Пример полного концепт-проекта

Концепт-проект

Проект: Устранение водяного конденсата с поверхности призмы оптического биометрического сканера

Цель разработки: уменьшить - размер - капли - жидкость

Исполнитель: Иванов А.Б., ст. инженер, отдел 28 ___________________

Дата создания проекта: 25.11.2013

Концепт-проект разработан изобретающей программой Новатор 4.02. Продукт Компании Метод
(www.method.ru)

Содержание

Постановка задания

Описание ситуации

Варианты исходной цели

Анализ ситуации

Модель ситуации

Цели разработки

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

Сравнение концепций

Результат поиска в базе данных

1. Эффект "Охлаждение вызывает конденсацию пара"

2. Эффект "Жидкость смачивает поверхность твердого тела"

3. Эффект "Размер капли жидкости влияет на скорость ее испарения"

Заключение

Постановка задания

Проект: Устранение водяного конденсата с поверхности призмы оптического биометрического сканера

Ситуация

Биометрический сканер должен работать в неконденсированном помещении и на открытом воздухе. Температура воздуха, окружающего сканер, может изменяться в диапазоне от -10 до +60 °С. В результате при определённом сочетании влажности, температуры и давления окружающего воздуха, находящиеся в нём пары воды, конденсируются на поверхности призмы – внешнего элемента оптической системы сканера. Вследствие этого на поверхности призмы образуется плёнка конденсата, состоящая из мелких капель воды. Зондирующий пучок света, направляемый на исследуемый объект, например, радужную оболочку глаза, проходит через эту плёнку. Свет рассеивается на каплях воды. В результате точность работы сканера существенно снижается.

Требуется разработать способ удаления капель водяного конденсата с поверхности призмы.

Варианты исходной цели:

- устранить конденсацию паров воды (выбран)

- удалить капли воды с поверхности призмы

- устранить загрязнение поверхности призмы

Анализ ситуации

Модель ситуации

Цель разработки:

Уменьшить размер капель - зародышей на поверхности призмы.
Увеличить температуру поверхности призмы.
Увеличить температуру окружающего воздуха.

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

> 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

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

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 форме шара. 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 могут 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.

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
λ_k	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.

Сравнение концепций

Распределение выбранных концепций 1 и 2 по местам 1 и 2 для 3 показателей:

- габарит сканера [важность=8]
к.1 - 1 место, к.2 - 1 место;

- ресурс сканера [важность=5]
к.1 - 2 место, к.2 - 1 место;

- энергопотребление при удалении плёнки конденсата [важность=7]
к.1 - 2 место, к.2 - 1 место;

Здесь к.1, ..., к.2 - названия выбранных концепций (см. ниже).

Выбранные концепции:

1. Струя газа дробит капли жидкости.

2. Ультразвук дробит капли жидкости.

Результат поиска в базе данных

1. Эффект "Охлаждение вызывает конденсацию пара"

Скорость конденсации пара на поверхности устойчивой капли больше скорости его испарения с поверхности этой капли.

Синонимы: конденсация пара охлажденным

Условия реализации

Давление пара должно превышать давление его насыщения.
Температура пара должна быть ниже температуры его насыщения.
Желательно, чтобы пар содержал зародыши парообразования: частицы пыли, капли жидкости и т.п.

Показатели эффекта

Массовая скорость конденсации пара в 1 кубометре пара: до 1 кг/c.

Объяснение

Кратко

Температура пара выше температуры его насыщения.
В паре возникают и исчезают капли жидкости.
Пар охлаждают до температуры ниже температуры его насыщения.
Пар становится пересыщенным.
В пересыщенном паре возникают устойчивые капли жидкости.
Скорость конденсации пара на поверхности устойчивой капли больше скорости его испарения с поверхности капли.
Размер капли увеличивается.
При определенном размере капли падают вниз.

Подробно

Температура пара (смеси пара и газа) выше температуры насыщения (Ts). Пар не конденсируется. Пар охлаждают до температуры ниже Ts. После этого пар начинает конденсироваться. В нем появляются капли жидкости, которые укрупняются, падая вниз под действием силы тяжести. Данное явление можно назвать конденсацией пара охлаждением.

Если пар содержит искусственные центры конденсации (мелкие капли жидкости, частицы пыли или дыма), то скорость конденсации значительно увеличивается.

При определенной температуре на границе раздела "жидкость-пар" наступает динамическое равновесие между потоком молекул, переходящих из пара в жидкость, и потоком молекул, переходящих из жидкости в пар. Такая температура пара называется температурой насыщения, а давление пара - давлением насыщения.

Пар с температурой и давлением насыщения называется насыщенным паром, а его состояние - состоянием насыщения или точки росы.

Если давление пара над жидкостью выше давления насыщения, такой пар называется пересыщенным. Степень перенасыщения пара (ε) характеризуется отношением его давления к давлению насыщения. Если ε =1, то пар насыщенный, если ε >1, то пар пересыщенный.

Пар охлаждают до температуры ниже температуры насыщения для того давления, при котором он находится. Образуется пересыщенный пар. В пересыщенном паре, как и в любом газообразном веществе, имеют место флуктуации плотности и давления. Там, где в силу флуктуаций возникает повышенное давление, пересыщенный пар начинает конденсироваться, образуя зародыш жидкой фазы (далее зародыш).

Устойчивость зародыша, как и любой капли жидкости, в пересыщенном паре зависит от его размера. Это связано с тем, что скорость испарения жидкости прямо пропорциональна кривизне ее поверхности. Большую кривизну поверхности имеют мелкие капли жидкости. Удельный поток пара, конденсирующийся на поверхности капли, определяется его давлением и не зависит от размера капли. Поэтому существует такой критический размер капли, при котором скорость испарения равна скорости конденсации пересыщенного пара на поверхности капли.

Следовательно, если размер образовавшегося зародыша меньше критического, то он испаряется, а если больше, то он продолжает расти, образуя устойчивую каплю жидкости.

Скорость конденсации пересыщенного пара, в первую очередь, определяется степенью его пересыщения. Чем больше степень пересыщения, тем выше скорость конденсации. Другим важным фактором, влияющим на скорость конденсации пересыщенного пара, является концентрация в нем мельчайших пылинок (аэрозолей).

Пылинки являются дополнительными (по отношению к зародышам) центрами конденсации. При попадании пылинки в пересыщенный пар ее поверхность сразу же покрывается конденсатом. Образуется капля жидкости, размер которой обычно больше критического. Такая капля начинает расти и при небольшой степени пересыщения пара.

Если охлаждается смесь пара и газа, то конденсация пара происходит точно так же, но с меньшей скоростью. Молекулы газа скапливаются у поверхности капли жидкости и затрудняют попадание на нее молекул пара.

Примечание.
1. Конденсация пара начинается в том случае, если его температура ниже температуры насыщения, а давление выше давления насыщения. При этом его температура должна быть ниже критической температуры данного вещества [критическое состояние].
2. Понятия газа и пара почти полностью эквивалентны. К газам относят вещества при температуре выше критической, поэтому при повышении давления газ не конденсируется. Процесс конденсации возможен лишь из парообразного состояния, т. е. при температуре ниже критической.

Расчетные модели

G - массовая скорость конденсации пара из парогазовой смеси при охлаждении, кг/с
d - начальный диаметр капель жидкости в парогазовой смеси, м
n - концентрация капель жидкости в парогазовой смеси, 1/м³
V - объем пара, м³
f - концентрация пара в парогазовой смеси (относительная влажность газа)
P - давление пересыщенного пара над каплей жидкости, Па (Паскаль)
P_S - давление паров насыщения жидкости, из которой образовался пар, Па
π - число «пи» = 3.14
m - масса молекулы пара, кг
k - постоянная Больцмана = 1.38 × 10-23 Дж/К (Джоуль/К)
T - температура парогазовой смеси, К (Кельвин)

Пример расчёта

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
G	кг/с	-	-	1.52 × 10^-2
d	м	0	10^-3	10^-7
n	1/м³	0	10¹⁵	10¹⁰
V	м³	0	10⁹	1
f		0	1	0.5
P	Па	0	10⁷	2 × 10⁵
P_S	Па	0	10⁸	1.01 × 10⁵
m	кг	3.34 × 10^-27	4 × 10^-25	3 × 10^-26
k	Дж/К			1.38 × 10^-23
T	К	0	3000	373

*Для водяного пара.

d* - критический диаметр стабильной капли жидкости в пересыщенном паре, м
w - объем капель жидкости в парогазовой смеси на одну молекулу (объем молекулы), м³
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м (Ньютон/м)
k - постоянная Больцмана = 1.38 × 10-23 Дж/К
T - температура парогазовой смеси, К
p_S - относительное давление паров насыщения жидкости
P_S - давление паров насыщения жидкости, из которой
образовался пар, Па
P - давление пересыщенного пара над каплей жидкости, Па

Примечание.
1. Формула 1 получена из формулы Герца - Кнудсена. Она дает оценку минимальной скорости конденсации. По мере роста капель жидкости скорость конденсации будет увеличиваться согласно квадратичному закону (d²).
2. Формула 1 верна для устойчивых капель жидкости или других зародышей парообразования, диаметр которых больше 10^-7 м.
3. Формула 2 дана для определения применимости формулы 1.

Свойства

Давление насыщенных паров воды P_S в зависимости от температуры T (t)

t, °С	0	20	40	60	80	100	120	140	160
T, K	273	293	313	333	353	373	393	413	433
P_S, 10³ Па	0.62	2.33	7.37	19.92	47.36	101.32	198.54	361.36	618.04

Давление насыщенных паров индия P_S в зависимости от температуры T (t)

t, °С	385	514	707	897	1181
T, K	658	787	980	1170	1454
P_S, Па	10^-8	10^-5	10^-2	1	10²

Давление насыщенных паров ртути P_S в зависимости от температуры T (t)

t, °С	-91	-43	-6	43	114
T, K	182	230	267	316	387
P_S, Па	10^-8	10^-4	10^-2	1	10²

Объем капель жидкости на одну молекулу w, коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ и относительное давление p_S для пересыщенных паров

Пар	w, 10^-29м³	σ, 10^-2 Н/м	p_S
Вода (300К)	3	7.5	4.2
Ртуть (300К)	2.5	47	1.5
Метиловый спирт (300К)	6.6	2.5	3.2
Этиловый спирт (273К)	9.4	2.4	2.3
Пропиловый спирт (270К)	12	2.5	3.1
Нитрометан (250К)	8.4	4.1	6.1
Этилацетат (240К)	16	3.1	12.3

Источники (для давления насыщенных паров воды Ps).

Физические величины. Под редакцией И.С. Григорьева и Е.С. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991, с. 254.

Применение

Охлаждение сжижает газ
Охлаждение создает капли жидкости в паре
Охлаждение уменьшает влажность газа
Конденсация пересыщенного пара очищает газ от пыли
Масса жидкости, образовавшейся при охлаждении газа, определяет его влажность
Нагрев предотвращает конденсацию пара
Охлаждение вызывает конденсацию пара

> Теплообмен пара с охлажденной жидкостью вызывает его конденсацию.

U.S. Patent 5,246,064; Sep. 9, 1993; “Condenser for use in a car cooling system”.

> Охлаждение потоком воздуха вызывает конденсацию пара хладагента в автомобильном кондиционере.

U.S. Patent 5,394,710; Mar. 7, 1995; “Refrigerating Apparatus”.

> Теплообмен пара, выходящего из дистиллятора, с жидкостью, поступающей в дистиллятор, вызывает конденсацию пара.

U.S. Patent 3,980,526; Sep. 14, 1976; “Liquid distillation apparatus”.
Охлаждение влажного газа позволяет получить жидкость

> Охлаждение выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания позволяет получить воду для стабилизации полетной массы дирижабля.

U.S. Patent 4,813,632; Mar. 31 1987; "Ballast Management System of Leghter That Aircraft".
Охлаждение разделяет смесь газов

> Охлаждение отделяет серосодержащую примесь от природного газа.

U.S. Patent 4,270,937; Apr. 18, 1979; “Gas Sseparation Process”.

> Охлаждение выделяет вредные примеси из воздуха салона автомобиля.

U.S. Patent 4,337,071; Jun. 29, 1982; “Air purification system using cryogenic techniques”.

Разделы науки: термодинамика, молекулярная физика

Литература

Ивченко И.Н. Об испарении (росте) капель при произвольных числах Кнудсена. ЖТФ, 1985, Т.55, № 1, с. 42-46.

Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. Москва, 1983.

Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. Москва, Энергия, 1977.

Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. Перевод с английского, Москва, 1966.

Vaynshteyn, B.K., and A.A. Chernov (eds.) Modern crysrallography. New York: Nova Science Publishers, 1988

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

Spading, Dudley B., and J. Taborek, eds. Heat Exchanger Design Handbook. Vol. 1, Heat exchanger theory. New York: Hemisphere Publishing Corporation, 1983.

Hirth, John, and Guy Pound. Condensation and evaporation. New York: Macmillan, 1963.

2. Эффект "Жидкость смачивает поверхность твердого тела"

Под действием разности сил адгезии Fa и поверхностного натяжения Fp жидкость растекаться по поверхности тела.

Синонимы: смачивание, несмачивание, лиофильность, гидрофильность, лиофобность, гидрофобность.

Условия реализации

Тело должно контактировать с жидкостью.

Показатели эффекта

Краевой угол смачивающих жидкостей: от 0 до 90 градусов.
Краевой угол несмачивающих жидкостей: более 90 градусов.
Толщина слоя смачивающей жидкости: до 10-8 м (примерно диаметр одной молекулы).

Объяснение

Кратко

На любой участок поверхности капли жидкости действуют силы поверхностного натяжения.
Силы поверхностного натяжения F направлены по касательной к поверхности капли жидкости.
Каждую из сил поверхностного натяжения можно разложить на продольную и нормальную составляющую (F_p и F_n).
Продольные составляющие сил поверхностного натяжения направлены к центру капли, а нормальные - перпендикулярно вверх от поверхности жидкости-подложки.
Со стороны молекул тела на молекулы капли жидкости действуют силы адгезии F_a.
Силы адгезии направлены параллельно поверхности тела.
Если силы адгезии F_a больше силы поверхностного натяжения F_p, то капля будет растекаться по поверхности тела.
В противном случае продольные силы поверхностного натяжения F_p будут стягивать каплю жидкости, и она сохранит свою целостность.

Подробно

Каплю жидкости помещают на горизонтальную поверхность тела. Если жидкость не смачивает поверхность тела, то под действием собственного веса капля деформируется, принимая расплющенную форму. Если жидкость смачивает поверхность тела, то под действием собственного веса капля жидкости растекается по поверхности тела, превращаясь в пленку. Данное явление называется смачивание (несмачивание).

Показателем, характеризующим смачивание, является угол, отсчитываемый от смачиваемой поверхности в сторону смачивающей жидкости, так называемый краевой угол смачивания. Если краевой угол смачивания острый, то жидкость называют смачивающей твёрдое тело, если тупой, то - несмачивающей. В соответствии с этим, твёрдое тело называется лиофильным (в том случае, если жидкостью является вода - гидрофильным) или лиофобным (гидрофобным).

Значение угол смачивания определяет предельные случаи данного явления. Если краевой угол смачивания равен нулю, то смачивание считается идеальным. Напротив, если угол смачивания прямой, то имеет место полное отсутствие смачивания.

В равновесных условиях (т. е. в отсутствие гравитации, капиллярного эффекта, химического взаимодействия, диффузии, адсорбции и т. д.) угол смачивания (Θ) определяется уравнением Юнга.

Здесь:
Θ - краевой угол смачивания, образуемый мениском жидкости возле поверхности тела, град.
σ_S - поверхностное натяжение тела на границе с окружающей средой, Н/м (Ньютон/м)
σ_SL - поверхностное натяжение на границе тело - жидкость, Н/м
σ_L - поверхностное натяжение жидкости на границе с окружающей средой, Н/м

На любой участок поверхности капли жидкости действуют силы поверхностного натяжения. Возникновение этих сил обусловлено притяжением молекул жидкости друг к другу (силы когезии). Если молекула находится внутри объема жидкости, то действующие на неё силы когезии со стороны других молекул взаимно компенсированы. Если молекула находится на поверхности жидкости, то на неё действует ненулевая сила когезии. Векторная сумма всех сил когезии, действующих на поверхностные молекулы жидкости, образует силу поверхностного натяжения. Данная сила направлена по касательной к поверхности жидкости, так чтобы стянуть эту поверхность, и уменьшить её площадь.

Со стороны молекул тела на молекулы капли жидкости так же действуют силы адгезии. Эти силы направлены параллельно поверхности тела от центра капли жидкости. Тем самым силы адгезии стремятся растянуть каплю жидкости вдоль поверхности тела.

Силы поверхностного натяжения F направлены по касательной к поверхности капли жидкости. Поэтому каждую из этих сил можно разложить на продольную и нормальную составляющую (F_p и F_n). Продольные составляющие сил поверхностного натяжения направлены к центру капли, а нормальные - перпендикулярно вверх от поверхности тела.

Поведение капли жидкости при растекании зависит от соотношения сил адгезии (F_a) и продольных сил поверхностного натяжения (F_p), действующих на край капли жидкости. Если силы адгезии F_a больше силы поверхностного натяжения F_p, то капля будет растекаться по поверхности тела. В противном случае продольные силы поверхностного натяжения F_p будут стягивать каплю жидкости, и она сохранит свою целостность.

В силу сказанного, на смачивания сильно влияет качество поверхности тела. Шероховатость лиофильной поверхности улучшает её смачивание, а лиофобной - его снижает. Смачивание твёрдых поверхностей может быть увеличено путём введения в смачивающую жидкость различных веществ, например, поверхностно-активных.

Часто наблюдается задержка смачивания, которая называется гистерезисом смачивания. Такого рода задержка появляется при движении капель, при воздействии внешних сил, из-за шероховатости поверхности и ряда других причин.

Несколько по-другому проявляет себя смачивание при погружении тела в большой объем жидкости. Если жидкость не смачивает тело, то под действием тела поверхность жидкости прогибается, и приобретает форму погруженной в неё части тела. Если жидкость смачивает тело, то часть жидкости поднимается вверх по поверхности тела, образуя мениск.

D - максимальный диаметр капли несмачиваемой жидкости, находящейся на горизонтальной поверхности, м
d - диаметр сферической капли, соответствующей массе деформированной капли жидкости, м
ρ - плотность жидкости, кг/м³
g - ускорение свободного падения = 9.8 м/с²
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м (Ньютон/м)

Примечания.
Формула 1 верна при условии, что форма растекшейся жидкости азимутально симметрична.

Пример расчета по формуле 1

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
D	м	-	-	0.018
d	м	10^-4	0.05	0.01
ρ	кг/м³	0.79 × 10³	13.55 × 10³	1000
σ	Н/м	22.8 × 10-3	465 × 10^-3	72.8×10^-3

*Для воды.

δ - толщина пленки на поверхности тела, извлекаемого из жидкости, м
π - число "пи" = 3.14
η - динамическая вязкость жидкости, Па·с (Паскаль·с)
V - скорость извлечения тела из жидкости, м/с
σ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м
ρ - плотность жидкости, кг/м³
g - ускорение свободного падения = 9.8 м/с²

Примечание.
Формула 2 при условии, что:

тело извлекается из жидкости вертикально вверх;
поверхность тела - плоское, а его линейные размеры существенно больше толщины пленки.

Пример расчета по формуле 2

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
δ	м	-	-	1.17 × 10^-3
η	Па·с	0.33 × 10^-3	1367 × 10^-3	1.05 × 10^-3
V	м/с	0	1	0.5
σ	Н/м	22.8 × 10^-3	465 × 10^-3	72.8 × 10^-3
ρ	кг/м³	0.79 × 10³	13.55 × 10³	10³
g	м/с²			9.8

*Для воды.

Свойства

Поверхностное натяжение σ, плотность ρ и динамическая вязкость η жидкостей при нормальных условиях

Жидкость	σ, 10-3_Н/м	ρ, 10³кг/м³	η, 10^-3 Па·с
Ацетон	23.7	0.791	0.33
Бензол	29	0.879	0.67
Вода	72.8	0.998	1.05
Глицерин	59.4	1.26	1367
Керосин	28.9 (0 °С)	0.81…0.84²⁾
Масло касторовое	36.4 (18 °С)	0.96²⁾
Ртуть	465	13.55	1.59
Спирт этиловый	22.8	0.79	1.22
Толуол	28.5	0.866

Источники

1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Москва, 1976, с. 56, 84.

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

Применение

Жидкость смачивает тело

> Жидкость смачивает частицы пыли в газопромывочной колонне воздухоочистительной установки.

U.S. Patent 3,963,461; Jun. 15, 1976; “Humidity control system with apparatus for removing combustible dust particles“.

> Вода смачивает частицы порошка катализатора, в процессе изготовления керамических микросфер для автомобильного нейтрализатора.

U.S. Patent. 4,039,480; Aug. 2, 1977; “Hollow ceramic balls as automobile catalysts supports”.
Нанесение тонкой пленки жидкости на несмачиваемую поверхность позволяет получить микроскопические капли

> Нанесение тонкой пленки жидкости на несмачиваемую поверхность роликов позволяет получить микроскопические капли чернил в печатающем устройстве.

U.S. Patent 5,622,805; Apr. 22, 1997; “Non-contact ink developing method using water-repellent surface”.
Испарение растворителя из смачивающего раствора, нанесенного на поверхности теле, создает пленку определенной толщины.

U.S. Patent 3,749,534 Jul. 31 1973; Apparatus for the production of sheets or films from liquid material having poor mechanical stability and not susceptible of begin directly pumped.
Твёрдое тело притягивает и удерживает смачиваемую жидкость

Вращающейся цилиндр удаляет загрязняющую жидкость с поверхности другой жидкости.

U.S. Patent 4,287,063; Sep. 01, 1981; “Apparatus for separating liquids”.
Контакт тела с несмачиваемой жидкостью искривляет ее поверхность

Разделы науки: физика поверхности, физическая химия поверхностей

Литература

Гиббс Д.В. Термодинамика. Статистическая механика. Москва, Наука, 1982.

Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. Москва, 1974.

Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. Москва, 1976.

Горюнов Ю.В., Сумм Б.Д. Смачивание. Москва, 1972.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Москва, Мир, 1979.

Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. Москва. Физматгиз., 1959.

Adamson A.W., Gast A.P. Physical Chemistry of Surfaces. 6th ed. New York: John Wiley & Sons, 1997.

Applied Surface Thermodynamics ed. A. W. Neumann and Jan K. Spelt. New York: M. Dekker, 1996.

Ivanov, I.B., ed. Thin Liquid Films: fundamentals and applications. New York: Marcel Dekker, 1988.

3. Эффект "Размер капли жидкости влияет на скорость ее испарения"

Дробление объёма жидкости на мелкие капли увеличивает суммарную площадь ее поверхности испарения.

Условия реализации

Жидкость и пар должны быть различными фазами одного и того же вещества.

Показатели эффекта

Скорость испарения 1 кг капель жидкости: до 10^-2 кг/с.

Объяснение

Кратко

Скорость испарения жидкости пропорциональна площади ее поверхности.
Дробление жидкости на мелкие капли увеличивает суммарную площадь ее поверхности.
Скорость испарения жидкости увеличивается.
Чем мельче капли, тем быстрее испаряется жидкость.

Подробно

Скорость испарения жидкости зависит от её свойств, параметров окружающего газа и площади поверхности испарения. Чем больше площадь поверхности капли, тем быстрее она испаряется.

Небольшие капли жидкости (порядка миллиметра) имеют шарообразную форму. Площадь поверхности такой капли прямо пропорциональна квадрату её радиуса (R²). Поэтому чем больше капля, тем быстрее она испаряется. По мере испарения радиус капли уменьшается, что снижает скорость её испарения.

С другой стороны, наблюдается, что дробление жидкости на более мелкие капли увеличивает эффективную скорость её испарения. Иными словами, чем больше степень дробления исходного объёма жидкости, тем быстрее она испаряется.

Действительно, если фиксированный объем жидкости раздробить, то образуется большое число мелких капель. Чем меньше радиус (R) капель, тем больше их число (N): N~R^-3. Скорость испарения капли (V) прямо пропорциональна ее радиусу: V~R (см. раздел Расчётные модели).

Суммарная скорость испарения всех капель, образовавшихся после дробления (W), определяется по формуле W=N·V, поэтому W~R^-2. Следовательно, дробление увеличивает скорость испарения объёма жидкости.

Расчётные модели

W - скорость испарения объёма жидкости после дробления, кг/с
α - степень дробления объёма жидкости
V - скорость испарения отдельной капли жидкости, кг/с
M - масса объёма жидкости, кг
m - масса капли, кг
π - число “пи” = 3.14
R - радиус капли жидкости, м
ρ - плотность жидкости, кг/м³
D - коэффициент диффузии пара в окружающем газе, м²/c
ρ_v - плотность насыщенного пара, кг/м³
f - относительная влажность окружающего газа

Примечание.
Формула справедлива при условии:

форма капли - шар;
процесс испарения - стационарный.

Пример расчета

Символ	Размерность	Минимальное	Максимальное	Реальное*
W	кг/с	-	-	1.59 × 10^-3
α		-	-	4.24 × 10⁵
V	кг/с	-	-	3,75 × 10^-9
M	кг	0	10⁵	0.1
ρ	кг/м³			10³
R	м	0	10^-2	10^-3
D	м²/c	0	0.6 × 10^-4	0.6 × 10^-4
ρ_v	кг/м³	0	10^-2	10^-2
f		0	1	0.5

*Для воды.

Свойства

Плотность ρ жидкостей при нормальных условиях

Жидкость	ρ, 10³ кг/м³
Ацетон	0.79
Бензол	0.879
Бром	3.12
Вода	1.00
Глицерин	1.26
Керосин ²⁾	0.81…0.84
Масло машинное	0.9
Масло трансформ.	~0.9
Ртуть	13.55
Спирт этиловый	0.79

Коэффициент диффузии пара D и плотность насыщенного водяного пара ρ_v при нормальном давлении в зависимости от температуры t

D, 10^-5 м²/c	ρ_v, 10^-3 кг/м³	t, °С
21	4.84	0
2.2	17	15

Источники.

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

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

Применение

Дробление увеличивает скорость испарения жидкости

> Дробление капель жидкости увеличивает скорость испарения жидкости из многокомпонентной жидкости

U.S. Patent 4,642,165; Feb. 10, 1987; "Method of vaporizing multicomponent liquids".
Дробление капель жидкости стабилизирует состав пара, образующегося из многокомпонентной жидкости

U.S. Patent 4,642,165; Feb. 10, 1987. "Method of vaporizing multicomponent liquids".

Разделы науки: молекулярная физика, термодинамика.

Литература

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Теплота и молекулярная физика. Москва, Наука, 1979.

Cheremisinoff, Nicholas P. Handbook of Heat and Mass Transfer. Houston: Gulf Publishing Company, 1986.

Landau, Lev D., and E.M. Lifshits. Course of Theoretical Physics. Vol. 6. Fluid mechanics. Oxford; New York: Pergamon Press, 1986.

Заключение

Для решения задачи «уменьшить размер капель-зародышей на поверхности призмы» программа Новатор предложила 2 концепции: «Ультразвук дробит капли жидкости» и «Струя газа дробит капли жидкости». Первая из них характеризуется более высоким относительным качеством.

На основе концепции ультразвукового дробления капель жидкости разработано техническое решение, предотвращающее образование плёнки водяного конденсата на поверхности призмы. С помощью внешнего источника (не показан на рисунке) в призме возбуждают ультразвуковые волны. Если на её поверхности образуется капля водяного конденсата, то под действием ультразвука она распадается на части. В результате появляется несколько капель, диаметр которых меньше критического. Такие капли начинают самопроизвольно испаряться при тех же условия, при которых образовалась исходная капля. Тем самым испарение капель жидкости, образовавшихся на поверхности призмы, происходит без «затраты энергии» - за счёт тепловой энергии окружающего воздуха.

Для снижения расхода энергии на дробление капель и устранение дифракции зондирующего пучка света на ультразвуке (дифракция Брэгга), лучше использовать поверхностную ультразвуковую волну с вертикальной поляризацией. Такая волна будет распространяться только в поверхностном слое призмы, а в капли будут проникать отходящие ультразвуковые волны.