СПОСОБ СОЗДАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗВЕШЕННЫХ В ЖИДКОСТИ ЧАСТИЦ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/34 C02F103/34 

Изобретение относится к технике создания неоднородностей концентрации взвешенных в жидкости частиц (в том числе и биологических) в диапазоне размеров от 10^-1 до 10² мкм. Оно может использоваться для очистки жидкостей (в том числе жидких металлов) либо для их обогащения перед последующим использованием, для утилизации отходов в самых разных областях науки и техники: экологии, сангигиене, химической промышленности, ядерной энергетике и т.д.

Известен способ создания неоднородностей концентрации взвешенных в жидкости частиц, состоящий в том, что жидкость помещают в некоторый сосуд и возбуждают в ней волны, увлекающие частицы [1]. В этом способе в жидкости возбуждают стоячие ультразвуковые волны, в пучностях которых концентрация частиц понижена, а в узлах - повышена (по сравнению со средней исходной концентрацией).

В этом способе характерное время дрейфа (направленного перемещения) частиц в ближайший узел ультразвуковой волны, само по себе достаточно большое, зависит от размера частиц. При заданной частоте волны имеется некоторый размер частиц, для которого это время минимально. При увеличении же или уменьшении размера частиц это время возрастает. То есть с практической точки зрения неоднородности концентрации частиц формируются лишь для определенного диапазона размеров этих частиц (зависящего от частоты волны), причем этот диапазон не превосходит примерно одной декады (отношение максимального размера к минимальному не более 10). Кроме того, в этом способе области повышенной и пониженной концентрации плавно переходят друг в друга. Соответственно разделение исходной жидкости на "очищенную" и "обогащенную" - достаточно сложная задача. То есть для "глубокого" разделения необходимо многократное повторение процесса. Помимо этого, в способе [1] довольно велики (10² кВт-ч/м³ на однократное разделение) удельные энергозатраты - энергия, необходимая для создания неоднородностей концентрации в единице объема жидкости.

Наиболее близким техническим решением является способ создания неоднородностей концентрации взвешенных в жидкости частиц, состоящий в том, что жидкость помещают в некоторый сосуд и возбуждают в ней волны, увлекающие частицы [2]. В этом способе в жидкости возбуждают либо стоячие ультразвуковые волны, либо бегущие.

Если возбуждают стоячие волны, то в пучностях этих волн концентрация частиц понижена, а в узлах - повышена (по сравнению со средней исходной концентрацией). Этот случай аналогичен способу [1] со всеми указанными выше недостатками.

Если возбуждают волны (продольные), бегущие в направлении 0Х, то колебательная скорость V_x движения жидкости описывается соотношением:
V_x = V_x0sin(ωt-kx) (1),
где V_x0 - амплитуда, ω - частота, k - волновое число, k = 2π/Λ, Λ - длина волны ультразвука.

Взвешенные частицы, увлекаясь этими волнами совершают помимо колебательных движений также и направленное движение (дрейф) в направлении распространения волн. Скорость дрейфа V_d определяется соотношением: V_d = V2x0

/[2C(1+ω²τ²)], где С - скорость распространения волны (скорость звука в среде), τ - время релаксации скорости частицы, τ = ρ_чD²/18η; ρ_ч - плотность материала частицы, D - диаметр частицы (для несферических частиц - так называемый гидродинамический диаметр), η - вязкость жидкости. То есть V_d зависит от τ и, следовательно, от D. Если для частиц максимального размера ω²τ²<<1, то все частицы будут иметь практически одинаковую скорость дрейфа V_d= V_x0 ²/2C. Для воды при ρ_ч = 1 г/см³ и реально используемых частотах ультразвуковых волн 150-200 кГц (ω ≈ 10⁶ c^-1) условие ω²τ²≤0,1 выполняется для частиц с D≤2,4 мкм. С увеличением размера частиц скорость дрейфа быстро уменьшается. В частности, она будет вдвое меньше при D=4,3 мкм.

Итак, в рассматриваемом способе невелик диапазон размеров частиц, для которых формируется неоднородность концентраций. Кроме того, в нем малы и скорости дрейфа. В частности, для воды V_d= 0,01 мм/с при интенсивности акустической волны 1 Вт/см² [2]. Следует отметить, что для случая стоячих волн средняя скорость дрейфа частицы (в ближайший узел волны) на порядок меньше, чем скорость дрейфа в бегущей волне.

Энергия W, необходимая для "очистки" от малых частиц единицы объема жидкости, по порядку величины определяется соотношением: W = ρC², где ρ - плотность жидкости. Для воды W≈2,10⁹ Дж/м³=600 кВт-ч/м³. Несколько меньшее, но того же порядка величины значение W характерно и для [1]. Отметим, что для воздуха W≈10⁵ Дж/м³=0,03 кВт-ч/м³.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения (цель изобретения), состоит в расширении диапазона размеров частиц, для которых формируются неоднородности концентраций, в уменьшении времени формирования этих неоднородностей, в уменьшении удельных энергозатрат на создание этих неоднородностей.

Этот результат достигается тем, что жидкость помещают в некоторый сосуд и возбуждают в ней волны, увлекающие частицы, причем жидкость помещают в сосуд таким образом, чтобы существовала свободная поверхность этой жидкости, и возбуждают на указанной поверхности капиллярно-гравитационные волны.

В частности, на указанной поверхности возбуждают бегущие гравитационные волны, длина которых заведомо превосходит глубину жидкости в сосуде.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит сосуд 1, снабженный источником механических колебаний 2 и поглотителем (гасителем) колебаний 3. В этот сосуд помещена жидкость 4 со взвешенными частицами, имеющая свободную поверхность 5.

Работает устройство по предлагаемому способу следующим образом.

Жидкость 4 помещают (заливают) в сосуд 1 таким образом, чтобы существовала свободная поверхность 5 - граница раздела жидкость - газ (воздух). Генератор 2, работающий на некоторой частоте f (f = ω/2π, ω - циклическая частота), приводит в движение (в плоскости X0Z) прилегающую к нему жидкость, и в результате на поверхности 5 возбуждается капиллярно-гравитационная волна некоторой длины Λ (показана штриховой линией). Гаситель 3 обеспечивает отсутствие отражения волны от соответствующего торца сосуда 1, в результате чего реализуется режим бегущей волны (в направлении, обозначенном стрелкой).

Если длина волны Λ удовлетворяет соотношению k² = (2π/Λ)²<<ρg/σ (k - волновое число; ρ, σ - плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости; g - ускорение силы тяжести), то волны называют гравитационными; если же k²>>ρg/σ, волны называют капиллярными. В промежуточном случае говорят о капиллярно-гравитационных волнах (Ландау Л Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. - М. : Наука, 1986. - С.342). Соответственно частота ω удовлетворяет условию ω⁴<<ρg³/σ для гравитационных волн и ω⁴>>ρg³/σ для капиллярных. В частности, для воды в первом случае ω≤30 c^-1 (f≤5 Гц) и во втором ω≥108 c^-1 (f≥17 Гц).

Итак, длину волны выбирают удовлетворяющей соотношению (2π/Λ)²<<ρg/σ. Помимо указанного условия длину волны Λ выбирают заведомо превосходящей глубину h жидкости в сосуде, Λ >>h (kh<<1). В этом случае реализуются так называемые длинные волны со скоростью распространения U: U=(gh)^1/2 (Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. - М.: Наука, 1986. - С.60). Соответственно горизонтальная V_x и вертикальная V_z компоненты скорости движения жидкости имеют вид:
V_x≅V_x0[1-k²z(2h-z)/2]sin(ωt-kx);
V_z≅V_x0k(h-z)cos(ωt-kx).
Здесь V_x0 - амплитуда скорости на поверхности жидкости (z=0). В частности, если k²h²/2≤0,1 (Λ/h≥14), то значения V_x по всей глубине жидкости (при различных z) будут отличаться друг от друга не более чем на 10%. При этом амплитуда вертикальной компоненты на поверхности жидкости вдвое меньше V_x0. Однако эта компонента для рассматриваемой задачи интереса не представляет.

Итак, горизонтальную компоненту скорости приближенно можно представить в виде, аналогичном (1): V_x = V_x0sin(ωt-kx).
Однако скорость распространения этой волны есть определенная выше величина U=(gh)^1/2, а не скорость звука С. Соответственно "малые" взвешенные частицы будут совершать дрейф со скоростью V_d=V_x0 ²/2U=(Х₀k)²U/2, где Х₀ - амплитуда смещений (определяемая генератором 2), V_x0 = X₀ω. Существенно, что U на несколько порядков ниже скорости звука С.

Пусть h=10 см, Λ=140 см, Х₀=1,4 см. Тогда U=100 см/с, ω = 4,5 c^-1, V_x0= 6,3 см/с, V_d= 0,2 см/с. То есть скорость дрейфа на два порядка выше, чем в акустической волне при интенсивности 1 Вт/см². Энергозатраты W = ρU² в предлагаемом способе существенно (на шесть порядков!) ниже, чем в способах [1, 2]. Если U≤1 м/с, то W≈10³ Дж/м³=3.10^-4 кВт-ч/м³.

Оценим возможные диапазоны размеров частиц, которые можно считать "малыми". Размеры D частиц должны быть много больше длины свободного пробега молекул среды [2] , так что для жидкости D≥0,1 мкм. Верхний предел определяется несколькими факторами. В рассматриваемом случае частота волны мала, ω = 4,5 c^-1(f = ω/2π = 0,7 Гц). Поэтому наиболее "жестким" является условие: Re≤1, где Re - число Рейнольдса для частицы. Для приведенных выше значений параметров D≤200 мкм. То есть все частицы в указанном диапазоне размеров будут иметь одну и ту же скорость дрейфа (V_d=0,2 см/с).

Режим бегущей волны реализуется только тогда, когда затухание волны является относительно малым. То есть кинематическая вязкость ν жидкости должна удовлетворять условию: ν≤2,5•10^-4h²ω (в этом случае на расстоянии, равном длине волны, амплитуда колебаний уменьшается не более чем на 10%). Для приведенных вышезначений параметров ν≤0,11 см²/c, т.е. рассматриваемый дрейф возможен не только в жидкостях с малой вязкостью (в воде и т.д.), но и в жидкостях, вязкость которых на порядок выше.

Следует отметить, что при kh>>1 волна быстро затухает с увеличением Z, В этом случае дрейф частиц реально имеет место лишь в поверхностном слое жидкости глубиной порядка Λ. Это обстоятельство может использоваться для создания неоднородностей концентрации "легких" частиц (ρ_ч<ρ), сосредоточенных в поверхностном слое жидкости. А поскольку затухание таких волн существенно меньше, чем "длинных" волн, то предлагаемый способ может быть применим для жидкостей с весьма большой вязкостью ν≤4 см²/c (типа глицерина).

Если же в сосуде возбуждена стоячая волна (например, отсутствует гаситель 3, а длина сосуда кратна целому числу волн), то аналогично [1] концентрация частиц, для которых ωτ≈1, будет повышена в узлах и понижена в пучностях. Этот случай также может использоваться для некоторых практических задач, поскольку удельные энергозатраты (по сравнению со случаем бегущих волн) будут уменьшаться пропорционально увеличению отношения длины сосуда к длине волны. Для сравнительно крупных частиц и частота ω должна быть сравнительно большой (ω≈10² c^-1). Как отмечалось выше, волны с такими частотами называют капиллярно-гравитационными.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет создавать неоднородности концентрации взвешенных в жидкости частиц за счет дрейфа этих частиц в поле капиллярно-гравитационной волны. Скорость дрейфа может составлять 10⁰ мм/с - на два порядка выше, чем в известных способах [1, 2]. При этом диапазон размеров частиц (от 10^-1 мкм до 10² мкм) существенно шире, чем в известных способах. Удельные же энергозатраты на создание неоднородностей концентрации (10³ Дж/м³) на шесть порядков ниже, чем в известных способах. Этот способ может использоваться для очистки жидкостей (в том числе жидких металлов) либо для их обогащения перед последующим использованием, для утилизации отходов в самых разных областях науки и техники: экологии, сангигиене, химической промышленности, ядерной энергетике и т.д.

Источники информации
1. Патент 2079345 РФ, кл В 01 D 51/08, 1997.

2. Ю.Н. Редкобородый. К теории дрейфа малых частиц в акустических полях. - Киев: Национальная Академия Наук Украины. Главная астрономическая обсерватория. Препринт ГАО-95-2Р - 1995. - 48 с. (прототип).

Изобретение относится к технике создания неоднородностей концентрации взвешенных в жидкости частиц (в том числе и биологических) в диапазоне размеров от 10^-1 до 10² мкм. Оно может использоваться для очистки жидкостей (в том числе жидких металлов) либо для их обогащения перед последующим использованием, для утилизации отходов в самых разных областях науки и техники: экологии, сангигиене, химической промышленности и т.д. Жидкость помещают в некоторый сосуд и возбуждают в ней волны, увлекающие частицы, при этом жидкость помещают в сосуд таким образом, чтобы существовала свободная поверхность этой жидкости, и возбуждают на указанной поверхности капиллярно-гравитационные волны. В частности, возбуждают бегущие гравитационные волны, длина которых заведомо превосходит глубину жидкости в сосуде. Технический результат состоит в расширении диапазона размеров частиц, для которых формируются неоднородности концентраций, в уменьшении времени формирования этих неоднородностей, в уменьшении удельных энергозатрат на создание этих неоднородностей. 1 ил.

Способ создания неоднородностей концентрации взвешенных частиц, состоящий в том, что жидкость помещают в некоторый сосуд и возбуждают на поверхности жидкости бегущие волны, увлекающие частицы, отличающийся тем, что возбуждают волны, длина которых заведомо превосходит глубину жидкости в сосуде.