بررسی انرژی کاویتاسیون در سیال با استفاده از امواج فراصوت در شرایط ترمودینامیک

به نام یگانه خالق هستی
موضوع: بررسی انرژی کاویتاسیون در سیال با استفاده از امواج فراصوت در شرایط ترمودینامیک
نویسنده: پژوهشگر احسان نیکبخت ،مهندسی صنایع شیمیایی
مورد مطالعه برای : پژوهش گران ، دانش آموزان و دانشجویان ، صنعت گران و مهندسین اتوماسیون صنعتی

چکیده:
امروزه استفاده از انرژی هایه پاک برای استخراج به کار برده می شود.
یکی از این انژری ها پدیده کاویتاسیون ، حفره زای ، خلاء زای یا حباب زای نام دارد. این پدیده بر اثراختلاف فشار ایجاد میشود که در این مطلب اختلاف فشار به وسیله سرعت امواج مکانیکی داخل سیال را بررسی می کنیم. میکرو حباب های ایجاد شده هنگام برگشت باعث انفجار میکرو حباب میشود. نیروی ایجاد شده برابر با سرعت 420 کیلومتر در ساعت ، فشار 200 بار و دمای معادل 4500 درجه سانتیگراد است. که دراین مطلب آشنایی با امواج فراصوت تاثیر و رفتاراین پدیده درسیال در محیط های (مایعات ، گازها و جامدات ) پرداخته ایم .
تعاریف جامع و کاملی برای پدیده کاویتاسون وجود دارد که برای آشنایی کامل تر این مطلب را مطالعه کنید.
تمام تلاش برای بیان هرچه سادتر ، دقیق تر و جامع تر این موضوع برای دنبال کنندگان کیمیکال به عمل آمده است.

و همچنین معلم و دبیر دلسوز مهندس کیانی که این فرصت را برای شیمی دانان مهیا کرده است که رسالت خودشان را به علم شیمی برای محققین شیمی فراهم کنند.

مختصری راجب عمل کرد دستگاه التراسنیک
دستگاه از سه قسمت تشکیل شده
1. ژنراتور یا منبع تغذیه :
2. ترانسمیتر یا تبدیل کننده انرژی:
3. پراب یا انتقال دهنده:
1. ژنراتور یا منبع تغذیه : وظیفه تبدیل مقدار بسامد یا فرکانس برق شهری که معادل 50 تا 60 هرتز را به مقدار 100 تا 1500 هرتز میرساند منبع تغذیه دستگاه التراسونیک به صورت اتوماتیک و دستی قابل برنامه نویسی برای معیار های زمان و مقدار توان قابل تنظیم است. در نتیجه مهنترین نکته دست یابی به مقدار دقیق تر این معیار ها است.
2. ترانسمیتر یا تبدیل کننده انرژی : وظیفه تبدیل بسامد یا فرکانس به امواج مکانیکی را دارد.
3. پراب یا انتقال دهنده : وظیفه انتقال امواج به سیال را دارد این انتقال از سطح عمودی پراب درون سیال منتقل میشود که نیازبه آلیاژی مناسب برای انتقال بهتر با کمترین اتلاف انرژی مد نظر است. در نتیجه هر چه سطح بیشتر باشد مقدار انتقال بیشتر است. (شکل 1)

موارد استفاده هموژنایزر التراسونیک:
1. همگن سازی ذرات به صورت هم اندازه در بازه ابعاد میکرومتر
2. سوسپانسون مخلوط معلق جامدات در مایعات
3. امولیسون مایعات اتصال و قرار گیری دو مایع غیرحلال مانند آب و روغن که با کمک امولسیونفایربه یک دیگر متصل می شود استفاده از هموژنایزر التراسونیک کامل تر و بهتر در کمترین زمان امولنت را انجام می دهد.
4. تخریب سلولی و میکروبی
5. جداسازی پیوند کووالانسی
6. استخراج و نفوذ به غشاء گیاهان
7. …
تا اینجا مختصر و جامع راجب عمل کرد دستگاه اشاره شد که برای اطلاعات بیشتر میتوانید به این سایت مراجعه کنید.
مطالب در بخش های زیر مورد آنالیز قرار میگیرد.
1. بررسی ساده و دقیقتر پدیده کاویتاسیون
1.1 بررسی شرایط ترمو دینامیکی
2. بررسی تاثیر پدیده در محیط پیرامون سیال به زبان ساده
1.2 پیرامون سیال ، جامدات باشد.
1.1.2 تاثیر شرایط ترمودینامیکی برای جامدات
2.2 پیرامون مایعات ، گاز ها باشد.
1.2.2 تاثیر شرایط ترمودینامیکی برای گاز ها
3.2 پیرامون سیال مایعات غیر قابل انحلال شدن باشد.( آب و روغن)
1.3.2 تاثیر شرایط ترمودینامیکی برای مایعات غیر قابل انحلال .( آب و روغن)
4.2 پیرامون سیال مایعات غیر قابل واکنش شیمایی باشد.
1.4.2 تاثیر شرایط ترمودینامیکی برای مایعات غیر قابل واکنش
3. بررسی مقدار توان اعمالی دستگاه در شرایط ایدآل
1.3 بررسی مقدار توان اعمالی در شرایط ترمودینامیکی (فشار)
2.3 بررسی مقدار توان اعمالی در شرایط ترمودینامیکی (دما)
3.3 بررسی مقدار توان اعمالی در شرایط ترمودینامیکی (سرعت)
4. بررسی مقدار زمان اعمالی دستگاه در شرایط ایدآل
1.4 بررسی مقدار زمان اعمالی دستگاه در شرایط ترمو دینامیکی (فشار)
2.4 بررسی مقدار زمان اعمالی دستگاه در شرایط ترمو دینامیکی (دما)
3.4 بررسی مقدار زمان اعمالی دستگاه در شرایط ترمو دینامیکی (سرعت)

1.بررسی ساده و دقیقتر پدیده کاویتاسیون
برای درک راحت تر باید رفتار دقیق یک میکرو حفره را بررسی کنیم! همان گونه که در (شکل 2) مشاهده میکنید این میکرو حفره ها که بر اثر امواج مکانیکی ایجاد میشود و به دلیل بالا بودن تعداد قله ها و نزدیکی بسیار زیاد این قله ها قدرت تخریب را برای ما فراهم میکند که در دسته تخریب سلولی تا ابعاد میکروبی مورد استفاده است.

پدیده ی کاویتاسیونی که به وسیله فراصوت ایجاد میشود ! به دلیل برگشت یا ایجاد خلاء روی طول موج به وجود می اید.(که در طبیعت موارد مشابه زیادی دارد!)
این خلاء ای که ایجاد شده در کثری از ثانیه به مایع بر می گردد (شکل 3)

اگر خلاء را دایره در نظر بگیریم ، در یک قطر به صورت عمود برگشتی ایجاد میشود که با سرعت 420 کیلومتر در ساعت با فشاری معادل 200 بار و نقطه تلاقی این قطر دمای معادل 4500 درجه سانتیگراد ایجاد می کند.
نکته بسیار مهم این است که این پدیده درون سیالات اتفاق می افتد و محیط لازمه آن باید سیال باشد.
هرچه ویسکوزیته سیال بالا باشد نیاز به طول موج های قویتری داریم.
اعمال شرایط ترمودینامیکی بیشتر و کار آمد به ما این امکان را میدهد که به بهترین راندمان برسیم.

1.1 بررسی شرایط ترمودینامیکی
شرایط ترمودینامیکی اعمال شده هم راندمان را بالا میبرد هم در بعضی از محیط های پیرامون پدیده رفتار متفاوتی دارد.
شرایط ترمودینامیکی در سه دسته مورد بررسی قرار می گیرد.
1.تغییرات دما
2.تغییرات فشار
3.تغیرات سرعت
نکته در هر سه دسته با افزایش ویا کاهش رفتار متفاوتی را شاهد هستیم که برای درک بیشتر در بخش پیرامون جز به جز بررسی می کنیم.

2.بررسی تاثیر پدیده در محیط پیرامون سیال به زبان ساده
در این بخش از قدت تجسمی ذهن خود استفاده کنید که راحتر آن را درک کنید.
بیاید یک چکش را در نظر بگیرید که به صورت عمود با نیروی معادله ، سرعت 340 کیلومتر، فشار 200 بار و نقطه برخورد با دمای 4500 درجه سانتیگراد را به محیط پیرامون سیال وارد میکنید . منظور از تاثیرات پدیده پیرامون سیال محدوده ای است که این نیرو به آن وارد می شود و آنالیز را نسبت به مواد و عناصر موجود سیال بررسی می کنیم و همچنین تغییرات ترمودینامیکی آن
نکته بسیار مهم شرایط ایده آل پیرامون مربوط به این است که تمام اجزایه محیط را شناسانی کرده و حتما نقطه جوش ویا تخریب آن را بدانیم.

1.2 پیرامون سیال جامدات باشد.
منظور از جامدات تمام موادی که به صورت جامد در سیال پراکنده است.
همان چکش را در نظر بگیرید با نیروی که دارد به سطح جامد ما برخورد میکند چه اتفاقی روخ می دهد؟
بیاید جامد را یک سنگ در نظز بگیرید!
زمان برخورد چکش به سنگ عمل خورد شدن به همراه است! اتفاقی که رخ میدهد شکاف و خورد شدن سنگ و استفاده از ویژگی سطحی جامد پیرامون سیال است.

1.1.2 تاثیر شرایط ترمودینامیکی برای جامدات
با افزایش یا کاهش انرژی جنبشی رفتار متفاوتی را برای جامدات مشاهده می کنیم .
مثال همان سنگ را در نظر بگیرید زمانی که بسیار سردش کرده اید راحتر خورد میشود یا زمانی که گرم کردید؟
بدون شک هرچه انرژی جنبشی بین اتمی کمتر باشد برای عناصر از جمله فلزات راحتر خورد میشود برعکس هم امکان پذیر است جامدی دارید که با افزایش انرژی بین اتمی به استخراج و حالت دیگر ماده دست پیدا می کنید.
پس باید بررسی کامل راجب جامد پیرامون سیال انجام بگیرد.

این مطلب ادامه دارد…

نویسنده: مهندس احسان نیکبخت