От чего зависит кавитация в воде
Кавитация - это явление
образования, роста и схлопывания пузырьков газа в воде под воздействием
колебаний давления. Сила (интенсивность) кавитации зависит от нескольких
параметров, таких как частота ультразвуковых волн, амплитуда колебаний,
гидростатическое (атмосферное) давление, вязкость и наличие растворенных газов
в воде.
Рассмотрим каждый параметр
отдельно.
1. Частота ультразвуковых волн в диапазоне 20 кГц - 100 кГц
На графике показана зависимость
силы кавитации от частоты в диапазоне 20 кГц - 100 кГц. При увеличении частоты
сила отдельного кавитационного события (схлопывания пузырьков) снижается, но
увеличивается количество событий за единицу времени. Это создает баланс между
локальной мощностью и общей интенсивностью. Оптимальная частота кавитации зависит
от конкретного применения: для разрушительных процессов лучше подходят низкие
частоты, а для деликатных - высокие.
Низкие частоты (20 -30 кГц).
На низких частотах кавитация имеет более
высокую интенсивность (силу). Это связано с тем, что на низких частотах
возникающие в жидкости пузырьки успевают расти до значительных размеров перед
схлопыванием. При этом энергия, выделяемая в момент схлопывания пузырьков,
выше. Такие частоты часто используют где требуется сильная эрозия или
разрушение (например, в ультразвуковой очистке или дроблении).
Средние частоты (30-60 кГц)
В этом диапазоне сила кавитации
несколько уменьшается по сравнению с низкими частотами, поскольку пузырьки не
успевают достигать таких больших размеров перед схлопыванием. Однако число
пузырьков увеличивается, что может улучшать равномерность кавитационного
воздействия. Этот диапазон подходит для деликатных операций, таких как удаление
загрязнений или воздействие на мягкие материалы.
Высокие частоты (60-100 кГц)
На высоких частотах кавитация становится менее интенсивной, поскольку пузырьки схлопываются быстрее, не достигая больших размеров. Однако количество пузырьков продолжает увеличиваться, что делает кавитацию более «мягкой» и равномерной.Этот диапазон подходит для применений, где требуется щадящее воздействие, например, в биотехнологиях или обработке тонких слоев.
На графике показана общая
теоретическая зависимость силы кавитации от частоты в диапазоне 16-100 кГц.
Видно, что сила кавитации достигает максимума вблизи оптимальной частоты
(примерно 35 - 40 кГц), а затем начинает снижаться из-за уменьшения
эффективности кавитационного процесса на более высоких частотах.
2. Амплитуда колебаний.
При одной и той же частоте
увеличение амплитуды повышает интенсивность кавитации. С увеличением амплитуды
волны, которая в свою очередь зависит от мощности и конструкции излучателя,
энергия кавитационного процесса растет, что способствует образованию больших
пузырьков даже при высокой частоте.
3. Гидростатическое давление:
Увеличение давления в воде
уменьшает размер кавитационных пузырьков, поскольку для их образования
необходимо преодолеть это большее давление.
4. Вязкость воды.
Вязкость воды оказывает
значительное влияние на рост кавитационных пузырьков и определяет ее
способность сопротивляться изменениям скорости или перемещению молекул, что
влияет на динамику кавитационных процессов. В воде с высокой вязкостью молекулы
движутся медленнее, что приводит к уменьшению скорости роста кавитационных
пузырьков. Вязкость воды в свою очередь зависит от температуры, и эта
зависимость является обратной: с повышением температуры вязкость воды
уменьшается. Это объясняется тем, что при повышении температуры увеличивается
энергия молекул, что снижает межмолекулярные силы взаимодействия.Вот основные
показатели вязкости воды по разным температурам:
Температура (°C) Вязкость (мПа-с)
0 1.79
10 1.31
20 1.00
30 0.80
40 0.65
50 0.55
60 0.47
80 0.36
100 0.28
Если построить график вязкости
воды от температуры, он будет иметь плавную нисходящую форму, которая
демонстрирует уменьшение вязкости с увеличением температуры. Добавление ПАВ
(поверхностно активных веществ) также уменьшает вязкость воды и улучшает
кавитацию.
5. Наличие растворенных газов в воде.
Растворенные газы в воде могут
существенно влиять на кавитационные процессы, поскольку они изменяют физические
характеристики воды, в частности ее способность к образованию и стабильности
кавитационных пузырьков.
Снижение давления насыщения:
растворенные газы (например, кислород или азот) могут уменьшить давление
насыщения воды. Это означает, что при определенном давлении, где вода обычно
находится в стабильном состоянии, пониженная концентрация газов может облегчить
формирование кавитационных пузырьков. Кавитация возникает, когда локальное
давление падает ниже давления насыщения воды, и газы в воде начинают
испаряться, образуя пузырьки.
Растворенные газы могут влиять на
размер кавитационных пузырьков. Большие пузырьки могут приводить к более
сильным ударам, когда они коллапсируют, что вызывает большую эрозию и больший
уровень механического повреждения поверхности.
Таким образом, наличие
растворенных газов в воде может значительно изменить как условия возникновения
кавитации, так и ее интенсивность, влияя на процессы, связанные с эрозией,
шумом, вибрацией и другими эффектами, возникающими в результате кавитации.
Для уменьшения влияния растворенных газов на кавитацию в воде проводят ее дегазацию. Достигают этого с помощью специального режима работы ультразукового генератора. Под действием ультразвуковых импульсных колебаний пузырьки газов удалятся из воды и кавитация улучшается.