Ультразвук и  вода

Рис. 1 Образование и схлопывание кавитационного пузырька

Ультразвук  (УЗ) по природе не отличается от обычного звука, но порождается  колебаниями в диапазоне частот (20 – 160 кГц),  которые не воспринимаются человеческим слухом. Высокая частота УЗ волн и особенности  их распространения в водной среде создают перспективы для создания эффективных методов в областях водоочистки, обеззараживания, водоподготовки, а также учёта расхода воды.

Уникальные свойства ультразвука при его распространении в жидкостях проявляются в дисперсии (рассеивании) звуковой волны, а также в образовании зон разряжений и уплотнений, образующих своеобразную дифракционную картину. Ещё одна важная особенность ультразвука – высокая скорость колебаний при небольших амплитудах.  Поэтому поток энергии, распространяющийся УЗ волнами, обладает высокой плотностью и вызывает кавитацию – возникновение в среде распространения парогазовых микрополостей (пузырьков газа) и последующее их схлопывание в фазу сжатия. Микровзрывы кавитационных каверн сопровождаются гидродинамическими возмущениями в виде микроударных волн, кумулятивных струек и микропотоков жидкости, возникновением гидравлических ударов и образованием новых газовых пузырьков. В воде кавитация под действием УЗ наступает при частоте колебаний 20 кГц и плотности потока энергии 0,3 Вт/см².

Получение ультразвука

Ультразвук для применения в водных технологиях генерируют с помощью преобразователей электрических колебаний в механические – т.н..электроакустических преобразователей. Большинство из них работает по принципу преобразования электрической энергии в колебания какого-либо твёрдого тела (пластинки, стержня, диафрагмы и др.), колебания которого в свою очередь вызывают образование акустической (ультразвуковой) волны. Среди них выделяют магнитострикционные, электродинамические, электромагнитные и электростатические излучатели УЗ волн..

Магнитострикционные электрические излучатели представляют собой цилиндрические или кольцевые сердечники, изготовленные из никеля, ферритов и других сплавов, с обмоткой, через которую пропускается переменный электрический ток определенной частоты, их используют для получения низкочастотных колебаний.

Получение ультразвука средней и высокой частоты производится, главным образом, за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта: колебания генерируются пластинами из специальных материалов (кристаллы кварца, ниобата лития и дигидрофосфата калия), на которые воздействует переменное электрическое поле.

Рис. 2 Пьезоэлектрический электроакустический ультразвуковой преобразователь

Во всех видах излучателей, для увеличения интенсивности излучения,  применяют ультразвуковую фокусировку, а для повышения амплитуды – концентраторы излучения.

Возможно получение УЗ и с помощью механических излучателей, но они обладают невысоким КПД и генерируют колебания в широком спектре излучаемых частот, что ограничивает область их применения.

Для получения монохроматических волн (с определённой частотой) в электрических преобразователях используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь.

Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука относительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости.

Удаление примесей

Кавитация, вызываемая УЗ, используется для удаления из воды примесей железа, марганца, а также растворенных газов. Для этого применяется ультразвуковой генератор, выполненный в виде эжектора. При пропускании воды через эжектор создаётся паровоздушная смесь со скоростью течения, превышающей звуковой барьер. При этом вызывается кавитация с дроблением воды на пузырьки субмикронных размеров. В таких условиях резко уменьшается время присутствующего в воде двухвалентного железа до трёхвалентной формы, которая выпадает в осадок, а также окисляются примеси марганца.

Скорость звука в паро-воздушной среде значительно снижается (до 27 м/с) и сверхзвуковые скорости могут быть достигнуты в эжекторе при невысоком давлении (2,5 – 3 атм) в водонапорной линии.

Удаление минеральных отложений

На контактирующих с водной средой твёрдых поверхностях часто образуются минеральные отложения, закупоривающие трубопроводы или затрудняющие теплоотдачу с поверхностей теплообмена. Очистка от этих отложений – трудоёмкий процесс. Ультразвуковое воздействие позволяет упростить процедуру очистки. Обработка воды ультразвуком предотвращает рост кристаллов нерастворимых солей до размеров, необходимых для их выпадения в осадок. Этот процесс тоже осуществляется благодаря кавитации. Выпадение минеральных веществ в виде нерастворимого осадка происходит вокруг множества кавитационных пузырьков как возможных центров кристаллизации. При этом минеральные отложения не группируются на твёрдых поверхностях, а образуют мелкодисперсный шлам, находящийся во взвешенном состоянии за счёт колебаний приобретённых твёрдыми поверхностями при распространении ультразвука.

Обеззараживание воды

Обеззараживание воды ультразвуком тоже основано на использовании явления кавитации.  При больших интенсивностях ультразвук подавляет и разрушает микроорганизмы. Длительная обработка воды ультразвуком большой мощности приводит к обеззараживанию. Возникающие при схлопывании кавитационных пузырьков ударные волны, характеризующиеся импульсным давлением до нескольких тысяч атмосфер и высокой температурой, разрушают встречающиеся  на своем пути препятствия, в том числе клеточные стенки бактерий и других микроорганизмов, вирусы.

Для эффективного обеззараживания воды необходима интенсивность УЗ более 2 Вт/см2 при частоте 20−50 кГц. Исследования УЗ обеззараживания сточной воды показали, что для уменьшения e-coli, или фекальных колиформ, на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение
60 мин при плотности УЗ мощности 400 Вт/л. Аналогичный эффект обеззараживания  ультрафиолетовым  (УФ)  облучением требует значительно меньших энергозатрат, поэтому обработка воды ультразвуком для достижения данной цели в промышленных масштабах мало перспективна. Кроме того, не стандартизированы такие параметры как зависимость степени инактивации от мощности УЗ воздействия для различных групп микроорганизмов и условия, при которых обеспечивается эффективное обеззараживание УЗ обработкой, не определены критерии и способы контроля эффективности метода.

Однако свои достоинства у технологии обеззараживания воды ультразвуком всё-таки есть. Прежде всего, важно то что эффективность этого обеззараживания  не зависит от мутности воды и цветности, тогда как на эффективности УФ- обработки повышенная мутность сказывается отрицательно. В том числе на эффективность действия УФ-обработки отрицательно сказывается присутствие в воде ионов двухвалентного железа и марганца, а обработка УЗ способствует их элиминации.

Рис. 3 Установка обеззаразживания воды «Лазурь 250 М»

С этой токи зрения возможно комбинированное воздействие УФ и УЗ для повышения эффективности обеззараживания воды. Этот принцип, в частности, реализован в установках для обеззараживания воды «Лазурь-М» производства компании «Сварог», в которых ультрафиолетовое излучение с длиной волны 253,7 нм и 185 нм воздействует на воду в комбинации  с ультразвуковыми волнами.

Кроме того,УЗ обработка воды повышает при обеззараживании воды эффективность хлорирования, озонирования или использования химических веществ, таких как перекись водорода Н2О2 или диоксид титана TiO2. Вероятными механизмами УЗ воздействия в данном случае являются разрушение взвешенных частиц, доставка новых порций окислителя в частицы, перемешивание воды у поверхности кристаллов TiO2 и повреждение микроорганизмов при возникновении кавитации, что уменьшает их сопротивляемость по отношению к окислителям. Всё это делает перспективным создание комбинированных методов обработки воды ультразвуком с другими обеззараживающими воздействиями.

Ультразвук для малых расходов

Кроме всего вышесказанного ультразвук успешно используется в сфере учёта расхода воды. Принцип действия ультразвукового водосчётчика заключается в измерении времени распространения ультразвукового сигнала «по» и «против» потока жидкости. Возникающая при этом разность времени, пропорциональная скорости жидкости, преобразуется с помощью микропроцессорного устройства в измеряемый расход и объем. Конструктивно такой счетчик состоит из электронного блока и первичного преобразователя, которые могут быть совмещены друг с другом или удалены на достаточно большое (100–150 м) расстояние.

Рис. 4 Ультразвуковой расходомер воды

В зависимости от конструкции первичного преобразователя водосчетчик может быть полнопроходным (одно- и двухлучевой), осевого типа, с формирователем потока (одно- и двухлучевой).

Преимущество  использования ультразвуковой технологии в том, что она позволяет вести точный учёт при небольших расходах воды. Это очень важно для прменения в бытовом секторе. Ведь водосчетчики, начинающие работать при расходах 15–20 л/ч, часто не регистрируют незначительные утечки в кранах и туалетных бачках. А некоторые модели ультразвуковых счетчиков начинают измерять расход с 1–2 л/ч.

Плюсом ультразвуковой технологии является и то, что отсутствие движущихся частей в ультразвуковом счетчике делает его неподверженным механическому износу: прибор можно устанавливать без учета конструкции трубопроводной системы, он нечувствителен к содержащимся в воде грязи и частицам, которые негативно сказываются на функционировании традиционных механических водосчетчиков. Исследования, проведённые в том числе в  Дании и Германии, где УЗ-технология успешно применяется как для учёта расхода горячей и холодной воды, так и для учёта расхода тепловой энергии в теплосчётчиках, показали, что точность измерений с помощью УЗ приборов учёта сохраняется стабильной на протяжении всего жизненного цикла изделия.