Анализ инновационного потенциала ультраструйных гидротехнологий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.95

М. И. Абашин1, А. А. Барзов2, А. И. Денчик3, Ж. К. Мусина4

:к.т.н., доцент, Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, г. Москва, Россия; 2д.т.н., профессор, в.н.с., Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, г. Москва, Россия; 3к.т.н., профессор, 4к.т.н., ассоц. профессор, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, Казахстан e-mail: [email protected]

АНАЛИЗ ИННОВАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА УЛЬТРАСТРУЙНЫХ ГИДРОТЕХНОЛОГИЙ

В статье показаны физико-технологические возможности ультраструйной обработки различных жидкостей. Предложены конструкторско-технологические решения, раскрывающие высокий инновационно-физический потенциал данной группы технологий.

Ключевые слова: ультраструйная обработка, инновационно-физический потенциал технологий, ультраструйная технология, физико-технологический энергетический критерий технологии, ультраструйное микродиспергирование.

ВВЕДЕНИЕ

Традиционный вариант технологического использования ультраструйных гидрофизических взаимодействий основан на применении высокоэнергетической струи жидкости (воды) в качестве обрабатывающего инструмента. Этот специфический гидроинструмент все шире применяется на практике при резании материалов и очистке поверхностей от загрязнений, а также имеет вполне обоснованную ранее перспективу использования в решении задач экспресс-диагностики параметров качества поверхностного слоя. Подчеркнем, что с физической точки зрения доминирующим фактором всех формообразующих и контрольно-диагностических ультраструйных технологий (УСТ) является процесс гидроэрозии (диспергирования) поверхности твердого тела - обрабатываемого или исследуемого материала [1].

Однако, как показал анализ, сверхинтенсивному диспергированию под действием ударно-волнового фактора ультраструйных взаимодействий подвергается сама гидроструя используемой жидкости [2]. Именно практическое применение явления энергетически экстремально-неравновесного ультраструйного ударно-динамического диспергирования гидрофизических сред лежит в основе инновационных технологий активации и модификации свойств различных жидкостей, а также получения уникальных микро- и наносуспензий [3].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Таким образом, физико-технологический дуализм ультраструйных

U U U 1 U U

гидровзаимодействий, основанный на функциональной инверсии понятий:

инструмент - объект воздействия позволяет целенаправленно подойти к анализу инновационного потенциала и оценке инвестиционной привлекательности этого весьма перспективного варианта промышленного использования УСТ. Кроме того, расширенное трактование термина «ультраструйная обработка» материалов и/ или жидкостей позволяет сформулировать обобщенное понятие «ультраструйные гидротехнологии». Под УСТ будем понимать раздел ультраструйной гидродинамики, представляющей собой совокупность методов и средств создания и реализации таких параметров высокоэнергетической компактной струи жидкости, которые при её взаимодействии с окружающей средой, например при ударно-динамическом торможении о твердотельную мишень, способны привести к фиксируемым целенаправленным физико-химическим, структурным и др. изменениям в обрабатываемом материале и/или в самой жидкости.

На рисунке 1 представлена структурная схема, функциональных возможностей основных видов УСТ с учетом физических особенностей их реализации.

Для формализации понятия физико-технологической инверсии: инструмент - обрабатываемый материал, введем оценочный параметр вида:

^ом

кФт = т, (1)

К л и V/ V/ V*

фт - физико-технологический энергетический критерий рассматриваемой операционной технологии, связанной со структуро- и формообразованием объекта анализа (ОА), например, твердотельной заготовкой при её механической обработке.

Непосредственно Кфт характеризует отношение интенсивностей изменения объемов и обрабатываемого (ОМ) и инструментального (ИМ) материалов при выполнении конкретной операции.

Струя ;: Мишень

Струя : | Мишень

Струя

Обработанная жидкость Стерилизация

Суспензия Суспензирование

Обработка жидкостей

Суспензия (жидкость +

№ШЖН™04

миил

Каверна

Газонасыщенная жидкость

Газонасыщение

Обработанная жидкость

Резание материалов Частицы материале

Сопло

Струя

Модификация жидкостей

Диагностика (металлы} композиты, покрытия)

Струя Г; Датчик

Модификация и обработка материалов

Резание

Волны акустической _1 эмиссии (АЭ)

Объемное (точение, Листовых материалов

фрезерование) Струя Струя !

П 3

■VI Л

а£Ж

Загрязнение

Гравировка

Упрочнение

Струя Г: 5

Упрочненная поверхность

S - направление подачи сопловой головки гидроструйной установки Рисунок 1 - Основные области реализации операционных УСТ для обработки материалов и/или жидкостей

Применительно к УСО материалов (резание, очистка поверхностей), так как для удаления заданного объема материала с ОА обычно тратится весьма значительное количество жидкости (воды). В случае физико-технологической инверсии понятий, т.е. при УСО различных гидрофизических сред Кфт » 1, что объясняется относительном малым гидроэрозионным износом материала твердотельной мишени (инструмента) по сравнению с удельным количеством

обработанной жидкости - объемным расходом ультраструи. Помимо методического значения анализ позволяет классифицировать по масс-энергетическому принципу практически все формо- и структурообразующие операционно-производственные технологии, вплоть до ультраструйного способа получения микросуспензии [3], который характеризуется строго индивидуальным значением Кфт > 1.

Таким образом, дуализм ультраструйных ударно-динамических взаимодействий, основанный на инверсии понятий: инструмент - обрабатываемый материал весьма существенно повышает инновационно-технологический потенциал данного вида гидрофизических энергетически экстремальных явлений и процессов.

Одним из динамически специфических и функционально значимых результатов использования УСТ, помимо технологически управляемой гидроэрозии твердотельной мишени является возможность эффективного диспергирования обрабатываемой жидкости до микро- и нанодисперсного состояния. Этот процесс обусловлен сверхинтенсивным, динамическим ударом ультраструи диспергируемой жидкости о твердотельную мишень. В результате такого энергетически экстремального ультрадинамического воздействия на жидкость происходит интенсивный множественный разрыв ее сплошности, обусловленный образованием облака мелкодисперсного спрея из микро- и нанокапель исходной гидротехнологической среды. Причем сама кинетика процесса разрушения ультраструи жидкости о твердотельную мишень может интегрально рассматриваться и интерпретироваться с позиций термофлуктуационной теории прочности акад. С. Н. Журкова с учетом ударно-волнового механизма гидродиспергирования. В этом смысле процесс ударного распыления (спрееобразования), связанный с интенсивным, энергетически неравновесным характером разрыва сплошности исходной жидкости во многом физически идентичен явлению кавитации. Поэтому наблюдаемые и известные кавитационно-физические процессы, в первую очередь ультразвуковой и молекулярно-электромагнитной природы, должны иметь место и при ультраструйном ударно-динамическом диспергировании жидкостей, в частности воды и ее производных.

Для конкретизации физико-технологической специфики и выявления характерных особенностей ударно-динамического взаимодействия ультраструи с твердотельной мишенью осуществлялось конечно-элементное и имитационное моделирование данного гидроконтактного процесса.

Для количественной оценки параметров ультраструйного микродиспрегирования жидкостей воспользуемся интегральным анализом особенностей энергетических превращений в зоне гидроконтактного воздействия ультраструи на мишень.

Не учитывая тонкие физико-технологические эффекты спрееобразования и поэтапный характер энергетических превращений в зоне ультраструйного гидродиспергирования, запишем уравнение баланса энергий (мощности процесса спрееобразования) в виде

= (2) 1 1=1

где КЭ - коэффициент, характеризующий величину кинетической энергии ультраструи, расходуемой непосредственно на процесс образования новых поверхностей в диспергируемой жидкости;

т - массовый расход жидкости (кг/с);

V - исходная скорость ультраструи диспергируемой жидкости вблизи мишени (м/с);

П - количество (число) частиц жидкости г'-ого размера, образующихся в единицу времени в процессе удара ультраструи о мишень (ед/с);

- поверхностное натяжение г'-ой микрокапли диспергируемой жидкости -сила ее поверхностного натяжения (н/м);

8 - площадь поверхности одной г'-й микрокапли (м2);

N - общее число частиц жидкости (микрокапель) в облаке распыленной жидкости - облаке спрея.

Энергетическое уравнение (2) содержит ряд неизвестных параметров: N, 8, ^. Поэтому для его решения необходимо дополнительное условие связи, которым является массовое соотношение

N

Ктт = РХП "и ' (3)

I=1

где Кт коэффициент, характеризующий часть массы (объема) исходной жидкости т, которая распыляется (диспергируется) непосредственно в момент удара ультраструи о мишень;

Р плотность диспергируемой жидкости (кг/м3)

ц объем частицы г'-ого размера распыленной жидкости (м3).

Для совместного решения (2) и (3) в замкнутом виде необходимо знание закономерностей процесса распыления (спрееобразования), в частности функциональных зависимостей вида:

п, = / (8, и,)(, = 1,2...N) (4)

Таким образом, соотношения (2) - (4) позволяют оценить степень дисперсности образующихся при ударе ультраструи жидкости микрокапель облака спрея. Причем наиболее сложно определение вида уравнений (4), в частности, экспериментальным способом, например, по отпечаткам (трекам) частиц спрея на специальном экране, устанавливаемом на разном расстоянии от зоны ультраструйного гидродиспергирования исходной жидкости. Кроме того, оценка количественных параметров КЭ и Кт также требует постановки достаточно тонких прямых экспериментов.

Заметим, что в научно-практическом отношении решение (2-4) имеет серьезное значение для подробного физико-энергетического анализа динамических особенностей (специфики) рассматриваемого способа гидродиспергирования жидкостей, т.е. образования облака ультрамелкодисперсного облака спрея распыленной жидкости.

Поэтому даже весьма приближенные количественные оценки, на данном уровне исследований, будут весьма полезны для обоснования физико-технологической эффективности рассматриваемой гидротехнологии ультраструйного получения микро- и нанодисперсных структур.

Для решения поставленной задачи по количественной оценке параметров, входящих в (2-4) сделаем следующие допущения:

- образующиеся при ударе о мишень ультраструи диспергируемой жидкости все микрокапли (гидрочастицы) имеют примерно одинаковый размер, а их форма близка к сферической. В этом случае не учитывается вероятностный характер соотношения (2), т.е. полагается, что: и = ui+j; S, = S+j (i, j = 1,2... N). Точнее вид соотношения (2) обсуждается в специальной литературе по распылению жидкостей.

- процесс спрееобразования изотермичен и температура всех микрокапель примерно одинакова, т.е. ст ~const, причем а не зависит от их размера.

- примем, что КЭ = Кт, т.е. в первом приближении приравняем энергетическую и массовые части ультраструи, подвергаемой ударно-импульсному распылению. В соответствии с этим допущением фактически предполагается, что скорость УС Vc»Vk, где Vk, ~0 - скорость микрокапель. Это наиболее смелое допущение, однако именно оно позволяет коренным образом повысить результативность получения количественных оценок процесса ультраструйного субмикродиспергирования различных гидрофизических сред.

С учетом принятых допущений и используя известные соотношения площади и объема микрочастиц сферической формы, получим после тривиальных преобразований

6 а

r =—2, (5)

pv

где r - радиус микрокапли распыленной жидкости.

Или учитывая. что V = у]2P / p , где P - гидродавление распыляемой жидкости (Па) окончательно будем иметь

r = 3а/ P (6)

ВЫВОДЫ

Анализ полученных соотношений (5) и (6) позволяет сделать следующие выводы

1 Размер гидрочастиц, образующихся при ультраструйном распылении (диспергировании) составляет величину порядка: ~10-9 м, т.е. одного нанометра для жидкостей; ~10-10 м для расплавов металлов, при рабочем давлении в гидросистеме Р>100 МПа. Более подробно это обстоятельство проиллюстрировано данными, представленными в таблице 6.1.

Таким образом, энергетического потенциала ультраструи, имеющей удельное значение плотности потока мощности ~1 МВт/мм2 вполне достаточно для такого сверхтонкого субмикродиспергирования различных жидкофазных структур.

2 Данная гидротехнология может использоваться для создания из расплавов микро- и нанопорошков материалов с уникальными свойствами: аморфных; с весьма развитой поверхностью и др.

3 Анализ зависимости (5) позволяет предложить весьма эффективные варианты распыления гидроструи, в том числе прерывистой (фрагментарной) за счет применения быстровращающихся мишеней, обеспечивающих требуемую для микродиспрегирования скорость ударного взаимодействия: V = V +V .

^ струи мишени

4 При получении микропорошков, в частности для ультратонких суспензий, распыление расплавов необходимо осуществлять в защитной среде, например гелия или аргона. Данное обстоятельство весьма важно для микропорошков специального назначения.

5 Весьма эффективным в технологическом отношении может быть ударно-встречное распыление двух и более ультраструй. При этом не исключена уникальная возможность получения практически не исследованных смесей ультрамелкодисперсных порошкообразных материалов композиционного полиэлементного состава, например: Ag+Au; Al+Mg; Su+Pb+Cd и др.

6 Полученные гидрочастицы, а затем после кристаллизации твердые частицы,

/— и и и и г}

обладают огромной относительной поверхностной энергией ЁП

ЁП = aS/m, (7)

где S и т - соответственно, площадь и масса единичной частицы.

7 Субмикрочастицы, полученные ультраструйным распылением расплава, обладают уникально-большой сорбционной способностью, так как их удельная площадь поверхности весьма велика (~106 м2/кг).

Причем, учитывая их огромное количество, т.е. высокую производительность данного метода получения микропорошков (~кг/мин), возможно его использование в гранульной (порошковой) металлургии в промышленных масштабах, а также для экономически выгодного получения требуемых объемов высокодисперсных структур для специальных отраслей техники.

С научной точки зрения представляет интерес - анализ поведения микро-и наногидрочастиц в жидкофазном состоянии. В частности провести оценку критерия (числа) Бонда для образующихся микрокапель

Во = pgL2/c, (8)

где g = 9,81 м/с; L~r - характерный геометрический размер частицы.

Нетрудно показать, что для рассматриваемого случая Во<<1, т.е. поверхностные эффекты являются доминирующими и физически превалируют над остальными.

Из динамических эффектов поведения микрокапель весьма интересна оценка частоты колебаний их поверхности /

1///а (9)

После подстановки в (9) значений размера гидрочастиц, образующихся при ультраструйном способе ударно-динамического распыления жидкостей получим, что частоты быстрозатухающих колебаний поверхности микрогидрочастиц составляют величину порядка f ~100 МГц.

Причем, учитывая коллективный характер движения множества этих частиц в динамичном облаке спрея, весьма вероятно результативное проявление электромагнитных, электроакустических и других энергетически неравновесных физически специфических и мало изученных эффектов. В частности выделения энергии в виде соответствующего достаточно мощного излучения волновой природы из-за образования и динамического разрыва двойного электрического слоя при ударной электризации частиц микрогидротумана, интенсивное формирование и диссипация свободно-радиальных групп молекул и др.

Таким образом, облако микроспрея из субгидрочастиц распыляемой ультраструи жидкости можно рассматривать как динамически специфическую гельструктуру весьма энергоемкую с физической точки зрения. Это открывает перспективы практического использования данного эффекта гелеобразования и позволяет предложить весьма результативные технико-технологические решения задачи по ультраструйному микродиспергированию различных жидкофазных систем, в первую очередь расплавов металлов, например с целью получения ультрамелкодисперсных порошковых материалов различного, в том числе специального функционального назначения.

Одним их прямых подтверждений вышеизложенному можно считать специфическое свечение из зоны взаимодействия ультраструи с мишенью, параметры и характеристики которого зависят не только от энергетики ультраструи, но и от материала мишени.

В заключение отметим следующее обстоятельство. Как известно, в жидкофазном состоянии на объем микрокапель - основы для получения в дальнейшем ультрамелкодисперсных порошков и особых суспензий, действуют весьма значительные сжимающие напряжения, обусловленные силами поверхностного натяжения. Количественная оценка «молекулярного» гидростатического давления р может быть получена по классической формуле гидростатики, связывающей радиус капли и поверхностное натяжение с величиной давления внутри микрокапли: р = 2а / г. Это весьма большое давление в момент кристаллизации микрокапли, в частности из распыляемого расплава металла обеспечит высокое качество микроструктуры образующейся микросферы, т.е. ее уникально-высокие физико-механические характеристики и иные свойства, что весьма важно для получения антифрикционных суспензий, в гранульной технологии и т.д. Причем наличие в камере кристаллизации охлаждающей среды, например холодного гелия, будет способствовать процессу аморфизации потенциально кристаллической структуры субмикрокапель.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Барзов, А. А., Галиновский, А. Л. Технологии ультраструйной обработки и диагностики материалов. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 246 с.

2 Барзов, А. А., Галиновский, А. Л., Пузаков, В. С. Ультраструйная технология обработки жидкостей. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 258 с.

3 Ультраструйная технология получения микросуспензий / Балашов О. Е., Барзов А. А., Галиновский А. Л., Литвин Н. К., Сысоев Н. Н., Шашурин В. Д. -М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 352 с.

Материал поступил в редакцию 12.12.16.

М. И. Абашин1, А. А. Барзов2, А. И. Денчик3, Ж. К. Мусина3 Ультраагынды гидротехнология потенциясын инновациялык талдау

:Н. Э. Бауман атындаFы Мэскеу мемлекеттiк техникалык университетi, Мэскеу к., Ресей;

2М. В. Ломоносов атындаFы Мэскеу мемлекеттiк университетi, Мэскеу к., Ресей;

3С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к.

Материал 12.12.16 баспаFа тYстi.

M. I. Abashin1, A. A. Barzov2, A. I. Denchik3, Zh. K. Musina3 Analysis of the innovation potential of ultra-hydraulic technologies

1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia;

2Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia;

3S. Toraighyrov Pavlodar State university, Pavlodar, Kazakhstan.

Material received on 12.12.16.

Мацалада эр тyрлi суйыцтыцтардыц ультраагынды вцдеудщ физика-технологиялъщ мyмкmдiктерi кврсетшген. Осы топтыц технологияларыныц жогары инновациялыц-физикалыц потенциалын ашатын, конструкторлыц-технологиялыц шешiмдерi усынылган.

The article shows the рhysical-technological possibilities of ultrastream treatment of different liquids. The structural-technological solutions, exposing high innovative physical potential of this group of technologies are offered.