом ультраструйной обработки: а – зависимость Ен от параметров процесса обработки Пi; б – интерпретация «энергетического коридора» по параметру Пi. 35 имеющийся аппарат эмиссионной технологической диагностики к экспрессоптимизации и контролю условий протекания ультраструйной обработки, например, определению текущего состояния струеформирующих сопел, локации наиболее энергонапряженных участков струи и т.д. Причем, данная адаптация может простираться вплоть до использования соответствующих инженерных энергоэмиссионных критериев, связывающих результат технологического воздействия с волновой интенсивностью этого воздействия, в частности полученный в работе [7] эмиссионно-технологический критерий W: W AN / v m , (2.14) где А – амплитуда; N – интенсивность (число событий в единицу времени) ЭП, например волн АЭ; v – энерго-скоростной параметр, в частности линейная скорость струи; m 1 – коэффициент. По сути (2.14) представляет собой отношение динамической компоненты в энергетике струи к ее квазистатической составляющей, в полном соответствии с формально доказанным в работе [8] утверждением о взаимосвязи слагаемых энергетического баланса (2.6). Поэтому вариативность комплекса AN однозначно должна свидетельствовать о ходе протекания процесса УСО материалов и/или жидкостей, то есть о нахождении информативных признаков Ен и, следовательно, компонент активной части энергии ЕА в границах требуемого «энергетического коридора» – физически оптимального режима генерации и реализации энергии струи [8]. Схематично данное обстоятельство проиллюстрировано на рис. 2.6, из которого становится ясной значение анализа энергетических превращений, особенно волновой (эмиссионной) природы для всей физики и технологии УСО материалов и/или жидкостей, в первую очередь воды и ее производных. Причем выполненный анализ показывает, что с ростом скорости струи относительная доля волновой энергии возрастает. Данное обстоятельство теоретически обосновывает перспективу дальнейшего изучения акустического фактора УСТ, как одной из основных причин активации обрабатываемых ГТС. 36