Конспект лекций для студентов направления подготовки 15. 04. 02 Технологические машины и оборудование
 Скачать 1.61 Mb.
|
|
2 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ 2.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Под воздействием на обрабатываемую среду (физико-химическую систему) будем понимать направленное проявление сил различных физических полей. Перечень полей: механические, электрические, магнитные, тепловые, акустические и радиационные. Сводка основных воздействий и их результатов дана в табл. 2.1. Таблица 2.1 – Классификация энергетических воздействий на ХТП Виды воз- действий Факторы воздействий Физико-химические эффекты Результаты воздействия Механи- ческие Удар, сдвиг, сжатие, растяжение, вибрация, формирование потоков с заданной траекторией, скоростью и ускорением Гидроудар, турбулентность, эффект Кармана, трибоэффект, эффект Рейнольдса, автоко- лебания, активация, концентра- ция напряжений Пульсации давления и скорости потока жидкости, трансформация кинетической энергии в потенциальную и др., энергетическая накачка Акусти- ческие Упругие и квазиупругие колебания в жидкости Акустические волны, акустическая турбулентность, кавитация, кумулятивный эффект, резонанс, автоколе- бания, капиллярный эффект Пульсации давления, кумулятивный удар, изменение физико- химических свойств, активация, трансформация акустической энергии в механическую, сонолиз Магнитные Магнитные поля различной структуры Эффект Риги-Ледюка, магнито- сепарация, магнито- гидродинамический эффект, магнитохимические эффекты Изменение физико- химических параметров, трансформация магнитной энергии в механическую, тепловую, электрическую и др. энергии Тепловые Нагрев, охлаждение (тепловые потоки) Теплопередача, теплопроводность, тепловое излучение, конвекция, эффект Соре, эффект Марангони, термоэффекты Кипение, конденсация, фазовые переходы, инвер- сия фаз, трансформация тепловой энергии в механическую, радиа- ционную и др. Световые и радиацион- ные Электромагнитные волны, ИК и УФ, световое, рентгеновское, γ-излучение Ионизация, энергетическая накачка, фотохимические реакции, возбуждение молекул Изменение физико-химиче- ских свойств, активация, излучение, трансформация энергии излучения в тепловую и др. 21 Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект, которым может быть отдельный элемент или совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную систему. Результаты воздействия – это физико-химические эффекты (ФХЭ), проявляющиеся в элементах системы, на которые направлены определенные воздействия. Различают следующие виды воздействий: акустические, электрические, магнитные, тепловые, механические, радиационные, химические. Некоторые из этих воздействий взаимосвязаны друг с другом, например, электрические и магнитные воздействия. Все физико-химические эффекты, возникающие при энергетических воздействиях на вещества, можно разделить на четыре иерархических уровня: 1) Совокупность явлений на атомарно-молекулярном уровне; эффекты в масштабе надмолекулярных или глобулярных структур; 2) Множество физико-химических явлений, связанных с движением единичного включения дисперсной фазы, с учетом химических реакций и явлений межфазного энерго- и массопереноса; 3) Физико-химические процессы в ансамбле включений, перемещаю- щихся стесненным образом в потоке основной фазы; 4) Совокупность процессов, определяющих макрогидродинамическую обстановку в масштабе аппарата. При энергетическом воздействии на обрабатываемую среду протекают различные физико-химические процессы, сопровождающиеся какими-либо эффектами. Результаты воздействия - это эффекты, проявляющиеся в жидкости, газе, твердых телах или в гетерогенной смеси. При постоянстве условий, вида воздействия и свойств обрабатываемой среды проявляются одни и те же резуль- таты воздействия. 2.2 ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Акустическое воздействие. Акустическое воздействие представляет собой распространение в обрабатываемой среде упругих или квазиупругих колебаний. Акустические колебания различают на инфразвуковые (частота f < 20 Гц), звуковые (20 Гц ≤ f ≤ 20·10 3 Гц), ультразвуковые (20·10 3 Гц < f ≤ 20·10 8 Гц), гиперзвуковые (f > 20·10 8 Гц). Для применения в промышленности наиболее часто используются колебания с частотами звукового и ультразвукового диапазонов. В гидромеханических процессах акустические волны интенсифицируют такие процессы как: отстаивание, флотация, осаждение, диспергирование, эмульгирование, перемешивание, пеногашение, дегазация. В тепловых процессах акустические волны интенсифицируют такие процессы как нагревание, охлаждение, выпаривание, испарение, горение. А в массообменных процессах это процесс кристаллизации, сушки, растворения, набухания, абсорбции, адсорбции, экстракции, выщелачивания. В механических процессах - экструдирование, литье, формование, диспергирование. 22 В зависимости от заложенного в принцип работы физического эффекта, различают следующие виды акустических излучателей: пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, гидродинамические. Акустическое воздействие вызывает такие физико-химические эффекты: 1) акустические волны - периодическое изменение давления в каждой точке жидкости; 2) акустическая турбулентность - пульсации скорости и давления жидкости при ее течении за счет акустического давления; 3) кавитация - разрыв сплошности жидкости под действием растягивающих напряжений, приводящих к образованию пузырьков, наполненных газом и паром; 4) кумулятивный эффект - усиленное в определенном направлении импульсное динамическое воздействие, например, схлопывание кавитационного пузырька с выбросом в определенном направлении микроструйки жидкости; 5) звукохимические реакции - химические превращения вещества под действием акустического поля (сонолиз); 6) резонанс - возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой колебательной системы. При акустическом воздействии происходит инициирование других воздействий - механического, теплового, химического. Электрическое воздействие. Электрическое воздействие осуществляется за счет электрических полей различной структуры: постоянные (однородные и неоднородные); переменные (бегущие); скрещивающиеся (электрические и магнитные). ХТП с использованием электрических полей можно разделить на процессы, которые осуществляются только за счет электрического поля (электродиализ, электроосмос и т.д.), и процессы, которые интенсифицируются электрическим полем (сушка, экстракция, кристаллизация и т.п.). Электрические (электромагнитные) поля характеризуются частотой (промышленные частоты – 50 Гц, 60 Гц; поле токов высокой частоты – до 300 МГц; поля токов сверхвысокой частоты – от 0,3 до 30 ГГц), напряжением или силой тока, длительностью воздействия. Электрическое поле воздействует на дипольные молекулы жидкостей и газов. При этом возникают пондеромоторные силы, вызванные наложением полей, поляризационные заряды, направление которых обусловлено разностью диэлектрической проницаемости среды. Эти силы изменяют поверхностное натяжение жидкостей. Протекание электрического тока через электролиты приводит к электролизу. В коллоидных системах и капиллярно-пористых телах наблюдаются такие процессы, как электрофорез, электроосмос, электродиализ, электрокоагуляция, ионофорез и др. Воздействие электрического тока на проводящие среды вызывает их нагрев за счет выделения тепла и пробой при высоких напряжениях. Таким образом, электрическое поле в обрабатываемой среде вызывает следующие физико-химические эффекты: 1) электросепарация – разделение гетерогенной среды за счет разности 23 электропроводности фаз; 2) электрофорез – перенос частиц в электрическом поле вследствие наличия разноименных зарядов у твердой и жидкой фаз; 3) электроосмос – перемещение жидкости вдоль стенок капилляра под действием приложенной ЭДС; 4) эффект Юткина (электрогидравлический удар) – генерация ударных волн в жидкости при ее электрическом пробое; 5) электрокоагуляция – процесс сближения и укрупнения взвешенных в жидкости или газе частиц под действием электрического поля; 6) электрохимические эффекты – химические превращения под действием электрического тока (электролиз); 7) электронагрев – выделение тепла за счет прохождения через обрабатываемую среду электрического тока. При электрическом воздействии на жидкость возможно его преобразование в механическое, тепловое, химическое, акустическое, магнитное и радиационное воздействия. Магнитное воздействие. Магнитное воздействие аналогично электрическому. Действие магнитного поля вызывает уменьшение электрической проводимости, возрастание плотности, вязкости, поверхностного натяжения, диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости. Под действием магнитного поля меняются свойства воды и водных растворов. Магнитное воздействие является, в основном, оптимизирующим для ХТП и вызывает относительное движение фаз в обрабатываемой среде. Магнитное поле вызывает такие эффекты, как: 1) эффект Риги-Ледюка – увеличение теплопроводности среды в магнитном поле; 2) магнитосепарация – разделение гетерогенной среды за счет разности магнитопроизводности фаз; 3) магнитогидродинамический эффект – возникновение электрического тока в замкнутой цепи при движении электропроводной жидкости в магнитном поле; 4) магнитофизикохимические эффекты – изменение свойств обрабатываемой среды за счет омагничивания. Тепловое воздействие. Тепловое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется, как правило, за счет передачи теплоты от теплоносителя. Теплоноситель может быть подведен как через разделяющую стенку, так и непосредственно в жидкость или газ. Нагревание жидкости может быть также произведено за счет других видов воздействий – акустического, механического, электромагнитного и радиационного. Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты, называют тепловыми. Тепловой процесс может быть реализован как нагреванием, так и охлаждением. Перенос теплоты является сложным процессом, поэтому при исследовании тепловых процессов их разделяют на более простые явления. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция. При теплопроводности перенос теплоты происходит путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами). 24 Явление теплового излучения – это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов фазы. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Тепловое воздействие на вещества вызывает следующие эффекты: 1) кипение – образование парогазовых пузырьков в жидкости; 2) фазовый переход – изменение фазового состояния вещества; 3) инверсия фаз – переход дисперсной фазы в сплошную и наоборот (при концентрациях фаз, близких к предельным); 4) эффект Соре (термическая диффузия) – перенос вещества за счет теплопроводности; 5) термоэффекты – изменение физико-химических свойств веществ за счет нагревания или охлаждения; 6) эффект Марангони – непостоянство коэффициента поверхностного натяжения в зависимости от температуры или концентрации вещества; 7) структурообразование – формирование регулярных структур за счет тепловых потоков (например, ячейки Бенара). Механическое воздействие. Под механическим воздействием будем понимать непосредственно механическое воздействие твердых тел на обрабатываемую среду и в ней содержащиеся частицы. Наряду с тепловыми, электрическими, акустическими и другими видами энергетических воздействий, механическое воздействие на вещества может считаться эффективным средством повышения активности веществ, ускоряя химические и массообменные процессы. Механическая активация – это процесс поглощения веществом части подводимой механической энергии, которая, накапливаясь в веществе, меняет его свойства и стимулирует физико- химические процессы. Наиболее эффективна механическая активация за счет свободного удара (в том числе гидравлического) и напряжений трения. Механические воздействия делятся на три класса: - линейные перегрузки; - вибрационные воздействия; - ударные воздействия. Линейными перегрузками называют кинематические воздействия, возникающие при ускоренном движении источника колебаний. Например, в транспортных машинах при изменении скорости и ускорения. Вибрационные воздействия являются колебательными процессами. Вибрационные воздействия делятся на стационарные, нестационарные и случайные. Простейшим видом стационарного вибрационного воздействия является гармоническое воздействие. Высокочастотные вибрационные воздействия могут передаваться объекту не только через элементы механических соединений его с источником, но и через окружающую среду (воздух, воду). Такие воздействия называются акустическими. Случайные вибрационные возбуждения не являются полностью предсказуемыми как гармоническое или полигармоническое воздействия. 25 Стохастический сигнал не может быть представлен графически наперед заданным, так как он обусловлен процессом, содержащим элемент случайности. Ударными называют кратковременные механические воздействия, в которых максимальные значения сил являются весьма большими. Функцию, выражающую зависимость силы, момента силы или ускорения при ударе от времени, называют формой удара. Основными характеристиками формы являются длительность удара и его амплитуда. Механическое воздействие вызывает такие физико-химические эффекты, как: 1) турбулентность – интенсивное перемешивание жидкости, пульсации скорости и давления в жидкости при ее течении; 2) гидроудар – результат резкого изменения давления в жидкости, вызванный изменением скорости ее течения; 3) эффект Кармана (вихреобразование) – периодический срыв вихрей при обтекании тела потоком жидкости; 4) трибоэффект – преобразование механической энергии в тепловую при относительном движении тел и фаз; 5) эффект Рейнольдса – увеличение тепломассоотдачи за счет увеличения скорости потока; 6) автоколебания – возникновение колебаний в системе за счет преобразования энергии постоянного движения в колебательную. Радиационное воздействие. Радиационное воздействие на обрабатываемую среду осуществляется электромагнитными волнами длинами менее 10 мм и потоками частиц больших энергий. К радиационному воздействию относится также оптическое воздействие. Указанный спектр волн включает в себя электромагнитные волны, начиная с частоты 10 10 Гц, инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой области и рентгеновского излучения, заканчивая гамма-излучением с частотой 10 19 Гц. В этом диапазоне свет проявляет как корпускулярные, так и волновые свойства. Радиационное воздействие включает как электромагнитное (рентгеновское и γ – излучение), так и корпускулярное излучение (ускоренные электроны, быстрые заряженные частицы). Источниками радиационного воздействия служат радиоактивные изотопы и специальные ускорители частиц. Эффект от радиационного воздействия зависит от длины волны и от типа радиационного воздействия. Длинноволновое излучение вызывает в основном нагрев обрабатываемых веществ, а коротковолновая часть спектра может вызвать фотохимические реакции. Потоки заряженных частиц производят ионизацию и возбуждение молекул облучаемого вещества при столкновениях, а при облучении нейтральными частицами или фотонами, в основном, первоначально образуются заряженные частицы, которые осуществляют ионизацию и возбуждение молекул. Для количественной оценки воздействия ионизирующего излучателя на вещество используют ряд специальных характеристик. Химическое воздействие. Химическое воздействие на обрабатываемую среду осуществляется за счет внесения веществ или прохождения 26 обрабатываемой среды через вещества, которые вызывают изменение ее физико-химических свойств, инициируют или ускоряют химические реакции (катализаторы), вступают в химическое взаимодействие с самой обрабатываемой средой или с ее компонентами. Химическое воздействие относится к сфере фундаментальных химических наук и более детальное рассмотрение механизма этого вида воздействия здесь нецелесообразно. Таким образом, можно сделать вывод, что механическое, акустическое, электрическое, магнитное, тепловое и радиационное воздействия существенным образом влияют на процессы в обрабатываемой среде, инициируя различные физико-химические эффекты и изменяя физико- химические свойства фаз и содержащихся в них включений. Перечисленные воздействия принято называть энергетическими, так как их реализация приводит к изменению энергетического состояния обрабатываемой среды. Воздействуя на обрабатываемую среду за счет одного вида воздействий, возможна трансформация его в другой вид воздействия как полностью, так и частично. Все виды воздействий взаимосвязаны друг с другом, и реализовать какой-то вид воздействия в чистом виде практически невозможно. Вопросы для самоконтроля по теме 2: 1. Перечислите виды воздействий на пищевые продукты. 2. В чем заключается трибоэффект? 3. Что является источником магнитного воздействия? 4. Какие эффекты вызывает акустическое воздействие? 5. В чѐм заключается акустическое воздействие на продукт? 6. Объясните суть радиационного воздействия? 7. Как обеспечивается безопасность продукта при химическом воздействии? 8. Что такое турбулентность? 9. Что называют гидроударом? 10. Как возникают автоколебания? 11. Что называют магнитной сепарацией? 12. Что такое электросепарация? 13. Как объяснить кумулятивный эффект? 14. Поясните природу акустических волн? 15. Что такое звукохимические реакции, в чѐм их суть? 16. Чем отличается электроконтактный способ от СВЧ-нагрева? 17. В результате чего возникают линейные перегрузки? 18. В чѐм отличие кипения от фазового перехода? 19. Что такое инверсия при тепловых процессах, как она происходит? 20. Чем отличаются инфразвуковые колебания от ультрозвуковых? 21. Какие частоты включает в себя звуковой диапазон? 22. Какие колебания наиболее распространены в пищевой промышленности? 23. От чего зависит эффект от радиационного воздействия на продукт? 24. Какие физико-химические эффекты вызывает механическое воздействие? 25. На какие типы воздействий делятся вибрационные воздействия? Рекомендованная литература: [1, 2, 3, 4,7, 9]. |