Примеры работы Консультанта

Концепт-проект

Цель разработки: удалить из жидкости - пузырьки - газ

Содержание

Разработка концепции

Выбранные концепции:

1. Фильтрация отделяет пузырьки газа от потока жидкости

2. Ударные волны уменьшают концентрацию пузырьков газа в жидкости

Базовые эффекты:

> Пористое тело фильтрует суспензию или аэрозоль

> Ударная волна увеличивает растворимость пузырьков газа в жидкости

Разработка концепций

Цель разработки: "удалить из жидкости - пузырьки - газ"

Выбранные концепции

1. Фильтрация отделяет пузырьки газа от потока жидкости

Переход

Данная концепция позволяет достичь поставленную цель потому, что:

'удалить с жидкости - пузырьки - газ' - тоже самое, что 'очистить от пузырьков - жидкость'

Синоним: пузырьковый фильтр

Описание

Жидкость, содержащую пузырьки газа, прокачивают через фильтр с диаметром отверстий около 30 мкм.

Фильтр задерживает пузырьки газа, диаметр которых больше диаметра отверстий фильтра (фильтрация).

В результате из фильтра вытекает поток частично очищенной жидкости, содержащий пузырьки, диаметр которых меньше диаметра отверстий фильтра.

Пузырьки газа, не прошедшие через фильтр, поднимаются вверх по трубе и выводятся из потока жидкости.

Патенты

> Фильтрация отделяет пузырьки воздуха от потока бензина, поступающего в автомобильный двигатель.

U.S. Patent 5,018,502; May 28, 1991; “Apparatus for the degassing of fuel”.

Базовые эффекты

> Пористое тело фильтрует суспензию или аэрозоль

2. Ударные волны уменьшают концентрацию пузырьков газа в жидкости

Переход

Данная концепция позволяет достичь поставленную цель потому, что:

'удалить с жидкости - пузырьки - газ' - тоже самое, что 'очистить от пузырьков - жидкость' –> вместо того, чтобы 'очистить от пузырьков - жидкость' можно 'уменьшить - концентрация - пузырьки - газ'

Описание

В пузырьковой жидкости создают последовательность ударных волн.

В результате большая часть пузырьков газа растворяется в жидкости (ударное растворение пузырьков).

Достоинство

• Высокая скорость снижения концентрации пузырьков газа в жидкости.

Недостаток

• Диаметр пузырьков газа должен быть меньше 10^-5 м.
• Вредное воздействие на элементы конструкции и окружающую среду ударных волн.

Примеры

Ударная волна удаляет пузырьки газа из жидкости сцинтиллятора, что повышает его светимость на 30%.

Базовые эффекты

> Ударная волна увеличивает растворимость пузырьков газа в жидкости

Базовые эффекты

1. Ударная волна увеличивает растворимость пузырьков газа в жидкости

Повышение давления жидкости в слое, образованном ударной волной, увеличивает растворимость газа.

Синоним: ударное растворение пузырьков

Условия реализации

Диаметр пузырька должен быть меньше 10^-5 м.

Показатели эффекта

Кратность уменьшения концентрации пузырьков газа в жидкости после прохождения одной ударной волны: до 1.5 раз.

Объяснение

Кратко

Ударная волна распространяется в жидкости с пузырьками.
Ударная волна создаёт в жидкости слой высокого давления.
Силы давления сжимают пузырёк газа.
С увеличением давления растворимость газа в жидкости увеличивается.
Пузырек газа растворяется в жидкости.

Подробно

В объеме жидкости хаотично распределены пузырьки газа диаметром несколько микрон. Если через объем жидкости пропустить ударную волну, то концентрация пузырьков газа в жидкости резко уменьшается. Данное явление можно назвать ударным растворением пузырьков газа.

Ударная волна представляет собой область высокого давления (сжатия), которая распространяется в объеме жидкости со сверхзвуковой скоростью. В ударной волне происходит резкое увеличение (скачок) давления жидкости. Высокое давление в тонком слое жидкости быстро сжимает пузырьки газа. Давление газа в пузырьке резко увеличивается.

Согласно термодинамическому принципу Ле Шателье - Брауна, равновесная концентрация газа в жидкости зависит от его давления. Чем больше давление газа, контактирующего с жидкостью, тем выше его концентрация в жидкости. Иными словами, растворимость газа в жидкости увеличивается с ростом его давления. Поэтому, при сжатии пузырьков, находящийся в них газ быстро растворяется в жидкости [абсорбция]. В результате объем пузырьков газа либо уменьшается, либо они полностью растворяются в жидкости и исчезают.

После прохождения ударной волны через жидкость газ остаётся в ней растворённом состоянии. Поэтому для дальнейшего снижения концентрации пузырьков газа через жидкость надо пропустить последовательно несколько ударных волн.

Расчетные модели

k - кратность уменьшения концентрации пузырьков газа в жидкости после прохождения ударной волны

n - концентрация пузырьков газа в жидкости после прохождения через неё ударной волны, 1/м³

n₀ - начальная (до прохождения ударной волны) концентрация пузырьков газа в жидкости, 1/м³

P - давление жидкости в слое ударной волны, Па (Паскаль)

P₀ - давление в жидкости, Па

V - скорость ударной волны в жидкости, м/с

ρ - плотность жидкости, кг/м³

Пример расчёта

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
k		-	-	1.22
P	Па	105	10>8	107
P0	Па	105	106	105
V	м/с	2 · 103	4.6 · 103	2.5 · 103
ρ	кг/м3	0.7 · 103	13.5 · 103	103

*Для воды.

Свойства

Плотность ρ и скорость V ударной волны для некоторых жидкостей

Жидкость	ρ, 103 кг/м3	V, 103 м/с
Вода	1.0	2.5
Ацетон	0.79	2
Бензин	0.7	2.2
Керосин	0.82	2.2
Ртуть	13.5	2.4
Галлий	6.1	4.6
Свинец (590 K)	10.65	3.1
Серебро (1230 K)	9.5	4.6

Применение

• Ударная волна уменьшает концентрацию пузырьков газа в жидкости

  > Скачок давления от удара пара о стенку гидравлической системы двигателя подавляет пузырьки пара в жидкости этой системы.

  U.S. Patent 5,802,848; Sep. 8, 1998; "Hydraulic system for motor vehicle".

• Ударная волна увеличивает растворимость газа в жидкости

  > Ударная волна увеличивает растворимость газа в жидкости сцинтиллятора, повышая его светимость на 30%.

Разделы науки: гидроаэродинамика, физика газов и жидкостей

Литература

Покровский В.П. Гидродинамические механизмы. Москва, Наука, 1972.

Pain, H.J. The physics of vibrations and waves. London, John Wiley and Sons, Ltd., 1976.

2. Пористое тело фильтрует суспензию или аэрозоль

Крупные частицы не могут пройти через поры и остаются на поверхности пористого тела.

Синонимы: фильтрация

Условия реализации

• Суспензия (аэрозоль) должен прокачиваться через пористое тело.

• Средний размер пор должен быть меньше среднего размера дисперсных частиц суспензии.

• Тело должно иметь сквозные поры.

Показатели эффекта

Удельный массовый расход при фильтрации дисперсной системы: до 10 кг/(с·м²).

Объяснение

Кратко

В суспензии (аэрозоле) создана разность давления.
Под действием разности давления жидкая основа суспензии течёт через поры тела.
Поток жидкой основы увлекает за собой дисперсные частицы (далее частицы).
Крупные частицы не могут пройти через поры и остаются на поверхности пористого тела, образуя осадок.
Мелкие частицы попадают в поры.
Часть мелких частиц застревает в порах.
Самые мелкие частицы проходят через пористое тело и вытекают из него вместе жидкой основой суспензии.

Подробно

В суспензии (аэрозоле) создана разность давления. Под действием разности давления суспензия течёт через тело, имеющего сквозные поры. Средний размер пор в этом теле значительно меньше среднего размера дисперсных частиц. В результате большая часть дисперсных частиц суспензии остается на поверхности пористого тела, образуя рыхлый осадок. Остальные дисперсные частицы застревают в порах или вместе жидкой основой суспензии вытекает из пористого тела. Данное явление называется фильтрацией.

Обычно размер дисперсных частиц (далее частиц) имеет очень большой разброс. Среди них могут быть частицы, размер которых как больше, так и меньше среднего размера пор тела.

Под действием разности давления жидкая основа суспензии течёт через поры тела. За чёт действия сил вязкого трения поток жидкой основы увлекает за собой частицы. Вместе жидкой основой частицы попадают на поверхность пористого тела. Поэтому крупные частицы не могут пройти через поры и остаются на поверхности пористого тела. За счет действия силы тяжести эти частицы смыкают друг другу, образуя пористый осадок.

Более мелкие частицы попадают в поры, и перемещается через них вместе с жидкой основой суспензии. Часть из этих частиц застревает в порах, а самые мелкие проходят через пористое тело и вытекают из него вместе жидкой основой суспензии.

При течении суспензии через пористое тело взаимодействие её дисперсных частиц и пор носит вероятностный характер. Поэтому существует вероятность того, что дисперсная частица, размер которой больше среднего размера пор, пройдет через пористое тело. Следовательно, после фильтрации в жидкой основе суспензии будет присутствовать небольшое количество дисперсных частиц различного размера.

По мере фильтрации на поверхности пористого тела накапливается осадок. Кроме того, мелкие частицы перекрывают поры. Поэтому с течением времени скорость фильтрации постепенно снижает. Возможна ситуация, когда все поры тела будут перекрыты частицами. После этого фильтрация суспензии через пористое тело полностью прекращается.

Расчетные модели

G - массовый расход суспензии (аэрозоля), прокачиваемый через пористое тело, кг/с

ρ - плотность суспензии, кг/м³

ΔP - разность давлений по обе стороны пористого тела, Па

S - площадь поперечного сечения потока суспензии через пористое тело, м²

d - средний диаметр пор пористого тела, м

ε - пористость пористого тела

η - динамическая вязкость жидкой основы суспензии, Па·с

n - концентрация дисперсных частиц, 1/м³

L - толщина пористого тела по направлению течения суспензии, м

t - время прокачки суспензии, с

Примечание.
Пористостью тела называется отношение объема, занимаемого порами, к полному объему тела.

Пример расчета

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
G	кг/с	-	-	0.02
ρ	кг/м3	0.0899	13.55 · 103	103
ΔP	Па	0	106	5 · 105
S	м2	0	100	10-2
d	м	10-7	10-3	10-5
ε		0	1	0.3
η	Па·с	0.84 · 10-5	1.37	1.05 · 10-3
n	1/м3	103	109	107
L	м	0	10	10-2
t	с	0	106	60

*Для суспензии на основе воды.

Свойства

Плотность ρ, и динамическая вязкость η жидкостей и газов при нормальных условиях

Жидкость	ρ, 103 кг/м3	η, 10-3 Па·с
Ацетон	0.79	0.33
Бензол	0.879	0.67
Бром	3.12	1.02
Вода	1.00	1.05
Глицерин	1.26	1367
Масло машинное	0.9	113 … 660
Ртуть	13.55	1.59
Спирт этиловый	0.79	1.22

Газ	ρ, кг/м3	η, 105 Па·с
Азот, N2	1.251	1.67
Аммиак, NH3	0.771	0.93
Аргон	1.783	2.27 2)
Водород, H2	0.0899	0.84
Воздух (0°С)	1.293	1.72
Гелий	0.178	1.89
Двуокись углерода	1.977	1.40
Кислород, O2	1.429	1.92
Ксенон	5.8971	2.33 2)
Неон	0.900	3.17 2)
Окись углерода	1.25	1.67
Хлор, Cl2	3.22	1.29

Источники.

1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, Наука, 1976, с. 38, 40, 56.

2. Физические величины. Под редакцией И.С. Григорьева и Е.С. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991, с. 364 - 367.

Применение

• Фильтрация очищает загрязнённую жидкость и газ

  > Фильтрация очищает загрязнённое машинное масло для повторного использования.

  U.S. Patent 5,510,023; Apr. 23, 1996; “Oil recycling apparatus with a recirculating filtration line”.

  > Фильтрация очищает загрязнённую воду для повторного использования.

  U.S. Patent 5,556,535; Sep. 17, 1996; “Filtration system for recycling water used in a car wash”.

  U.S. Patent 5,254,246; Oct. 19, 1993; “Water reclamation system”.

  > Фильтрация очищает хладагент от водяного пара.

  U.S. Patent. 5,435,153; Jul. 25, 1995; “Receiver/drier”.

• Фильтрация отделяет пузырьки газа от потока жидкости

  > Фильтрация отделяет пузырьки воздуха от потока бензина, поступающего в автомобильный двигатель.

  U.S. Patent 5,018,502; May 28, 1991; “Apparatus for the degassing of fuel”.

• Фильтрация отделяет дисперсные частицы от потока аэрозоля и суспензии

Разделы науки: гидродинамика многофазных жидкостей, геология, физическая химия

Литература

Кочина Н.Н., Кочина П.Я., Николаевский В.Н. Мир подземных жидкостей. Москва, ИФЗ, 1994.

Басниев К.С., Власов А.М., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидравлика. Москва, Недра, 1986.

Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. Москва, Недра, 1984.

Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. Москва, Наука, 1977.

Чарный И.А. Основы подземной гидравлики. Москва, Гостоптехиздат, 1956.

Adamson, Arthur W. Physical Chemistry of surfaces. 3 ed. N. Y.: Wiley, 1975.

Концепт-проект

Цель разработки: регулировать - зазор

Содержание

Разработка концепции

Выбранные концепции:

1. Изменение напряженности магнитного поля регулирует зазор между ферромагнетиком и телом

2. Изменение напряженности электрического поля регулирует зазор между пьезоэлектриком и телом

3. Тепловое расширение регулирует зазор между телом и неподвижной стенкой

Базовые эффекты:

> Магнитное поле деформирует магнетик

> Нагрев вызывает расширение конденсированного тела

> Электрическое поле деформирует пьезоэлектрик

Разработка концепций

Цель разработки: "регулировать - зазор"

Выбранные концепции

1. Изменение напряженности магнитного поля регулирует зазор между ферромагнетиком и телом

Описание

Ферромагнетик и тело расположены по отношению друг к другу с зазором.

На ферромагнетик воздействуют магнитным полем.

Размер ферромагнетика изменяется (магнитострикция), что приводит к изменению величины зазора.

Это позволяет регулировать величину зазора между ферромагнетиком и телом, изменяя напряженность магнитного поля.

Патенты

> Изменение напряженности магнитного поля регулирует зазор между магнитной головкой и магнитным носителем.

СССР, А.С. 517 927.

Базовые эффекты

> Магнитное поле деформирует магнетик

2. Изменение напряженности электрического поля регулирует зазор между пьезоэлектриком и телом

Описание

Пьезоэлектрик и тело расположены по отношению друг к другу с зазором.

На пьезоэлектрик воздействуют постоянным электрическим полем.

Размер пьезоэлектрик изменяется (обратный пьезоэффект), что приводит к изменению величины зазора.

Это позволяет регулировать зазор между пьезоэлектрик и телом, изменяя напряженность электрического поля.

Патенты

> Изменение размера пьезоэлектрика меняет расстояние между зондом туннельного микроскопа и исследуемой поверхностью.

Binning, G., and H. Rohrer. Scanning Tunneling Microscopy - from Birth to Adolescence. Stockholm: The Nobel Foundation, 1987.

Базовые эффекты

> Электрическое поле деформирует пьезоэлектрик

3. Тепловое расширение регулирует зазор между телом и неподвижной стенкой

Описание

Тело расположено по отношению к неподвижной стенке с зазором.

На тело нагревают или охлаждают.

Размер тела изменяется (тепловое расширение), что приводит к изменению зазора.

Это позволяет регулировать зазор между телом и неподвижной стенкой, изменяя температуру тела.

Патенты

> Тепловое расширение регулирует зазор в тепловом диоде.

СССР, А.С. № 518 314;.

> Тепловое расширение огнезащитной заглушки полностью перекрывает пространство между кабелем и стенкой кабельной трубы.

U.S. Patent 4,756,945; Jul. 12, 1988; “Heat expandable fireproof and flame retardant construction product”.

> Тепловое расширение линзы компенсирует тепловое расширение ее цилиндрического держателя.

U.S. Patent 4,855,987; Aug. 08, 1989; “Optical device comprising a holder accommodating an optical system which compensates for thermal expansion/contraction”.

Базовые эффекты

> Нагрев вызывает расширение конденсированного тела

Базовые эффекты

1. Магнитное поле деформирует магнетик

Магнитное поле изменяет равновесное расстояние между атомами кристаллической решетки ферромагнетика.

Синонимы: магнитострикция, гигантская магнитострикция

Условия реализации

• Магнетик должен быть свободен от механических связей.

• Напряженность магнитного поля должна быть меньше напряженности насыщения.

Показатели эффекта

Относительного удлинения магнетика под действием магнитного поля: до 0.022 (для тербия при температуре 4.2 К).

Объяснение

Кратко

На ферромагнетик действует магнитное поле.

Напряженность магнитного поля увеличивается.

Границы между доменами ферромагнетика смещаются, а их магнитные моменты поворачиваются по полю.

Равновесные расстояния между атомами кристаллической решетки ферромагнетика изменяются.

Кристаллическая решетка ферромагнетика деформируется.

Подробно

На твердый магнетик, свободный от механических связей, действует магнитное поле. В результате магнетик деформируется, его форма и размеры изменяются. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше деформация. Данное явление называется магнитострикцией. Оно было открыто в 19 веке Дж. П. Джоулем при исследовании поведения железа в магнитном поле.

Явление магнитострикции свойственно всем твердым вещества как сильномагнитным (ферро-, ферри- и антиферромагнетикам), так и слабомагнитным (диа- и парамагнетикам). Магнитострикция характеризуется относительным удлинением ΔL/L₀, где ΔL - удлинение вещества под действием магнитного поля, L₀ - исходная длина вещества. Относительным удлинением сильномагнитных веществ за счет магнитострикции достигает значения порядка 10^-5·10^-2. У большинства диа- и парамагнетиков эта величина мала: порядка 10^-7·10^-5. Однако имеются исключения: относительное удлинение висмута и редкоземельные парамагнетики при магнитострикции достигает порядка 10^-4.

В зависимости от направления измерения отличают продольную и поперечную магнитострикцию. Первую из них измеряют вдоль направления действующего магнитного поля, а вторую поперек.

Для металлов и большинства сплавов при напряженности магнитного поля меньше напряженности насыщения намагниченности (H_s)_­ продольная и поперечная магнитострикции имеют разные знаки. Причем величина поперечной магнитострикции меньше, чем продольной.

Величина и знак магнитострикции не изменяется при изменении направления внешнего магнитного поля на противоположное. Поэтому магнитострикция относится к так называемым чётным магнитным эффектам.

Причиной магнитострикции у ферромагнетиков (ферримагнетиков) является изменение в магнитном поле микроскопических сил, действующих между их элементами. К этим силам относятся магнитные силы (диполь-дипольные и спин-орбиталъные), а так же обменные силы, действующие между атомами и между электронами ферромагнетика.

Полностью размагниченный ферромагнетик состоит из большого числа доменов. Обычно домены имеют размеры 10^-5·10^-4 м и доступны непосредственному наблюдению при помощи микроскопа. Каждый из доменов намагничен до насыщения. При этом вектора намагниченности (магнитные моменты) доменов направлены так, что компенсируют друг друга. Поэтому суммарный магнитный момент такого ферромагнетика равен нулю.

Магнитные силы действуют при изменении напряженности магнитного поля от нуля до напряженности насыщения H_s. С ростом напряженности магнитного поля постепенно смещаются границы между доменами, а их магнитные моменты поворачиваются по полю [намагничивание ферромагнетика]. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решетки ферромагнетика. Это приводит к изменению равновесных расстояний между ее узлами. В результате атомы ферромагнетика смещаются, а его кристаллическая решетка деформируется.

При изменении напряженности магнитного поля в указанном выше диапазоне наблюдается изменение формы ферромагнетика без изменения его объема (т.н. линейная магнитострикция). Поэтому одни размеры ферромагнетика увеличиваются, а другие - уменьшаются. Изменение размера ферромагнетика в том или ином направлении зависит от направления вектора его намагниченности.

Магнитострикция, обусловленная обменными силами (обменная магнитострикция), наблюдается при напряженности магнитного поля выше напряженности насыщения ферромагнетика H_s. В этом случае магнитные моменты доменов полностью ориентированы по полю. Магнитострикция за счет обменных сил приводит не только к изменению формы ферромагнетика, но и увеличению его объема. Наибольшее значение обменная магнитострикция достигает у инварных сплавов (см. примечание). Относительное увеличение объема (ΔV/V) этих сплавов в магнитном поле напряженностью ~ 8×10⁴ А/м достигает значения порядка 10^-5.

Необычайно высокие значения магнитострикции наблюдаются у некоторых редкоземельных металлов, их сплавов и соединений: у тербия (Tb), диспрозия,(Dy), TbFe₂ и DyFe₂, феррита-граната, Тb₃Fе₅O₁₂, у ряда соединений урана (U₃Аs₄, U₃P₄ ) и других актинидов. Это явление называется гигантской магнитострикцией. Микроскопическая природа гигантской магнитострикции редкоземельных и актинидных магнетиков обусловлена сильным взаимодействием пространственно-анизотропного облака f-электронов их атомов с внутрикристаллическим полем.

Если магнетик зафиксировать, например, прикрепить его к двум неподвижным опорам, то под действием магнитного поля в магнетике возникнет механическое напряжение. При этом он будет воздействовать на опоры с силой span lang=EN-US style='font-size:10.0pt'>F (см. раздел Расчетные модели, формула 2).

Примечание.

Инварный сплав - это сплав с малым коэффициентом теплового расширения, например, инвар (36% никеля и 64% железа).

Расчетные модели

⁽¹⁾

ΔL - изменение размера ферромагнетика под действием внешнего магнитного поля, м

k - коэффициент магнитострикции ферромагнетика, м/А (м/Ампер)

L₀ - начальный размера ферромагнетика вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, м

H - напряженность магнитного поля, А/м

Пример расчёта по формуле 1

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
ΔL	м	-	-	1.02 · 10-5
k	м/А	-21· 10-10	40 · 10-10	14.6 · 10-10
L0	м	0	10	0.1
H	А/м	0	3 · 106	7 · 104

* Для сплава 54%Fe + 46%Рt.

⁽²⁾

F - сила, действующая на опоры со стороны закрепленного ферромагнетика при воздействии на него внешнего магнитного поля, Н (Ньютон)

k - коэффициент магнитострикции ферромагнетика, м/А

H - напряженность магнитного поля, А/м

S - площадь сечения ферромагнетика, перпендикулярного направлению магнитострикции, м²

E - модуль упругости ферромагнетика, Па (Паскаль)

Пример расчёта по формуле 2

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
F	Н	-	-	-784**
k	м/А	-21· 10-10	40 · 10-10	-5.6 · 10-10
H	А/м	0	3 · 106	7 · 104
S	м2	0	1	10-4
E	Па	113 · 109	205 · 109	204 · 109

* Для никеля.

** Знак минус означает, что при выбранном направлении магнитострикции никель сжимается.

Примечание.

1. Коэффициент магнитострикции - это отношение относительного удлинения ферромагнетика под действием магнитного поля к напряженности этого поля.

2. Формулы верны при условии, что напряженность магнитного поля не превышает напряженность насыщения.

3. При ΔL > 0 ферромагнетик удлиняется, а при ΔL < 0 - укорачивается.

Свойства

Коэффициент магнитострикции k, м/А, ферромагнетиков в зависимости от напряженности магнитного поля Н

Материал	H=104, А/м	H=2×104, А/м	H=3×104, А/м	H=4×104, А/м
54%Fe + 46%Рt	k=40×10-10	k=35×10-10	k=28×10-10	k=23×10-10
70%Fe + 30%Co	k=60×10-10	k=35×10-10	k=26×10-10	k=20×10-10
50%Fe + 50%Co	k=48×10-10	k=28.5×10-10	k=20×10-10	k=15.5×10-10
50%Fe + 50%Ni	k=26×10-10	k=15.5×10-10	k=11×10-10	k=8.5×10-10
Железо	k=9×10-10	k=1×10-10	k=0×10-10	k=-0.5×10-10
Кобальт (отож.)	k=-8×10-10	k=-5.5×10-10	k=-5.3×10-10	k=-4.5×10-10
20%Ni + 80%Zn	k=-18×10-10	k=-11×10-10	k=-7×10-10	k=-5.5×10-10
Никель	k=-21×10-10	k=-15.5×10-10	k=-12×10-10	k=-9.5×10-10

Материал	H=5×104	H=6×104	H=7×104
54%Fe + 46%Рt	k=19.6×10-10	k=16.5×10-10	k=14.6×10-10
70%Fe + 30%Co	k=16.4×10-10	k=14×10-10	k=12.3×10-10
50%Fe + 50%Co	k=12.6×10-10	k=11.2×10-10	k=11.2×10-10
50%Fe + 50%Ni	k=7×10-10	k=6.2×10-10	k=5.4×10-10
Железо	k=-1.4×10-10	k=-1.5×10-10	k=-1.6×10-10
Кобальт (отож.)	k=-3.6×10-10	k=-3.2×10-10	k=-3×10-10
20%Ni + 80%Zn	-	-	-
Никель	k=-7.6×10-10	k=-6.5×10-10	k=-5.6×10-10

Примечание.

1. k=ΔL/(L₀×H), где ΔL изменение размера ферромагнетика под действием магнитного поля, L₀ - исходная длина ферромагнетика вдоль силовых линий магнитного поля, H - напряженность магнитного поля. При H ® 0 параметр k стремится к бесконечности.

2. Здесь: Fe - железо, Рt - платина, Ni - никель, Co - кобальт, Zn - цинк, отож. - отожженный.

3. Значения параметра k получено с помощью измерения координат соответствующих графиков.

Гигантская магнитострикция ΔL/L₀ редкоземельных магнетиков и их соединений при напряженности насыщения (для справки)

Магнетик	ΔL/L0, 10-6	Температура, К	Кристаллическая ось
Tb	1230	78	поликристалл
Dy	1400	78	поликристалл
Tb	5460	4.2	H || a - ось
Tb	22000	4.2	H || c - ось
TbFe2	4700	300	H || [111]
Tb3Fe2O12	2460	4.2	H || [111]
Fe	-10	300	поликристалл
Ni	-37	300	поликристалл
Ni	-60	78	H || [111]
Co	-71	300	поликристалл

Примечание.

1. Здесь: Tb - тербий, Dy - диспрозий, Fe - железо, O - кислород, Ni - никель, Co - кобальт, H - вектор напряженности магнитного поля, [111] - одна из осей кристалла.

2. Значения магнитострикции железа, никеля и кобальта дана для сравнения.

Модуль упругости E ферромагнетиков

Материал	E, 109Па
Никель	204
Стали конструкционные	195 … 205
Чугун	113 · 116

Источники.

1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, Наука, 1976, с. 51, 169.

2. Магнитострикция. Физическая энциклопедия. Под редакцией А.М. Прохорова. Москва, Большая Российская энциклопедия 1992.

Применение

• Колебания размера магнетика в переменном магнитном поле генерирует звук в окружающей среде

• Магнитострикция компенсирует изменение размера магнетика при нагреве или охлаждении

• Изменение напряженности магнитного поля регулирует зазор между магнетиком и поверхностью

  > Изменение напряженности магнитного поля регулирует зазор между магнитной головкой и магнитным носителем

  А.С. 517,927; СССР.

• Колебания размера магнетика в магнитном поле перемещает тело (магнитострикционный двигатель)

  > Удлинение магнетика в магнитном поле замыкает электрическую цепь

• Колебания объема магнетика в переменном магнитном поле перекачивает жидкую среду (магнитострикционный насос)

  > Колебания объема магнитострикционного сплава редкоземельных металлов в переменном магнитном поле перекачивает жидкость

  U.S. Patent 4,927,334; May 22, 1990; “Liquid pump driven by elements of a giant magnetostrictive material”.

• Колебания размера магнетика в переменном магнитном поле создает вибрацию

  J.P. Patent. 8,023,257; Jan. 23, 1996; “Magnetostrictive oscillator”.

• Размер магнетика определяет напряженность внешнего магнитного поля

  U.S. Patent 5,039,943; Aug. 13, 1991; “Magnetostrictive magnetometer”.

• Управляемые колебания магнетика при магнитострикции гасят вибрацию

  > Управляемые колебания магнитострикционного элемента гасят вибрационные колебания в креплении двигателя

  U.S. Patent 5,275,388; Jan. 4, 1994; “Vibration Control System”.

Разделы науки: магнетизм, физика твердого тела

Литература

Белов К.П. Магнитнострикционные явления и их технические приложения. Москва, Наука, 1987.

Вонсовский С.В. Магнетизм. Москва, 1971.

Киренский Л.В. Магнетизм. Москва, Наука, 1967г.

Белов К. П. Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках. Москва, 1957.

Tremolet de Lacheisserie, Etienne du. Magnetostriction: theory and applications of magnetoelasticity. Boca Raton: CRC Press, 1993.

Burke H.E. Handbook of magnetic phenomena. Van Nostrand Reinhold Company Inc., 1986.

Shuler K, and R. Brikman. Dauermagnetic werkstffe und Anwendungen. Berlin; New York, 1979.

Craik Derek J. Magnetism: Principles and Applications. New York: Wiley, 1965.

2. Электрическое поле деформирует пьезоэлектрик

Электрическое поле смещает разноименные ионы кристаллического пьезоэлектрика в противоположных направлениях.

Синоним: обратный пьезоэффект

Условия реализации

• Пьезоэлектрик должен быть свободен от механических связей.

• Напряженность электрического поля должна быть меньше напряженности, при которой наступает пробой пьезоэлектрика.

Показатели эффекта

Относительного удлинение пьезоэлектрика под действием электрического поля: до 2 · 10^-4.

Объяснение

Кратко

На кристаллический пьезоэлектрик действует электрическое поле.

В кристаллическом пьезоэлектрике имеются две кристаллические подрешетки.

Одна кристаллическая решетка состоит из положительных ионов, а другая - из отрицательных.

Электрическое поле смещает разноименные ионы в противоположных направлениях.

Пьезоэлектрик удлиняется.

Подробно

На пьезоэлектрик, свободный от механических связей, действует электрическое поле. В результате пьезоэлектрик (см. примечание) деформируется, и его размеры вдоль силовых линий электрического поля увеличиваются. Данное явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Первое исследование этого эффекта было проведено Ж. и П. Кюри в 1880 на кристалле кварца.

Обратный пьезоэффект наблюдаются только у кристаллов, не имеющих центра симметрии, и у некоторых некристаллических диэлектриков. У последних за счёт внешнего воздействия создают пьезоэлектрическую текстуру. Например, за счет поляризации в электрическом поле изготавливают различные пьезокерамики и пьезополимеры.

В кристаллическом пьезоэлектрике имеются две кристаллические подрешетки. Одна из них состоит из положительных ионов, а другая - из отрицательных. Под действием электрического поля разноименные ионы кристаллического пьезоэлектрика смещаются в противоположных направлениях [электрическая сила]. В результате пьезоэлектрик удлиняется вдоль силовых линий электрического поля.

Если пьезоэлектрик зафиксировать, например, установить его между двух неподвижных опор, то под действием электрического поля в пьезоэлектрике возникнет напряжение сжатия. При этом пьезоэлектрик будет давить на опоры с силой F (см. раздел Расчетные модели, формула 2).

Примечание.

Пьезоэлектрик - твердый диэлектрик, у которого при определённых упругих деформациях возникает электрическая поляризация (прямой пьезоэффект). К пьезоэлектрикам относятся некоторые кристаллы, например, кварц и турмалин, а так же пьезокерамика (различные поликристаллические сегнетоэлектрики).

Расчетные модели

⁽¹⁾

ΔL - изменение размера (деформация) пьезоэлектрика под действием электрического поля, м

g - пьезомодуль пьезоэлектрика, м/B (м/Вольт)

L₀ - начальная длина пьезоэлектрика вдоль силовых линий электрического поля, м

E - напряженность электрического поля, В/м

Пример расчёта по формуле 1

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
ΔL	м	-	-	9.5 · 10-6
g	м/B	0.7 · 10-12	2100 · 10-12	190 · 10-12
L0	м	0	0.5	0.05
E	В/м	0	3 · 106	106

* Для пьезокерамики титаната бария.

⁽²⁾

F - сила, действующая на опоры со стороны закрепленного пьезоэлектрика при воздействии на него электрического поля, Н (Ньютон)

g - пьезомодуль пьезоэлектрика, м/B

S - площадь сечения пьезоэлектрика, перпендикулярного направлению электрического поля, м²

E - напряженность электрического поля, В/м

D - модуль упругости пьезоэлектрика, Па (Паскаль)

Пример расчёта по формуле 2

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
F	Н	-	-	16.86
g	м/B	0.7 · 10-12	2100 · 10-12	2.31 · 10-12
S	м2	0	1	10-4
E	В/м	0	3 · 106	106
D	Па			73 · 109

* Для кварца.

Примечание.

1. Пьезоэлектрик - твердый диэлектрик, у которого при определённых упругих деформациях возникает электрическая поляризация (прямой пьезоэффект). К пьезоэлектрикам относятся некоторые кристаллы, например, кварц и турмалин, а так же пьезокерамика (различные поликристаллические сегнетоэлектрики).

2. Пьезоэлектрик удлиняется вдоль силовых линий действующего электрического поля.

Свойства

Пьезоэлектрический модуль g кристаллов и промышленной пьезокерамики

Кристалл	g, 10-12 м/В
Кварц	0.7 · 2.31
Пьезокерамика титаната бария	27 · 190
Пьезокерамика цирконата-титаната свинца	27 · 282
Пьезокерамика ниобатовой системы	40 ·167
Сегнетовая соль 2)	2100
Турмалин 2)	1.73
Фосфат аммония 2)	44.4
Фосфат калия 2)	21
Цинковая обманка 2)	2.94

Примечание.

1. Для кристаллов приведены максимальные значения модуля, которое изменяется в зависимости от кристаллографического направления.

2. Для пьезокерамики приведен диапазон значений модуля g в зависимости, как от кристаллографического направления, так и от марки пьезокерамики.

Модуль упругости D кварца - 73 · 10⁹ Па.

Источники.

1. Физические величины. Под редакцией И.С. Григорьева и Е.С. Мейлихова. Москва, Энергоатомиздат, 1991, с. 558.

2. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, Наука, 1976, с. 51, 124.

Применение

• Колебания размера пьезоэлектрика в переменном электрическом поле генерирует звук в окружающей среде

• Размер пьезоэлектрика определяет напряженность внешнего электрического поля

• Колебания пьезоэлектрика в переменном электрическом поле перемещают тело (пьезоэлектрический двигатель)

  > Пьезоэлектрический двигатель перемещает тело

  U.S. Patent 4,894,579; Jan. 16, 1990; “Apparatus for effecting fine movement by impact force produced by piezoelectric or electrostrictive element”.

  > Пъезоэлектрический двигатель перемещает боковые стекла автомобиля

  U.S. Patent. 5,780,956; Jul. 14, 1998; “Rotary piezoelectric motor for vehicle applications”.

• Колебания размера пьезоэлектрика в переменном электрическом поле перекачивает жидкую среду (пьезоэлектрический насос)

  > Пьезоэлектрический насос создает давление в гидравлическом приводе тормозов автомобиля

  U.S. Patent 5,378,120; Jan. 3, 1995; “Ultrasonic Hydraulic Booster Pump and Braking System”.

• Колебания пьезоэлектрика в переменном электрическом поле создают вибрацию (пьезоэлектрический вибратор)

  > Колебания пьезоэлектрика создают вибрация обшивки корабля, препятствующую поселению на его днище водных организмов

  U.S. Patent 5,386,397; Jan. 31, 1995; “Method and apparatus for keeping a body surface, which is in contact water, free of fouling”.

  > Колебания пьезоэлектрика создают вибрация, снижающую трение в подшипнике скольжения

• Деформация пьезоэлектрика в электрическом поле разрушает твердое тело

  > Деформация, созданная пьезоэлементом, увеличивает эффективность катализатора

  U.S. Patent 4,005,186; Dec. 29, 1975; “Methods of increasing catalytic activity”.

• Управляемые колебания пьезоэлектрика в переменном электрическом поле гасят вибрацию

  > Колебания пьезоэлектрических дисков, установленных в опорах двигателя, гасят его вибрацию

  U.S. Patent 5,366,211; Nov. 22, 1994; “Elastic Mount Having Fluid Chamber Partially Defined By Oscillating Plate Actuated By Electrostrictive/Magnetostrictive Element”.

• Изменение напряженности электрического поля регулирует зазор между пьезоэлектриком и поверхностью

  > Изменение длины пьезоэлемента меняет расстояние между зондом туннельного микроскопа и исследуемой поверхностью

  Binning, G., and H. Rohrer. Scanning Tunneling Microscopy - from Birth to Adolescence. Stockholm: The Nobel Foundation, 1987.

Разделы науки: электричество, физика кристаллов

Литература

Таганцев А. К. Пиро-, пьезо-, флексоэлектри-ческий и термополяризационный эффекты в ионных кристаллах. “УФН”, 1987, т. 152, в. 3, с. 423.

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Москва, 1982.

Сиротин Ю. И., Шаскольская М. П. Основы кристаллофизики, 2 изд., Москва, 1979.

Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. Перевод с английского. Москва, 1974.

Глозман И. А. Пьезокерамика. Москва, 1972.

McGraw-Hill Encyclopedia of Physics. By Sybil P. Parker. 2^nd Edition. N.Y.: McGraw-Hill Text, February 1993.

Burns, Gerald. Solid State Physics. Boston: Academic Press, 1990.

Tiny, R. V. “Evaluation of new piezoelectrik composites for hydrophone.” Ferroelectrics, v. 67, 1986.

Blakemore, J.S. Solid State Physics. 2nd edition. New York: Cambridge University Press, 1985.

Animalu, Alexander O.E. Intermediate Quantum Theory of Crystalline Solids. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1977.

3. Нагрев вызывает расширение конденсированного тела

При нагреве амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается.

Синоним: тепловое расширение

Условия реализации

• Конденсированное тело должно быть не закреплено.

• Желательно, чтобы конденсированное тело должно быть нагрето или охлаждено равномерно.

Показатели эффекта

Кратность изменения размера конденсированного тела: в 1,015 раза.

Объяснение

Кратко

Атомы твердого тела колеблются вблизи узлов кристаллической решетки.

Связи (силы притяжения и отталкивания) удерживают атомы на некотором расстоянии друг друга.

Твердое тело нагревают.

При нагреве амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается.

Длина связи между атомами увеличивается.

Твердое тело расширяется.

Подробно

Конденсированное тело, для определенности твердое тело, нагревается. Если это тело не закреплено, то оно расширяется. В результате размеры и объем конденсированного тела увеличиваются. Данное явление называется тепловым расширением тел.

Твердое тело состоит из атомов (молекул). Атомы этого тела расположены в определенном порядке: в виде так называемой кристаллической решеткой. При этом атомы постоянно колеблются возле некоторой условной точки, которая является узлом этой решетки (тепловые колебания). Между атомами действуют силы притяжения и отталкивания. Действие этих сил можно рассматривать, как наличие некоторых связей между атомами (межатомных связей). Средние расстояние между атомами (длина связи) таково, что силы притяжения и отталкивания компенсируют друг друга. Это обеспечивает устойчивость твердого тела при отсутствии внешних сил.

При нагреве амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается. В результате взаимная компенсация сил притяжения и отталкивания наступает при большем среднем расстоянии между атомами. В свою очередь увеличение расстояния между атомами приводит к увеличению объема твердого тела. В результате твердое тело расширяется.

Изотропные твердые тела и жидкости расширяются равномерно во всех направлениях. Коэффициенты линейного расширения анизотропных твердых тел зависит от направления. Например, коэффициент линейного расширения кристаллов определяется направлением кристаллографических осей (см. примечание). Поэтому в общем случае кристаллы и другие анизотропные твердые тела при нагреве расширяются неравномерно.

Большинство конденсированных тел при нагреве расширяются, а при охлаждении - сжимаются. Однако существуют исключения, например, вода. При нагреве в диапазоне температуры от 0 до 4 °С и атмосферном давлении вода сжимается.

Примечание.

Коэффициент линейного расширения кристаллов определяется направлением кристаллографических осей х, у, z. Причём различие или равенство линейных коэффициентов a_x, a_y, a_z вдоль кристаллографических осей х, у, z зависит от типа симметрией кристалла. Для большинства кристаллов a_x ¹ a_y ¹ a_z. Исключением являются кристаллы с кубической структурой, у которых a_x = a_y = a_z = a.

Расчетные модели

⁽¹⁾

ΔL - изменение длины твердого тела при изменении его температуры, м

a - коэффициент линейного расширения твердого тела, 1/К (1/Кельвин)

L₀ - длины твердого тела перед началом изменением его температуры, м

ΔT - изменении температуры твердого тела, К

Пример расчёта по формуле 1

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
ΔL	м	-	-	2.29 · 10-3
a	1/К	0.5 · 10-6	70 · 10-6	22.9 · 10-6
L0	м	0	103	1
ΔT	К	0	~2000	100

* Для алюминия.

⁽²⁾

ΔV - изменение объема конденсированного тела при изменении его температуры, м³

b - коэффициент объемного расширения конденсированного тела, 1/К

V₀ - объем конденсированного тела перед началом изменением его температуры, м³

ΔT - изменении температуры конденсированного тела, К

Пример расчёта по формуле 2

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
ΔV	м3	-	-	5.3 · 10-3
b	1/К	0.053 · 10-3	1.93 · 10-3	1.06 · 10-3
V0	м3	0	106	1
ΔT	К	0	~3300	50

* Для бензола при температуре 18 °С.

^{(3, для справки)}

b - коэффициент объемного расширения твердого тела, 1/К

a - коэффициент линейного расширения твердого тела, 1/К

^{(4, для справки)}

ρ - плотность конденсированного тела при температуре T, кг/м³

ρ₀ - плотность жидкости при температуре T₀, кг/м³

b - коэффициент объемного расширения конденсированного тела, 1/K

T - текущая температура конденсированного тела, К

T₀ - начальная температура конденсированного тела, К

Примечание.

1. Для большинства конденсированных тел коэффициенты a и b больше нуля. Поэтому при нагреве (ΔT>0) большинство конденсированных тел расширяются, а при охлаждении (ΔT<0) - сжимаются. Однако существуют исключения, например, вода. При нагреве в диапазоне температуры от 0 до 4 °С и атмосферном давлении вода сжимается (a<0).

2. Формула 3 верна для изотропных твердых тел, или кристаллов с кубической структурой.

Свойства

Коэффициент линейного расширения a твердых тел

Твердое тело	a, 10-6 К-1
Алмаз	0.91
Алюминий	22.9
Бронза	17.5
Винипласт	70
Висмут	13.4
Вольфрам	4.3
Гранит	8.3
Графит	7.9
Дерево вдоль волокон	2·6
Дерево поперек волокон	50·60
Дюралюминий	22.6
Железо	11.9·10.2
Золото	14.5
Инвар (36.1% Ni)	0.9
Иридий	6.5
Кварц (плавленый)	0.5
Кирпичная кладка	5.5
Константин	17.0
Латунь	18.9
Лед (от -10 °С до 0 °С)	50.7
Магний	25.1
Медь	16.7
Нейзильбер	18.4
Никель	13.4
Олово	21.4
Платина	8.9
Свинец	28.3
Сталь-3 (марка 20)	11.9
Сталь нержавеющая	11.0
Стекло	8.5·3
Фарфор	3
Бетон, цемент	12
Цинк	30.0
Чугун	10.4
Эбонит	70

Коэффициент объемного расширения b жидкостей в зависимости от температуры t

Жидкость	b, 10-3К-1	t, °С
Аммиак	1.93	- 50
Ацетон 2)	1.43	18
Бензол	1.06	18
Бром	1.132	20
Висмут	0.122	270·630
Вода	-0.064	0
Вода 2)	0.053·0.587	5·80
Галлий	0.121	100
Глицерин 2)	0.5	18
Калий	0.28	100
Керосин 2)	1	18
Литий	0.174	185·235
Натрий	0.332	100·700
Олово	0.106	230·400
Ртуть 2)	0.18	18
Свинец	0.12	330·825
Спирт этиловый 2)	1.1	18
Таллий	0.15	300·353

Источники.

1. Физические величины. Под редакцией И.С. Григорьева и Е.С. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991, с. 251, 252.

2. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, Наука, 1976, с. 82.

Применение

• Охлаждение нагретой детали позволяет соединить ее с другой деталью

• Тепловое расширение тела определяет его температуру и связанные с ней параметры

  > Тепловое расширение чувствительного элемента определяет мощность импульса ядерного излучения

  U.S. Patent 3,569,707; Mar. 09, 1971; “System for measuring pulsed radiation by means of strain gauge technique”.

• Тепловое расширение регулирует зазор между телом и неподвижной стенкой

  > Тепловое расширение регулирует зазор в тепловом диоде

  А.С. 518,314; СССР.

  > Тепловое расширение огнезащитной заглушки полностью перекрывает пространство между кабелем и стенкой кабельной трубы

  U.S. Patent 4,756,945; Jul. 12, 1988; “Heat expandable fireproof and flame retardant construction product”.

• Тепловое расширение вызывает микроперемещение тела

  > Тепловое расширение линзы компенсирует теплового расширения ее цилиндрического держателя

  U.S. Patent 4,855,987; Aug. 8, 1989; “Optical device comprising a holder accommodating an optical system which compensates for thermal expansion/contraction”.

• Тепловое расширение тела создает силу и увеличивает давление жидкой среды

  > Тепловое расширение тела увеличивает давление смазки в устройстве для волочения металла

  А.С. 471,140; СССР.

• Тепловое расширение изменяет форму тела

  U.S. Patent 5,532,461; July 2, 1996; “Bottom-heated utensil for conductive or induction heating”.

Разделы науки: физика твердого тела

Литература

Новикова С. И. Тепловое расширение твердых тел. Москва, 1974.

Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. Перевод с английского. Москва, 1961.

Kuchling, Horst. Physics (in German). Leipzig, Germany: VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1980.

Orear, Jay. Physics. New York: Collien Macmillan Publisher, London, 1979.

Reid, Robert R., J.M. Prausnitz, and T.K. Sherwood. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hill Book Company, 1977.

Концепт-проект

Цель разработки: уменьшить - размер - капли - жидкость

Содержание

Разработка концепции

Выбранные концепции:

1. Струя газа дробит капли жидкости

2. Ультразвук дробит капли жидкости

Базовые эффекты:

> Ультразвук дробит взвешенные капли жидкости

> Поток газа дробит капли жидкости

Разработка концепций

Цель разработки: "уменьшить - размер - капли - жидкость"

Выбранные концепции

1. Струя газа дробит капли жидкости

Переход

Данная концепция позволяет достичь поставленную цель потому, что:

чтобы 'уменьшить - размер - капли - жидкость' надо 'дробить - капли - жидкость'

Описание

Струя газа обтекает струю капели жидкости.

Если диаметр капель большие некоторого критического значения, то они распадается на несколько капель меньшего диаметра.

В результате струя газа дробит капли жидкости.

Патенты

> Поток воздуха дробит крупные капли краски в распылители краски.

U.S. Patent. 5,618,001; Apr. 08, 1997; “Spray Gun For Aggregates”.

> Струя воздуха дробит крупные капли в системе тушения открытого пламени.

U.S. Patent 6,189,625; February 20, 2001; “Liquid mist fire extinguisher”.

Базовые эффекты

> Поток газа дробит капли жидкости

2. Ультразвук дробит капли жидкости

Переход

Данная концепция позволяет достичь поставленную цель потому, что:

чтобы 'уменьшить - размер - капли - жидкость' надо 'дробить - капли - жидкость'

Синоним: ультразвуковое дробление капель

Описание

Через область, заполненную каплями жидкости (туманом), или через тело, на котором находятся такие капли, пропускают пучок ультразвука большой интенсивности.

В зоне прохождения ультразвука происходит многократное дробление капель жидкости.

В результате диаметр капель уменьшается.

Достоинства

Позволяет получить капели диаметром в несколько микрон.

Патенты

> Ультразвук дробит крупные капли краски, движущиеся в воздушном потоке, через распылитель.

U.S. Patent 5,618,001; Apr. 08, 1997; “Spray Gun For Aggregates”.

> Ультразвук дробит капли топлива, на выходе из форсунки.

Базовые эффекты

> Ультразвук дробит взвешенные капли жидкости

Базовые эффекты

1. Поток газа дробит капли жидкости

При диаметре больше критического силы поверхностного натяжения не могут препятствовать деформации капли.

Условия реализации

• Поток газа должен обтекать капли жидкости.

• Диаметр части капель жидкости должен быть больше критического.

Показатели эффекта

Критический диаметр капли жидкости, больше которого происходит ее разрушение потоком газа: от 10^-7 до 5 · 10^-3 м.

Объяснение

Кратко

Поток газа обтекает каплю.

В капле возникает разница давления.

Жидкость перетекает из центра капли к ее периферии.

Капля деформируется.

Силы поверхностного натяжения препятствуют деформации капли.

Если диаметр капли больше критического, силы поверхностного натяжения не могут остановить ее деформацию.

Деформация нарастает до тех пор, пока большая капля не распадется на капли меньшего диаметра.

Подробно

Поток газа обтекает каплю жидкости. Если диаметр капли большие некоторого критического значения, то она распадается на несколько капель меньшего диаметра. Критическое значение диаметра капли определяется как свойствами жидкости, так и газа. Данное явление можно назвать дробление капель потоком газа.

Непосредственно перед каплей поток газа тормозится. Его скорость в точке 1 мала (см. иллюстрацию). Поэтому, согласно закону Бернулли, уменьшение скорости газа без изменения его полной энергии приводит к увеличению его давления.

Обтекая каплю, поток газа сужается. Поэтому на краях капли (в точках 2 и 3) газ ускоряется. Согласно закону Бернулли, в этих точках скорость газа большая, а давление малое. В капле возникает перепад давления, под действием которого жидкость перетекает из центра капли к ее периферии. В результате капля деформируется, приобретая гантелевидную форму.

Одновременно, на каплю действуют силы поверхностного натяжения. Они препятствуют любой деформации капли, обеспечивая ей форму, близкую к шару. Значение этих сил обратно пропорционально диаметру капли. Таким образом, чем больше диаметр капли, тем меньше сила поверхностного натяжения. Поэтому должен существовать критический диаметр капли, при котором силы поверхностного натяжения еще успевают устранить ее деформацию. Если диаметр капли больше критического, то силы поверхностного натяжения не могут воспрепятствовать деформации капли. Возникшая деформация нарастает до тех пор, пока большая капля не распадется на ряд капель меньшего диаметра. Процесс дробления большой капли продолжается до тех пор, пока диаметр мелких капель не станет меньше критического.

Расчетные модели

d - критический диаметр капли жидкости, больше которого происходит ее разрушение потоком газа, м

σ- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м (Ньютон/м)

V - скорость потока газа, м/с

ρ - плотность газа, кг/м³

Примечание.

Формула не учитывает вязкость жидкости и газа.

Пример расчёта

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
d	м	-	-	2.21 · 10-6
V	м/с	100	1000	500
ρ	кг/м3	0.092	2.014	1.319
σ	Н/м	0.0228	0.465	0.0729

*Для воды и воздуха.

Свойства

Плотность ρ газов при температуре 0 °С

Газ	ρ, кг/м3
Азот	1.2748
Аммиак	0.771
Аргон	1.783
Водород	0.08988
Водяной пар (133 °С)	1.62
Воздух	1.3172
Гелий	0.1785
Кислород	1.4567
Криптон	3.74
Неон	0.9
Озон	2.139
Углекислый газ	1.977
Хлор	3.22

Поверхностное натяжение σ жидкостей при нормальной температуре

Жидкость	σ, 10-3 Н/м
Ацетон	23.7
Бензол	29
Вода	72.8
Глицерин	59.4
Керосин	28.9 (0 °С)
Масло касторовое	36.4 (18 °С)
Ртуть	465
Спирт этиловый	22.8
Толуол	28.5

Источники

Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, 1976, с. 40, 84.

Применение

Изменение скорости потока газа регулирует диаметр капель жидкости

• Поток газа дробит капли жидкости

  > Поток воздуха дробит крупные капли краски в распылители краски

  U.S. Patent. 5,618,001; Peter V. Del Gaone; Apr. 8, 1997; “Spray Gun For Aggregates”.

  > Струя воздуха дробит крупные капли в системе тушения открытого пламени

  U.S. Patent 6,189,625; February 20, 2001; “Liquid mist fire extinguisher”.

Разделы науки: гидродинамика, физика жидкости

Литература

Nigmatulin, Robert, I. Dynamics of Multiphase Media. New York: Hemisphere Pub. Corp., 1991.

Landau, Lev D., and E. M. Lifshitz. Course of Theoretical Physics. Vol. 6. Fluid Mechanics. New York: Pergamon Press, 1986.

Cheremisinoff, V.P., and R. Gupta. Handbook of Fluids in Motion. Ann Arbor, Michigan: Ann Arbor Science, 1983.

2. Ультразвук дробит взвешенные капли жидкости

Периодические ударные волны возбуждают на поверхности капли жидкости стоячие капиллярные волны, что приводит к её дроблению.

Синонимы: ультразвуковое дробление капель, ультразвуковое распыление (диспергирование) капель

Условия реализации

• Капли жидкости должны находиться в газе во взвешенном состоянии.

• Интенсивность ультразвука должна быть более 10⁵ Вт/м².

• Диаметр капель должен быть меньше половины длины волны ультразвука.

• Желательно, чтобы частота ультразвука была в пределах от 10⁵ до 10⁷ Гц.

Показатели эффекта

• Диаметр капель, образовавшихся в результате ультразвукового дробления: до 1 микрона.

• Достигнутая производительность ультразвукового дробления капель жидкости: до сотен литров в час.

Объяснение

Кратко

Через каплю жидкости проходит звуковая волна в фазе разряжения.

Давление жидкости понижается.

Если давление жидкости меньше давления её насыщенного пара, то в ней возникают и быстро растут кавитационные пузырьки.

Когда через каплю жидкости проходит звуковая волна в фазе сжатие, то кавитационный пузырек схлопывается.

При схлопывании пузырька образуется ударная волна.

Периодические ударные волны возбуждают на поверхности капели стоячую капиллярную волну.

Гребни капиллярных волн вытягиваются в узкие языки и отрываются от капли.

Капля жидкости делится на две неравные части.

Ультразвук создает в газе, окружающем капли, акустическое течение.

Со стороны движущегося газа на гребни капиллярной волны действует аэродинамическая сила.

Аэродинамическая сила увеличивает вероятность отрыва гребней капиллярной волны.

Подробно

В газе во взвешенном состоянии находятся капли жидкости с характерным размером более сотни микрон (10^-6 м). Подобная дисперсная система называется туманом. Через пространство, заполненное туманом, пропускают пучок ультразвука большой интенсивности. В зоне прохождения ультразвука происходит многократное дробление капель жидкости. В результате их диаметр уменьшается до нескольких микрон. Данное явление можно назвать ультразвуковое дробление капель. Оно представляет собой частный случай ультразвукового распыления жидкости.

Звуковую волну можно рассматривать, как чередующиеся волны разрежения и сжатия. Когда через область жидкости проходит звуковая волна в фазе разряжения, то в этой области понижается давление. Если это давление несколько меньше давления насыщенного пара жидкости, то возникают условия, при которых та начинает кипеть. В жидкости возникают и быстро растут парогазовые пузырьки. Такие пузырьки называются кавитационными пузырьками.

Когда через область жидкости проходит звуковая волна в фазе сжатие, то давление в ней быстро возрастает и кавитационный пузырёк (далее пузырёк) начинает сжиматься. Давление парогазовой смеси в пузырьке растет. Когда это давление становится несколько больше давления насыщенного пара жидкости, пар конденсируется, и пузырек схлопывается. При схлопывании пузырька образуется ударная волна, которая распространяет в объеме жидкости. Данное явление называется акустической кавитаций.

В момент возникновения кавитационный пузырёк имеет диаметр, близкий к длине пробега молекул жидкости. Поэтому акустическая кавитация может происходить не только в большом объеме жидкости, но в её каплях.

В результате акустической кавитации в каплях жидкости возникают периодические ударные волны. На поверхности крупных капель жидкости эти волны возбуждают стоячие капиллярные волны. При определенной интенсивности ультразвука гребни капиллярных волн вытягиваются в узкие языки. FONT>Сила инерции, действующая на гребни, может превысить силы поверхностного натяжения. В этом случае гребень капиллярной волны отрывается от капли жидкости. В результате капля жидкости делится на две неравные части.

Удлинение гребней капиллярных волн усиливает акустическое течение газа, окружающего капли. Это течение возникает в жидкой среде под действием звука большой интенсивности. Скорость акустического течения газа может достигать 5 м/с (см. примечание). При течении газа в сужении между каплями его скорость увеличивается ещё больше (закон сохранения массы в гидродинамике).

Со стороны потока газа на гребни капиллярной волны действует аэродинамическая сила. В результате возрастает вероятность отрыва гребней от поверхности капли жидкости.

По мере снижения диаметра капли увеличивает значение других механизмов ультразвукового дробления. Мелкая капля может быть разрушена на части в результате выхода на её поверхность расширяющегося кавитационного пузырька. К такому же результату приводит действие кумулятивных струй жидкости, возникающих при схлопывании асимметричных кавитационных пузырьков.

Скорость ультразвукового дробления капель зависит от большого числа факторов. Эта скорость увеличивается с ростом интенсивности ультразвука, давления газа и температуры капель жидкости. Диаметр образующихся капель в первую очередь определяет частота ультразвука. С её ростом размер гребней капиллярных волн уменьшается и, как следствие, уменьшается конечный диаметр капель.

Примечание.

В воздухе, в стоячей волне с интенсивностью 10⁵ Вт/м² наблюдалось течение со скоростью примерно 5 м/с.

Расчетные модели

d - диаметр капель, образовавшихся в результате ультразвукового дробления, м

λ_k - длина капиллярная волны на поверхности капель жидкости, м

π - число «пи» = 3.14

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м (Ньютон/м)

ρ - плотность жидкости, кг/м³

f - частота ультразвука, Гц (Герц)

Примечание.

1. Капли жидкости находятся в газе во взвешенном состоянии.

2. Исходный диаметр капель жидкости должен быть более 0.5_λk и менее половины длины волны ультразвука.

Пример расчета

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
d	м	-	-	1.70 · 10-5
λk	м	-	-	5.67 · 10-5
σ	Н/м	23.7 · 10-3	465 · 10-3	72.8 · 10-3
ρ	кг/м3	0.66 · 103	13.55 · 103	103
f	Гц	104	107	105

*Для воды.

Свойства

Поверхностное натяжение σ и плотность ρ жидкостей при нормальной температуре

Жидкость	σ, 10-3 Н/м	ρ, 103 кг/м3
Ацетон	23.7	0.791
Бензол	29	0.879
Вода	72.8	0.998
Глицерин	59.4	1.26
Гексан	18.5	0.66
Керосин	28.9 (0 °С)	0.81…0.84 2)
Масло касторовое	36.4 (18 °С)	0.962)
Ртуть	465	13.55
Спирт этиловый	22.8	0.79
Толуол	28.5	0.866

Источники.

1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, Наука, 1976, с. 38, 84.

2. Физические величины. Под редакцией И.С. Григорьева и Е.С. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991, с. 123.

Применение

• Ультразвук дробит взвешенные капли жидкости

• Ультразвук дробит крупные капли краски, движущиеся в воздушном потоке, через распылитель.

  U.S. Patent. 5,618,001; Apr. 08, 1997; “Spray Gun For Aggregates”.

• Ультразвук дробит капли топлива, на выходе из форсунки.

Разделы науки: физика жидкостей, физическая акустика

Литература

Лукьянец В.А. и др. Физические эффекты в машиностроении. Москва, Машиностроение, 1993.

Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. Москва, Высшая Школа, 1987.

М.Д.Габович, В.А. Хомич. О некоторых механизмах испускания микрокапель поверхностью расплавленного металла. Письма в ЖТФ 13, № 11 (1987): 673-677."

Физическая акустика. Под редакцией Мезона. Москва, Мир, 1968.

Розенберг Л.Д. Мощные ультразвуковые поля. Москва, Наука. 1967.

Северденко В.П., Клубович В.В. Применение ультразвука в промышленности. Минск, Наука и техника, 1967.

Berger, Harvey L. Ultrasonic Liquid Atomization: Theory and Application. Hyde Park, New Yersey: Partridge Hill Publishers, 1998.

Berg, Richarg E., and David G. Stork. The Physics of Sound. 2nd ed. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1995.

Hall, Donald E. Basic acoustics. Malabar, Fla. : Krieger, 1993.

Acoustical physics. Woodbury, NY : American Institute of Physics,1993.

Basic physics of ultrasound. Rockville, MD : The Center, Washington, 1983.