Проблема покращення міцнісних та термостійких властивостей сировини для металургійного переділу вирішується з початку промислового виробництва згрудкованих матеріалів. Обробка домішок в шихту огрудкування ультразвуковими хвилями може значно поліпшувати їх властивості [1].

В основу застосування ультразвуку для покращення якості речовини покладено можливість введення всередину матеріалу величезної енергії [2]. Одним із методів, що дозволяє виміряти цю енергію, є калориметрія – сукупність методів вимірювання кількості теплоти, що виділяється або поглинається при протіканні різних фізичних або хімічних процесів [3]. Кількість теплоти Q, яка передається тілу (системі) або забирається від нього, пропорційна зміні температури тіла Δt, його масі m і теплоємності с:

Q_i=c·m·Δt.                                                                (1)

Вимірюючи зміну температури системи, можна розрахувати кількість енергії, що була на це витрачена. А знехтувавши витратами енергії в інших ланках передачі ультразвукових коливань середовищу, можна розрахувати такі параметри ультразвукових хвиль, як їх інтенсивність та амплітуду.

Питомий хвильовий опір в рідких середовищах значно більший, ніж у газів (для води в 3500 разів більше, ніж для газів [4]). Тому за однакових параметрів ультразвукової системи, таких як амплітуда, частота коливань, найбільша акустична потужність випромінюється саме у рідину. Це означає, що ультразвук має найбільш високу ефективність дії у рідинному середовищі. Найбільш економічно доступним серед рідин є водне середовище, яке використовується у більшості технологічних процесів, що потребують присутності рідини. Окрім того, вода не має пожежонебезпечних та вибухонебезпечних властивостей, як, наприклад, спирти, ефіри, гас тощо.

Фактор збільшення температури під дією ультразвукового опромінення не був розглянутий у більшості досліджень, пов’язаних з використанням ультразвуку в рідинах.

Нами виконано досліди з обробки ультразвуковими хвилями двох частот – 20 та 40 кГц – водного середовища, як оптимальнішого для ультразвукової активації бентонітів, що використовують при огрудкуванні металургійної сировини. Досліди проводились у двох резервуарах з генераторами ультразвукових хвиль частотою f = 20 та 40 кГц. Заміри температури виконувались термометром ТР101. Окрім таймера, ультразвукові ванни мають вбудовані перемикачі потужності генератора Р_г, що дало змогу вести обробку з кроком в 10 % від максимальної потужності в 150 Вт.

В обох ваннах було проведено по 5 дослідів з ультразвукової обробки 1 л не дистильованої води зі зміною потужності генератора 10, 30, 50, 80 та 100 % від максимальної (150 Вт). Початкова температура води – 24,1 ºС. Тривалість обробки в усіх дослідах – 59 хв 59 с. Порівняльні графіки залежності температури від часу обробки надано на рис. 1 (для частоти у/з хвиль 40 кГц) та рис. 2 (для частоти у/з хвиль 20 кГц). На них чітко відстежується збільшення кінцевої температури нагрівання води за один і той самий часовий період зі збільшенням потужності генератора ультразвукових хвиль.

Рис. 1. Графіки залежності температури води від часу обробки при різній потужності ультразвукових хвиль на частоті 40 кГц

Для обчислення кількості енергії, Дж, що була витрачена на нагрівання даної кількості води до отриманої температури в кожному досліді, застосовано формулу (1), де с – питома теплоємність води, що складає 4187 Дж/(кг·ºС); m – маса води (у всіх дослідах m = 1 кг); Δt_iº – різниця між найменшою і найбільшою температурою води під час проведення досліду.

Рис. 2. Графіки залежності температури води від часу обробки при різній потужності ультразвукових хвиль на частоті 20 кГц

Потужність, що була використана для нагрівання води за час τ_i, обчислено за формулою: P_i = Q_i / τ_i, Вт. Інтенсивність ультразвукової хвилі I, Дж/(с·м²): I = P / S, де S – площа ультразвукової ванни, в дно якої вмонтовані ультразвукові випромінювачі; S = 235×110 мм².

Згідно з [5], інтенсивність гармонічної хвилі, Дж/(м²·с), розраховується за формулою I = 0,5ρ·a²·f²·v, де ρ – густина середовища, в якому розповсюджується ультразвукова хвиля, кг/м³; a – амплітуда цієї хвилі, м; f – частота хвилі, Гц; v – швидкість хвилі у даному середовищі; згідно з [6] v = 1483 м/c.

Звідси амплітуда у/з хвиль, м, може бути обрахована за формулою:

Розрахунки всіх параметрів за наведеними формулами для виконаних дослідів надано в табл. 1 (для частоти 40 кГц) та 2 (для частоти 20 кГц).

Таблиця 1 – Розрахунок параметрів ультразвукових хвиль на частоті 40 кГц

Таблиця 2 – Розрахунок параметрів ультразвукових хвиль на частоті 20 кГц

Довжина ультразвукової хвилі знаходиться за формулою λ = v / f. Тобто для ультразвуку 40 кГц довжина хвилі λ₄₀ = 0,037 м, для 20 кГц – λ₂₀ = 0,074 м.

Залежність інтенсивності ультразвукової хвилі від потужності випромінювача зображено на рис. 3.

Рис. 3. Залежність інтенсивності ультразвукових хвиль від частоти і потужності випромінювача

Енергія випромінювача використовується, окрім нагрівання води, на нагрівання самого резервуара, навколишнього повітря, утворення певної кількості водяної пари та втрачається у передатних пристроях. К. к. д. генератора ультразвукових хвиль, розрахований у даному дослідженні (рис. 4), враховує енергію, яка витрачається безпосередньо на нагрівання води.

Залежність амплітуди ультразвукових хвиль від потужності випромінювача зображено на рис. 5.

З проведених дослідів, обрахованих величин та побудованих залежностей можна зробити наступні висновки.

При зменшенні потужності генератора ультразвукових хвиль інтенсивність випромінення ультразвукових хвиль обох частот зменшується, що призводить до зменшення розігрівання водного середовища (зниження максимальної температури води. К. к. д. випромінювача враховує енергію, яка витрачається безпосередньо на нагрівання води. Для ультразвукової хвилі 40 кГц цей к. к. д збільшується зі зменшенням потужності випромінення, а для хвилі з частотою 20 кГц максимального значення досягає при 50 % потужності випромінення. Для f = 40 кГц розрахована довжина хвилі λ₄₀ = 0,037 м, для f = 20 кГц – λ₂₀ = 0,074 м.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта корисної дії нагрівання від частоти ультразвукових хвиль і потужності випромінювача

Рис. 5. Залежність амплітуди ультразвукових хвиль від частоти і потужності випромінювача

Амплітуда ультразвукової хвилі a зменшується при зменшенні потужності випромінювача. Для ультразвукової хвилі з частотою 20 кГц в цілому a більша, ніж для хвилі 40 кГц. Якщо розмір молекули води d близько 2,6 Å = 2,6·10^–10 м [7], то співвідношення a/d зменшується зі зменшенням потужності генератора і лежить в межах від 2,4·10³ (Р_г = 10 %) до 4,3·10³ (Р_г = 100 %) – для 40 кГц і від 2,5·10³ (Р_г = 10 %) до 8·10³ (Р_г = 100 %) – для 20 кГц. Тобто поступове збільшення температури водного середовища можна пояснити тертям молекул води, які під дією ультразвукових коливань мають величезні по відношенню до власних розмірів амплітуди коливання з надвисокою частотою зміни напрямку руху.

Література:

1. Кондратенко М.М., Савельев С.Г. Оцінка ефективності застосування ультразвуку в процесах підготовки металургійної сировини до переділу. Гірничий вісник. Науково-технічний зб. Кривий Ріг, 2021. Вип. 109. С 91–97. DOI: 10.31721/2306-5435-2021-1-109-91-98.

2. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). М. 1983. 192 с.

3. Фармацевтична енциклопедія. Режим доступу https://www.pharmencyclopedia.com.ua/article/3407/kalorimetriya.

4. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. – М., 1972. – 424 с.

5. phisicskpiua moodle ЗФ та ФТТ КПІ. Фізика для бакалаврів. Коливання і хвилі. Ч. ІІ. Хвилі. 2 Пружні хвилі. Режим доступу http://physics.zfftt.kpi.ua/mod/book/view.php?id=299&chapterid=58

6. Вікіпедія. Вільна енциклопедія. Режим доступу https://uk.wikipedia.org/wiki/Швидкість_звуку

7. Репозиторій електронних навчальних ресурсів системи дистанційного навчання Вінницького фізико-математичного ліцею №17. Режим доступу https://disted.edu.vn.ua/courses/learn/15