Знак вопроса 2002 № 02
Шрифт:
Одним из основных преимуществ ультразвуковой очистки перед другими способами является ее высокое качество. Кроме того, стало гораздо легче очищать детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, узкие щели, маленькие отверстия и полости. Ультразвуковая очистка высокопроизводительна и допускает замену огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей водными растворами щелочных солей и другими менее опасными и более дешевыми веществами.
Чем объяснить высокую эффективность ультразвуковой очистки? Ответ на этот вопрос связан с очень интересным физическим явлением, называемым кавитацией (латинское cavitas — пустота). Теоретически о существовании этого явления знали с тех пор, как петербургский академик Леонард Эйлер обосновал возможность образования в
Практически с кавитацией столкнулись много позже, в прошлом веке, когда на кораблях вместо боковых гребных колес появились винты, вращающиеся с большой скоростью. Капитаны стали замечать, что скорость их судов с течением времени постепенно падает без видимых на то причин. Но причина была и достаточно видимая. Когда осмотрели винт одного из кораблей, поставленных в док на ремонт, увидели, что его лопасти похожи на лепестки, изъеденные гусеницами. Этим явлением, естественно, заинтересовались и стали его изучать. Судостроителей, а также создателей гидротурбин беспокоила, прежде всего, одна мысль: как бороться с этим грозным и неумолимым врагом, как уберечь лопасти винтов и турбин от разрушающего воздействия облака кавитационных пузырьков, которые, как было установлено, образуется на границе жидкость — твердое тело при определенных условиях в определенном режиме работы.
Нас кавитация в данном случае интересует с другой стороны — не как враг, а как друг. Этот парадокс возник сравнительно недавно — с того времени, когда стали изучать ультразвук и разрабатывать технологию ультразвуковой очистки.
Явление кавитации возникает не только при вращении винтов. Кавитационные пузырьки появляются, если в жидкость излучать ультразвуковые колебания. Кавитацию, возникающую под воздействием ультразвуковых колебаний, иногда называют ультразвуковой кавитацией. Ультразвуковые колебания образуют в жидкости чередующиеся в соответствии с частотой области высоких и низких давлений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость как бы разрывается, порождая многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров, находящиеся до этого в жидкости в растворенном состоянии. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки «захлопываются». Возникают ударные волны с очень большим мгновенным давлением. Вот эти бесчисленные микровзрывы кавитационных пузырьков и снимают с поверхности обрабатываемой детали грязь, жиры, окалину и нередко даже ржавчину.
Ультразвук очищает самые разнообразные металлические, стеклянные, керамические и другие детали. Так, например, кольца подшипников легко очищаются от полировочной пасты, печатные платы — от флюса, детали и прокат жести — от термической окалины, оптические детали и драгоценные камни — от флюса, детали и прокат жести — от термической окалины, оптические детали и драгоценные камни — от полировочных веществ, мелкие детали — от заусениц, медицинский инструмент, стеклянная тара — от жировых и других различных загрязнений.
Прекрасные статуи Венеции изъедены «черной оспой» — так называют жители этого города страшные следы, которые оставляют на мраморе дым и копоть — бич большого современного города. Главный хранитель венецианских памятников, посоветовавшись с учеными и инженерами, организовал работы по очистке мрамора с помощью ультразвука. В отличие от пескоструйного способа ультразвуковой не причиняет никакого вреда мрамору, а скорость и качество очистки высокие. Ученые считают, что ультразвук поможет сохранить уникальные памятники истории.
При частой демонстрации фильмов киноленты изнашиваются, загрязняются и, в конце концов, приходят в негодность. Специалисты научались реставрировать ленты, возвращая им прежнюю «молодость.». Но прежде чем начинать реставрацию, киноленту нужно хорошо промыть, а это
Ультразвуковой метод можно применить для стирки тканей, особенно шерсти. Обычно шерсть сильно загрязняется жиром и другими органическими веществами. Мыльные и щелочные растворы ухудшают качество волокна. При ультразвуковой стирке применяются нейтральные растворы, сохраняющие качество волокна. Кроме того, ультразвуковая мойка способствует уничтожению различных микроорганизмов, находящихся в немытой шерсти. Применение ультразвуковых машин особенно эффективно для стирки грубых, сильно загрязненных вещей, когда обычная стирка малопригодна.
Одна из японских фирм разработала ультразвуковую стиральную машину, которую можно использовать как домашнюю ванну. Человеку, сидящему в ней, не нужно делать никаких движений: машина сама вымоет его, притом за очень короткое время. Неизвестно, правда, насколько такая мойка полезна (или не вредна) для здоровья, — реклама об этом умалчивает.
Там же, в Японии, изобретена стиральная машина, которая не требует мыла и других моющих средств. Вода в бачке машины с помощью специального насоса насыщается воздушными пузырьками, они и удаляют с ткани грязь. Использованную один раз воду можно применять вторично, пропустив ее через фильтр. В машине нет отжимной центрифуги, поэтому белье при стирке в ней меньше изнашивается. Судя по всему, процесс стирки в этой машине основан на явлении ультразвуковой кавитации.
Применение ультразвука для стирки тканей становится с каждым годом все популярней. Это связано не только с повышающимся интересом населения к такой стирке, а прежде всего с развитием ультразвуковой техники, доходящей почти что до «чудо техники». Традиционные стиральные машины — это агрегаты, по размерам немного меньшие холодильников и занимающие пол ванной комнаты.
Теперь, чтобы ультразвуковые колебания бесшумно проникали между волокнами, достаточно опустить маленький пластмассовый диск в емкость с замоченным бельем, куда предварительно добавить 1–2 грамма порошка на литр воды. Далее остается только подключить устройство к сети, и вы свободны. Через полчаса остается лишь прополоскать идеально чистое белье.
Преимущество ультразвуковой стирки еще и в том, что в отличие от обычных стиральных машин белье не рвется и не изнашивается, а следовательно, дольше сохраняется. Заодно белье еще и дезинфицируется, чего не обеспечивает ни одна стиральная машина в мире. Кроме того, выстиранное белье приобретает легкий аромат озоновой (послегрозовой) свежести.
Ультразвук применяют и для других видов очистки, основанных на иных физических принципах действия. Одна из серьезнейших сегодняшних технических проблем — очищение загрязненного воздуха от пыли, дыма, копоти, тумана, окислов металлов и т. д. Мельчайшие частицы этих веществ из заводских и фабричных труб устремляются вверх, а потом разносятся ветром на большие расстояния. Например, по серому налету на листьях деревьев и на окружающих предметах нетрудно догадаться, что в этом районе находится цементный завод, тысячи тонн цемента теряют заводы в виде распыленных мельчайших частиц при обжиге. То же самое происходит и на химических, алебастровых, сажегазовых и других предприятиях.
С давних пор пользуются пылеулавливающими устройствами, действие которых основано на различных принципах. Это пылеосадочные камеры, ротационные пылеулавители, центробежные уловители, электрофильтры и т. д. Однако все эти устройства громки и не всегда достаточно эффективны. Поэтому ученые продолжают искать новые пути ускорения и повышения качества очистки воздуха от газа и загрязнения.
На одном из международных симпозиумов рассматривалась проблема уменьшения загрязненности воздушной среды. Некоторые ученые в своих докладах отмечали перспективность ультразвукового метода очистки воздуха, так как он обладает многими положительными качествами. Он не зависит от температуры и влажности среды. Ультразвуковые устройства просты в эксплуатации и легко поддаются автоматизации.