Материалы международной конференции "УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ - 2000",
Архангельск, 27-30 сентября, 2000 г, Тезисы докладов. Северодвинск 2000 г.
Сербин В.В.
В химических технологиях всё больше используются ультразвуковые методы интенсификации химческих процессов.(привести примеры) Однако отсутствие информации о процессах, происходящих вовремя воздействия ультразвука на реагенты и отсутствие оценки энергии, выделевшейся или поглотившейся в процессе реакции не позволяют управлять реакцией в процессе синтеза. Сегодня мы оцениваем продукты учавствующие в реакции до и после воздействия ультразвука, но не можем проследить ход реакции в момент воздействия ультразвука и оценить количество энергии затраченное на саму звукохимическую реакцию Еха.
Автором была предложена конструкция калориметра см. рис.1. на которой были сделаны попытки исследовать возможность измерения Еха для различных газов, растворённых в воде, а так же параметры самой установки т.к. подобного опыта в мировой практике не было (Сербин В.В. и др. Калориметрическая установка для определения химикоакустического КПД в водных и не водных системах. Доклад на конф. “Кавитация-85”. Славское, 1985г.)
Рис.1.
В результате длительных исследований был выявлен ряд непреодолимых недостатаков в этой конструкции. Достоинством дифференциальной схемы является возможность измерять слабые сигналы на фоне мощных шумов, но это налагает особые жёсткие требования к балансировке такой такой схемы т.е. к стабильности воспризведения базовой линии. В данной конструкции это оказалось недостижимым. Как выяснилось, при работе пьезокерамика греется и частота уходит. Так как каждый раз излучатели уходят по частоте не пресказуемо, то процес становится неуправляемым. Предполагалось, что сигнал будет 10 – 15 мкВ, а базоая линия за 10 – 30 сек. работы излучателей уходила на 100 – 150мкВ. как в плюс так и в минус. Попытки увеличить стабильность генератора и усилителя ни к чему не привели. Схема регистрации на термопарах, расположенных равномерно по объёму ячейки,тоже не выдержала длительной работы. Первоначально термопары не были остеклованы и регистрировали помимо теплоты электрические разряды возникавшие при кавитации. Остекловка термопар разрушалась под действием кавитации. Каждый пъезоэлемент, как выяснилось, имеет свою диаграмму направлености излучения, к томуже колеблющуюся произвольно, это накладывало дополнительную не стабильность.Кроме того ячейки после каждого эксперимента снимаются для смены жидкости, параметры которой изменились во время облучения. После установки на место диаграмма направленности тоже может быть смещена. Кроме того на нестабильность илучения сказывается необходимость снятия и постановка излучателей при поломках. Попытки имерения теплот в реальной системе газ – вода не дали положительных воспоизводимых результатов. На основании проведённых исследований были внесены коренные изменения в конструкцию калориметра. Новая конструкция изображена на рис.2.
Рис.2.
За основу взят стандартный ултразвуковой генератор УЗДН-2Т. Для повышения стабильности частоты в качестве задающего генератора поставлен прецизионный генератор Г3-110, позволяющий дискретно выставлять частоту с точностью 0.01Гц. Специально расчитанный излучатель позволил решить главную задачу – ввод мощности от одной колебательной системы в две ячейки. Из-за нехватки места пришлось избавиться от мешалки.
В калориметрическом гнезде 9, выточенном из латуни, на крышке 10, выточенной из фторопласта, закркплены две тонкостенные идентичные ячейки 3. Ячейки выточены из латуни, толщина стенок 0.3мм. Для регистрации теплоты, вместо батареи термопар бифилярно намотаны термопары сопротивления 2 медным проводом 0.03. Термометры сопротивления включены в плечи моста, элементы которого 6 тоже расположены на крышке 10 внутри калориметрического гнезда, что значительно повысило стабильность базовой линии. Мост запитан от специально изготовленого высокостабильного блока питания БП. Для калибровки по току в ячейки встроены нагреватели 4, питаемые от блока Б5-44, ток регистрируется цифровым амперметром В7-22А. Время измеряется частотомером-хронометром Ч3-57 с точностью до 1мксек. Включение и выключение системы производилось с помощью рэле времени. Калориметрическое гнездо погружалось в термостат U-10 в котором поддерживалась температура 25±0.05ºС. Для насыщения жидкости газом в ячейки введены капиляры 8. Сигнал регистрировался через усилитель Ф-136 на духперьевом самописце КСП-4. Для полной гарантии, что в ячейке кавитационный режим, регистрировался и анализировался кавитационный шум. Для этого к дну ячеек прикреплены микрофоны 5, сигнал от которых через усилитель В6-9 подавался на Ф-136 и далее на второе перо самописца. С В6-9 сигнал также подавался на анализатор спектра СК4-54 и фотографировался. Желаемый результат был достигнут. При озвучивании одинаковых количеств воды в дух ячейках в течении 60 сек. базовая линия колеблется возле базовой линии см.рис. 3. После выключения ультразвука остыване происходит также синхронно, что показывает на хорошую сбалансированность системы. В схеме также предусмотрено измерение имзмерение скорости звука в процессе реакции. При Sизлучателя = 0.2см2, Wизлучателя = 6Вт, Vраствора = 23см3 полный тепловой эффект, пропорциональный площади под кривой для воды, насыщенной разными газами, приведён в таблице.
Следует отметить, что после насыщения воды СО2 и облучения образца ультразвуком на поверхности воды обнаружилась балёсая плёнка, которая полностьюпокрывала поверхность отстенки латунной ячейки до излучателя. Вечщество похоже на парафин. Очевидно, в насыщенной СО2 воде под действием ультразука и в присутствии окисленных медьсодержащих сплавов, имеет место реакция образования углеводородов, аналогичная проведённой авторами (О синтетической нефти из углекислого газа и воды. Я.М.Паушкин, М.А.Кошевник, Г.П.Лебедева. Дклады Академии Наук, 1993, том329, №1) механохимической реакции синтеза углеводородов на медном катализаторе.
В связи с возникшими трудностями продолжить работу в данной области автору не представляется возможным. Рекомендую желающим продолжить исследования в следующем направлении. Надо построить горизонтальный калориметр. См. рис.4.
Рис.4.
Модель такого калориметра была построена для проверки принципиальной возможности работы схемы. Калориметр был собран на базе демонстрационного ультразвукового генератора с рабочей частотой f=2.5мГц с позрачными ячейками и фокусирующими линзами 2, встроенными в дно. Термометры сопротивления 4 намотаны на ячейки проводом 0.07. В качестве излучателя использовалась пьезокерамика 3. Измерительный мост 5 помещён в термостат 1 для улучшения стабильности измерений.
В горизонтальной установке проводились качественные цветные реакции, которые протекают только в ультразвуковом поле в присутствии кавитации. Изменеие цвета раствора то в левой то в правой ячейке доказывает возможность измерения по такой схеме. Данная схема позволит провести измерения на разных частотах. Простота изменения частоты в замене пьезокеремического излучателя.
