Волновые технологии процессов перемешивания, разделения и классификации. Решение проблем машиностроения, материаловедения, экологии, энергетики и других отраслей. Волновые машины и аппараты.

13. Волновые гомогенизация, смешение и разделение жидких смесей, эмульсий и суспензий по плотностям и размерам дисперсных элементов.

Механическое перемешивание сред происходит благодаря растяжению и искривлению материальных элементов среды в процессе ее движения. Любой малый элемент среды, находящийся на входе в смеситель, в процессе движения будет деформироваться и, как следствие, будут изменяться расстояния между составляющими его точками. Очевидно, если через некоторое время в результате движения среды все точки этого элемента будут равномерно распределены по всему объему среды, то можно говорить о хорошем перемешивании начального элемента. Степень “разбегания“ точек локального объема можно характеризовать относительным удлинением начального расстояния между ними в процессе движения. Аналогично можно рассмотреть изменения в процессе движения элементарных площадок, характеризующиеся не только изменением их площадей, но также и изменением их ориентации в пространстве. Такого рода эффекты можно характеризовать величиной относительного увеличения площади. Увеличение абсолютных значений относительных удлинения и увеличения площадей характеризует улучшение качества перемешивания. Усредняя данные характеристики по всевозможным линейным элементам и элементам площади, а также по времени, можно перейти к так называемым интенсивностям перемешивания, которые характеризуют процесс перемешивания интегрально. Понятно, что для вычисления этих величин необходимо знать траектории движения каждой частицы среды и каждой площадки. Такого рода исследования динамических режимов нелинейной волновой механики показывают, что эти режимы могут реализовать высококачественное перемешивание.

Основываясь на вышеописанных результатах можно заключить, что для осуществления качественного перемешивания необходимо реализовать такие формы движений, которые характеризуются наличием гомоклинических структур (по меньшей мере в поле течения среды должны быть гиперболические особые точки). Кроме того, если необходимо смешать разнородные среды с различными плотностями, то реализуемые с этой целью режимы движения должны порождать такие волновые силы, которые способствуют ослаблению действия внешней гравитации. Наконец, гидродинамические режимы, которые пригодны для осуществления перемешивания и смешения должны обеспечить неустойчивость ламинарных режимов.

Наоборот, для реализации разделения смесей требуется реализовать такие режимы движения сред, которые характеризуются, во-первых, локализацией компонентов одной плотности (коагуляцией, если имеются жидкие компоненты), что, например, может быть обеспечено наличием в течении устойчивых эллиптических особых точек, во-вторых, возбуждением таких волновых сил, которые способствуют усилению действия внешней гравитации, и наконец, в-третьих, режимы должны обеспечить динамическую ламинаризацию гидродинамических режимов.

Приведенные критерии позволяют сформулировать требования к волновым машинам, к их способности реализовывать тот или иной режим, сопоставлять различные виды машин с точки зрения их пригодности для перемешивания или разделения, позволяет выбирать оптимальные геометрические характеристики рабочих камер перемешивания и формы внешних воздействий, способствующие улучшению качества перемешивания и разделения.

Подобные соображения пригодны и для осуществления процессов гомогенизации и разделения смесей, содержащих дисперсные элементы разных размеров. Волновые поля, которые создаются для выполнения этих целей должны порождать волновые силы, которые действуют по-разному на дисперсные элементы разных размеров.

Такие поля были выявлены, и на их основе были созданы волновые машины, которые с минимальными энегозатратами выполняют классификацию дисперсных элементов, например, в сыпучих средах. Ряд классификаторов сыпучих сред буде показан в восьмой главе.