Читать книгу Сборник авторских физико-технических идей и решений в области фильтрации и разделения потоков и материалов в технических системах - Группа авторов - Страница 3

Центробежная сепарация является одним из наиболее широко применяемых методов очистки растворов, эмульсий, суспензий и других неоднородных жидких сред. Она основана на различии плотностей частиц и носителя, создающем разграничение компонентов за счёт действия центробежной силы во вращающихся потоках. Однако при переходе к очистке сверхтонких частиц (например, бактерий, вирусов, коллоидов) эффективность таких методов резко снижается из-за ограниченных перегрузок, создаваемых в жидкости.

Целью данной работы является количественная оценка сил, действующих на микроорганизмы в турбулентно-вихревом водяном потоке, и поиск альтернативных подходов к улучшению качества разделения при технологических ограничениях на скорость вращения жидкости.

Теоретическая модель завихрения

В качестве объекта исследования рассмотрен простой вертикальный цилиндрический завихритель, внутри которого вода вращается вокруг вертикальной оси за счёт механического вращения дна – см. рис. 1 (модель завихрителя).

Рис. № 1. Модель завихрителя

Центробежная сила F, действующая на частицу массой m, находящуюся на радиусе R от оси вращения, описывается классической формулой:

F = m × (2пиf)2 × R

Где:

– F – центробежная сила (в ньютонах, Н),

– m – масса частицы (в килограммах, кг),

– f – частота вращения (в оборотах в секунду),

– пи – число Пи = 3,14,

– R – радиус вращения (в метрах, м).

Для частицы биологического происхождения (например, бактерии):

Усреднённый размер бактерий имеет массу 5х10-13 грамма.), радиус завихрителя – 0,035 метра.

Рассчитанные значения центробежной силы F и перегрузки (отношения F к гравитационной силе веса – mg) сведены в таблицу 1.

Результаты расчётов

Таблица 1 – Центробежные силы и перегрузки, действующие на микрочастицу при различных частотах вращения:

Однако максимальные реальные скорости вращения жидкости в подобной конструкции ограничены физическими свойствами – в частности, вязкостью и возникновением кавитации. В режиме близком к турбулентному предельными считаются частоты вращения до 100 об/с, при этом соответствующая перегрузка – лишь 14 g. Это значение схоже с предельно допустимыми перегрузками для подготовленных лётчиков, однако крайне ограничено для целей эффективной фильтрации бактерий или вирусов.

Оценка предельных возможностей механической фильтрации

Согласно данным гидромеханики, устойчивое вращение жидкой среды в классических условиях не способно превышать скорости порядка 100–150 об/с без разрушения потока и потери устойчивости. Дальнейшее увеличение частоты приводит к кавитации, замыливанию потока, резкому росту сопротивления и механическим разрушениям.

Таким образом, попытки улучшить эффективность микрофильтрации исключительно за счёт повышения механических скоростей завихрителей приходят к физическому и технологическому пределу. Более того, сверхточная сепарация требует перегрузок, превышающих 10(4)–10(6) раз вес микрочастицы, недостижимых при текущих режимах.

Альтернатива: волновое возбуждение среды

Для преодоления указанных ограничений целесообразно применение принципиально иных методов возбуждения движений и перераспределения микрочастиц – в частности, волновых.

В их основе могут лежать разные физические механизмы:

– акустические колебания (ультразвук);

– вибрационные поля (электромеханическая модуляция гидропотока);

– электромагнитное/электрогидравлическое возбуждение кавитации;

– стоячие волны в ограниченных средах и объёмах жидкости.

Такие методы обеспечивают локальные колебания давления, смещения потока, явления резонанса и самофокусировки, создавая мгновенные имитации перегрузок на порядки выше гравитационных. При этом реального механического вращения или необходимости в массивных роторах не требуется.

На практике волновые методы успешно применяются для:

– коагуляции и агрегации микрочастиц;

– разрушения бактериальных стенок (ультразвучное стерилизующее действие);

– возбуждения кавитации и дегазации жидкостей;

– ускоренной фильтрации и декантации при стоячих акустических волнах.

Компактность, гибкость управления и экономичность делают волновые методы перспективными для медицинских, пищевых, химических и промышленных технологий обратного осмоса, мембранной фильтрации и очистки сточных вод.

Заключение

Проведённый теоретический и расчетный анализ показал, что возможности механической центробежной фильтрации микрочастиц в жидкой среде с учётом практических ограничений скорости вращения потока исчерпаны уже на уровне 100 оборотов в секунду, что даёт перегрузку порядка 14 g. Этого недостаточно для эффективной сепарации объектов размера порядка 1–5 микрон (бактерии, споры, белковые молекулы).

Единственно реалистичным направлением повышения эффективности жидкостной сепарации микрочастиц является переход к волновым методам возбуждения среды. Такие методы дают кратковременные локальные ускорения, значительно превышающие центробежные, и могут быть реализованы в компактных и энергоэффективных устройствах, не требующих сложной механики. Переход к ним представляет собой следующую ступень эволюции фильтрационных технологий в условиях ужесточающихся требований к качеству разделения.