Волновые технологии известны просвещенному человечеству довольно давно. Во всей своей широте они представляют собой высокий научно-технический уровень познания природных явлений и принадлежат к тем самым высоким технологиям, которые осваиваются в мире уже более столетия. В этом престижном списке и сверхвысокие частоты электросигналов, и пульсирующие электромагнитные поля, и резонансные колебательные явления в различных физических средах, и многое другое, включая ультразвук (главным образом продольные, поперечные и поверхностные волны).
К настоящему времени в обширном волновом направлении исследователями открыто множество замечательных явлений. Вместе с тем наблюдается сопутствующее всем нововведениям завышенное ожидание результативности, что неизбежно возникает при недостаточности и узости как экспериментальных, так и прикладных исследований. Ультразвуковые технологии в этом деле – не исключение.
Особый вид неравновесного состояния
Любой звук (в том числе инфра и ультра), будучи волновыми колебаниями материальной среды, так или иначе несет в себе энергию, передаваемую на расстояние в твердой, жидкой или газообразой материальной среде способом возбуждения в ней регулярных пульсаций. Впервые в мире это открыл в 1880 году наш гениальный ученый Н. А. Умов. Прошло всего три года после его открытия – и англичанин Френсис Гальтон создал ультразвуковой свисток, который представлял собой один из первых изготовленных генераторов ультразвука как подвида звуковых волн, не различимых слуховым аппаратом человека.
Полтора десятка лет спустя знаменитый российский физик П. Н. Лебедев остроумными экспериментами научно доказал наличие звукового давления (другими словами, передачу энергии звуком). Это случилось в предпоследний год XIX века, а в начале следующего столетия прошла череда различных войн, куда не без успеха вписались и волновые технологии, помогая уничтожению людей на том трагическом этапе истории.
Существенное расширение инструментария ультраакустики наблюдается после окончания Второй мировой войны. Положительные последствия послевоенного развития этой сферы науки и техники без преувеличения ощущает теперь на себе каждый человек. Вы же не станете отрицать знакомство с ультразвуковыми обследованиями в медицинской сфере, когда сознательно идете на УЗИ? Точно так же без подводной ультразвуковой акустики немыслимо современное промышленное рыболовство и подводное судовождение со сканированием рельефа океанских глубин. Акустическое поле оказалось очень эффективным при создании гетерогенных систем: распылении жидкостей, диспергировании твердых тел, получении эмульсий. Интенсифицируются также широко применявшиеся и до этого процессы теплообмена, массообмена, растворения, кристаллизации, сушки в кипящем слое, абсорбции, адсорбции, экстракции, снятия накипи со стенок аппаратов, прессования, экструзии, обработки металла резанием.
К слову сказать, используя в обыденной речи слово «персона», почти все мы не осознаем его смыслового первоисточника: per sona в переводе с итальянского языка буквально означает «по звуку». Важная персона с хорошей энергетикой никак не может иметь писклявый, слабенький голос и неразличимую дикцию, не так ли? А в наше время важность действий должностных лиц при исполнении обязанностей в некоторых автомашинах (например, пожарной или скорой помощи) дополнительно подчеркивается ультразвуковыми сиренами, без затруднений перебивающими все другие уличные шумы. Посторонитесь, важная персона едет!
Ультразвук характеризуется очень большой частотой колебаний звуковых волн. В пищевой промышленности используются особым образом генерируемые в секунду 20000–40000 колебаний, или герц (Гц). Когда их накладывают на какой-либо технологический процесс, то колебания способны в большинстве случаев вызвать в обрабатываемом веществе значительные химические изменения. Область техники, использующая мощность звуковых волн, называют звукохимией, или сонохимией, годом рождения которой считается 1927, но сам новый термин появился гораздо позже. Только подумайте: в обычной воде ультразвуком можно вызвать очень высокие перепады давлений (до 1000 бар, или ати), высокую температуру (вплоть до 5000 °К), что сопровождается голубым свечением воды в точке высвобождения энергии, и так далее. Колебания стимулируют процесс образования в жидкости мельчайших постоянно схлопывающихся воздушных пузырьков – кавитацию, которая уже работает в виде инструмента и, в свою очередь, инициирует ряд сопутствующих ей макропроцессов. Сами макропроцессы – не что иное, как технологические операции обработки чего-либо. Параметры операций поддаются инженерным расчетам и могут быть успешно применены в производственных потоках различного свойства.
Источники ультразвуковых волн и их мощность
Малой звуковой энергией и в самом деле можно достичь существенных результатов. Например, обычный колокольный звук не очень большой силы оздоравливает воздушное пространство возле колокола и под ним, подавляя болезнетворные бактерии своими даже несильными колебаниями. А при воздействии звуковых волн очень высокой мощности человек может просто погибнуть от пульсаций звукового давления. Поэтому инструкциями категорически запрещено находиться, скажем, неподалеку от работающих двигателей космического корабля, поднимающегося со стартовой площадки. В то же время очень маленькая интенсивность колебаний позволяет с высокой степенью технической точности определять ряд характеристик твердых материалов и жидких сред.
Будучи особым видом передачи энергии, ультразвук генерируется устройствами, в которых на данный период развития техники используются следующие методы создания энергоимпульсов:
механический (начиная от свистка Гальтона);
электростатический (конденсаторного типа);
электродинамический (электромагнитные акустические преобразователи);
магнитострикционный (с использованием ферромагнитных материалов);
электромагнитный (с применением постоянных магнитов);
пьезоэлектрический (колебания кристаллов при подаче на них переменного напряжения);
лазерный (поглощение мощного лазерного луча поверхностью металла).
В отраслях пищевой промышленности для разных целей используются ультразвуковые колебания различной интенсивности (таблица 1).
Генерирование УЗ колебаний в развитой экспериментальной и производственной механике XIX века началось, конечно же, с известных тогда механических устройств в разных технических областях. Для воздуха такими устройствами стали сирены, для жидких сред – защемленные в одной-двух точках колеблющиеся пластинки. Мощность колебаний, которую способны передавать эти устройства в окружающую среду, порой впечатляет. Например, если поместить клочок ваты в пространство возле работающей воздушной сирены мощностью примерно 2 кВт, то он воспламенится и сгорит от переданных бесконтактно (и не видных нам) энерговозмущений воздуха примерно за шесть секунд.
Ультразвук маленькой интенсивности применяется в приборах, определяющих состав сырья и готовой продукции. Кому из лаборантов молокозаводов не известен сейчас «Лактан», «Клевер» и другие аналогичные приборы для измерения процентного содержания различных компонентов в сырье и некоторых видах готовой продукции? А ведь внутри упомянутой современной компактной настольной техники генерируется и затем неслышно «работает» ультразвук. Широко применяются в реальном производстве ультразвуковые расходомеры, уровнемеры различных жидких и сыпучих материалов в закрытых емкостях. На акустический способ действия этих давно известных датчиков и приборов, ставших привычными, работники уже не обращают внимания: примелькалось, как облака на небе. Зато лет сорок уже не прекращается столкновение мнений «за» и «против» в отношении ультразвуковой гомогенизации и стерилизации. Сталкиваются именно лишь мнения сторон, чаще всего опирающихся на чужие отрывочные непрямые сведения. Такой хронически текущий процесс очень вялого боксирования огромными гротескными перчатками мнений в сильно замедленном темпе заслуживает того, чтобы на нем остановиться несколько подробнее.
Дробление мелких жировых шариков
Эффект ультразвука высокой интенсивности, который поставлен на службу человеку в молочной промышленности практически в промышленном масштабе – гомогенизация (дробление с выравниванием «осколков» по размеру между собой) белково-жировых молочных капель до размера 1–2 мкм. Главнейшая причина обращения в данном случае к ультразвуку, как к инструменту, проста: затраты электроэнергии на обработку молочного потока в упомянутом процессе в десятки раз меньше, чем в традиционных увесистых плунжерных гомогенизаторах с мощными электроприводами. Это наглядно ощущается даже при прямом зрительном сопоставлении (фото 1).
Маленькая опутанная проводками российская «фитюлька» на переднем плане – реактор магнитострикционного типа с коэффициентом полезного преобразования в нем до 80% потребленной электроэнергии на генерирование колебаний. При равной производительности обрабатываемого потока продукта, этот малыш пришел на замену расположенному за ним и привычному для заводчан заграничному фирменному трехтонному мастодонту, притом являющемуся действительно лучшим в своей категории техники предыдущего типа! В нем работает щелевое клапанное устройство (фото 2, почти в натуральную величину).
Соответственно, они равны по своим специфическим воздействиям на подводимое к ним молоко для обработки. Только вот часовые затраты электроэнергии в первом случае не превышают 2 кВт, а устаревший убедительный красавец «поедает» за это же время 48 кВт. Каковы при этом будут комментарии читателей, можно догадаться, и не слыша конкретных эпитетов с различной этажностью выразительных словесных конструкций.
В чем корень различий? Кавитационные явления в обоих случаях возникают от появления и мгновенного схлопывания малюсеньких паровых пузырьков внутри обрабатываемой жидкости, с резким скачком огромного гидравлического давления при схлопывании в данном маленьком месте. Они работают одинаково в обоих вариантах показанной техники, даже отрывая своей силой микрочастички металла от прилегающих поверхностей. С той только разницей, что, по утверждениям исследователей, звуковая энергия трансформируется на кавитационные явления практически без потерь. А вот преобразование перепада давлений в «плунжерниках» от 150 бар до 2,5 бар в ту же кавитацию после щелевого клапанного устройства происходит с очень низким коэффициентом полезного действия, что закономерно требует в десятки раз больше затрат мощности на их создание. Поток продукта входит под большим давлением в видимое на фото 2 центральное отверстие в левой нижней части, а выходит в кольцевой зазор по окружности клапана (специально приоткрыт на фото 2 справа вверху). Гора силы порождает микронные капельки – невидимых без микроскопа «мышат».
Чтобы как-то выделить основное отличие, отметим: оптимальная интенсивность ультразвука внутри водной среды составляет 10–50 Вт/см2, частота колебаний для процессов в пищевой промышленности – 20–40 кГц при неизменном давлении обрабатываемых продуктов 2,5 бар в обычном потоке. Маленькие величины энерговоздействия, не правда ли? По общей картине трансформации энергии внутри него ультразвуковой реактор напоминает высокотехнологичный лазер, который, кстати, также является инструментом химии высоких энергий. Но, в отличие от лазера с его световыми лучами, действие кавитации нельзя неограниченно усиливать, увеличивая интенсивность порождающего его ультразвука, так как кавитационные парогазовые пузырьки (вместе с окружающей их жидкостью) с точки зрения механики являются инерционными звеньями, которые при большом их количестве в единице объема начинают тормозить полезный для нас технологический результат обработки. Резонансная частота поглощения звуковой энергии жидкостью представляет собой, таким образом, зубец, очень похожий на узкий острый клин топора, рассматриваемого с торца и направленного на графике вниз. Для разных жидкостей (суспензий и эмульсий, вязких и невязких) этот клин расположен на разных участках рабочих частот.
Кавитационные процессы сами по себе не являются термодинамически равновесными, они принадлежат к области химии высоких энергий и классифицируются как сонохимические. Этот термин введен четверть века назад первым Международным конгрессом по сонохимии. Но если все так замечательно и плотно подогнано в технике нового поколения, тогда почему же за последние полвека не наблюдается победного шествия тех же изящных гомогенизаторов-ультразвуковиков вместо механических мощных носорогов-плунжерников?
Наука выражается на этот счет затейливо: кавитационные ультразвуковые реакторы не обладают тривиальным геометрическим подобием. В переводе на понятный производственный язык это означает необходимость индивидуальной настройки на машиностроительном заводе каждой изготовленной камеры для проведения ультразвуковой обработки в привязке ее к конкретному виду сырья. А после установки на молокозаводе чаще всего может потребоваться еще и узкая несложная подстройка по месту, которую проводит на выезде инженер с завода-изготовителя. И если кто-то на предприятии решил обработать в потоке сливки вместо молока, то персоналу снова придется вести подстройку ультразвукового контура. Пусть несложную, но обязательную. При таких нежных особенностях нового инструмента для обработки продуктовых жидкостей поставить производство чудо-реакторов на конвейерный поток – довольно проблематично. Природа акустических процессов не зависит от того, Германия или Китай (к примеру) занимается производством устройств, в которых используется мощный волновой процесс.
А не замахнуться ли нам ультразвуком на микробов?
Обозначенный механизм скачкообразного огромного перепада давлений внутри микрообъемов жидкости с возникающими и схлопывающимися микропузырьками способен уничтожать микроорганизмы без повышения температуры окружающей их жидкой среды. Как любую стальную проволочку можно разломать руками с приложением силы, сгибая и разгибая ее механическим воздействием в одном и том же месте циклично, так и оболочки живых микроорганизмов обладают определенным пределом циклической прочности. Представьте теперь, что за секунду на водную среду внутри микробов и вне их действует знакопеременное давление 22 000 раз! Остаться в живых при этом почти невозможно, так что микробы изнутри буквально взрываются при резких скачках давления и резком расширении имеющихся внутри них ничтожно малых газовых включений. Основная проблема лишь в том, как остановить на скаку каждого вредоносного микроба в потоке жидкости и поместить его персонально в точку такого перепада давлений. А вдруг кто-то из них проскользнет в бурном течении «огородами, огородами» и после опасного для него участка развернется далее во всю свою биологическую мощь? Но с этим проскальзыванием при желании можно справиться, увеличивая зону воздействия на протекающий поток путем наложения ультразвуковых волн друг на друга с их собственным отражением или с другой такой же волной, идущей во встречном направлении. Такой прием называется суперпозицией, а оборудование – суперпозиционным реактором, или суперпозитором.
Все же достигнуть за счет одного ультразвука полной стерилизации молока и молочных продуктов сложно, потому что требуется продолжительное время воздействия на бактерии по причине трудности равномерного распространения ультразвуковых колебаний на реакционную массу большого объема В исследованиях порционным способом (при отсутствии перемещения обрабатываемой жидкой среды) пришлось варьировать время обработки от 7 до 29 минут при невысоких температурах. Для организации поточной обработки требуется закольцевать движение порций продукта примерно так, как показано на фото 3. Вертикальный высокий цилиндр в правой части установки – пьезоэлектрический реактор для ультразвуковой обработки пропускной способностью 5 тонн молока в час, над которым размещен небольшой генератор акустических импульсов. Из нижнего сосуда, что слева, обрабатываемый продукт подают снизу же в работающий реактор. Подвергнутая однократной обработке жидкая среда перемещается в верхний сосуд. По завершении цикла порцию самотеком перепускают из верхнего сосуда в нижний – и операцию повторяют. Результат хорош, да вот только итоговая производительность всей циклично работающей системы не удовлетворяет заводчан.
Впрочем, достижение холодной пастеризации с гарантированным уничтожением бактерий в 10 раз (lg 1) при сохранении витаминов – тоже неплохой результат. Но решение задачи замены тепловой пастеризации на ультразвуковую потребует внесения дополнений в единые технологические инструкции процесса, для чего вначале необходимы серьезные предварительные клинические испытания эффективности новой техники, подтверждающие гарантированное подавление жизнедеятельности бактерий. Период цикла клинических испытаний – примерно два года. Казалось бы, продолжительность немалая. Тем не менее, проходят десятки лет, в течение которых все новые исследователи в разных регионах страны подтверждают друг за другом примерно один и тот же факт, но на результативный переход к главной двухгодичной фазе так никто и не решился. Такие уж мы затеоретизированные сверх меры мыслители, что не готовы перейти к твердым реалиям жизни. Получается совсем как в стихах: в руках остались два весла, а лодку речка унесла!
Объективности ради следует признать все же, что на данном этапе развития науки и техники по части стерилизации (и пастеризации) пока во много раз быстрее по времени работает температурное воздействие, причемм без остановки непрерывных потоков обрабатываемых субстанций в соответствующих аппарататах. Подогрев движущегося слоя молока в течение нескольких секунд и выдерживание установившейся температуры потока от 15 до 20 секунд осуществлять на пластинчатых теплообменниках одинаково несложно и для 1 тонны в час, и для больших пропускных способностей, вплоть до 25 тонн в час.
Заключение
Освоение наукой волновых процессов, воздействующих с различной интенсивностью на обрабатываемые материалы, постепенно приводит к созданию оборудования принципиально нового уровня: измерительного со слабыми воздействиями и реакторного – для мощных акустических воздействий на обрабатываемые среды. Объективно в информационном развитии существует достаточно продолжительный промежуток времени от выявления какого-либо эффекта до постановки его на службу потребностям человека в той или иной конструкции серийно выпускаемого оборудования. Например, сейчас успешно решена техническая задача надежности непрерывного озвучивания протекающего потока жидкости, поставленная Л. Бергманом еще в 1956 году и необходимая для большинства технологических процессов внутри различных производств. Возникло новое научное ответвление – сонохимия, в рамках которого исследуются и решаются многочисленные проблемы приложения звуковых колебаний разной частоты и интенсивности к обрабатываемым твердым и жидким материалам в самых разных отраслях человеческой деятельности.
Общими недостатками мощных излучателей на сегодняшний день является трудность равномерного распространения ультразвуковых колебаний на реакционную массу большого объема. С другой стороны, в мире (к сожалению, во всем остальном мире, кроме России) развивается перспективное микрореакторное направление, позволяющее справиться с рядом сложностей, которые обусловлены факторами увеличения масштабов оборудования при безудержном увлечении локальной производительностью труда в пределах отдельно взятых производственных линий.
Сфера сонохимии довольно молода в сравнении с другими науками, поэтому неизбежно в ней наблюдаются завышенные в сторону оптимизма ожидания исследователей процессов, вызванные недостаточностью количества информации, накопленной к данному моменту времени. Возникающие научно-технические мечтания и предположения в расчетах на перспективную диссертабельность исследований осуществляются еще не так болезненно. Куда вреднее для производственников провозглашение ничем не подкрепленных неосмотрительных полуфантастических обещаний, высказываемых некоторыми нетерпеливыми исследователями по поводу конкретных параметров светлого будущего при создании образцов техники интенсивного ультразвука. Просто надо помнить, что для решения каких-то проблем следует учитывать наличие и других физических макроскопических явлений, способных работать в отдельно взятой процессной области. Например, наложение волновых явлений из гидродинамики на некоторые процессы позволяет решать ряд поставленных технических задач более изящно. И это полагается тоже сопоставлять с УЗ колебаниями по объективным показателям.
Мир на удивление разнообразен, и дает образец для подражания своей многовариантности нам. Надо лишь воспитать в себе чувство меры и умение пользоваться различными вариантами приемов обработки чего-либо в пределах безусловной эффективности каждого такого приема по сумме всех факторов.
.png)
