ứng dụng công nghệ siêu âm hiệu quả cao trong chống đóng cặn trên các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống

Các phương pháp thường được sử dụng hiện nay để đấu tranh chống lại sự hình thành cáu cặn với mục đích: giảm số lượng các muối cacbonnat cứng có trong nước bằng cách sử lý nước với sự hỗ

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí

Chủ nhiệm đề tài: Ts Lê Trí Vĩnh

6927

28/7/2008

Hà nội – 2008

Mục lục

Danh sách các thành viên tham gia……….5

Lời nói đầu……… 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TẢY RỬA VÀ CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG, SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP 9 1.1 Tổng quan về cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống 9

1.1.1 Khái niệm về nước cứng và độ cứng của nước 9

1.2 Tổng quan về các công nghệ tảy rửa cặn 12

1.2.1 Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí 12

1.2.2 Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí kết hợp hoá chất 13

1.2.3 Công nghệ tảy rửa bằng năng lượng siêu âm 16

1.3 Tổng quan về các công nghệ chống cáu cặn liên tục 16

1.3.1 Công nghệ chống đóng cặn bằng sử lý nước 16

1.3.2 Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng sóng từ trường 17

1.3.3 Nguyên lý làm việc của thiết bị xử lý nước điện tử 19

1.3.4 Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm 21

1.4 Âm và sóng âm 23

1.4.1 Khái niệm về âm thanh và dao động sóng âm 23

1.4.2 Các đặc tính cơ bản của sóng âm thanh 24

1.5 Siêu âm và các đặc tính quan trọng của năng lượng dao động sóng siêu âm 28

1.5.1 Khái niệm về dao động siêu âm 28

1.5.2 Các tính chất quan trọng của dao động sóng siêu âm 29

1.5.3 Bản chất sự tác động sóng siêu âm trong chất lỏng 33

1.6 Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghiệp 35

1.6.1 Gia công cơ bằng năng lượng siêu âm 38

1.6.2 Làm sạch bằng công nghệ siêu âm 39

1.6.3 Hàn bằng năng lượng siêu âm 40

1.6.4 Công nghệ siêu âm trong ngành hoá hiện đại 40

1.6.5 Siêu âm trong ngành luyện kim 41

1.6.6 Công nghệ siêu âm trong ngành mỏ 41

1.6.7 Công nghệ siêu âm trong công nghiệp chế biến thực phẩm 41

1.7 Kết luận chương 1 41

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHỐNG ĐÓNG CẶN BẰNG NĂNG LƯỢNG SIÊU ÂM CHO CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG 43 2.1 Giới thiệu chung về công nghệ và các kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ siêu âm trong nước và quốc tế 43

2.2 Công nghệ dùng năng lượng siêu âm trong chống đóng cặn trên các thiết bị nhiệt 45

2.3 Thiết bị kỹ thuật chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm 47

2.3.1 Nguồn năng lượng điện tần số dao động siêu âm 47

2.3.2 Đầu phát và truyền dao động siêu âm vào môi trường ứng dụng 47

2.3.3 So sánh, lựa chọn kiểu đầu phát dao động cơ học tần số siêu âm cho

công nghệ chống đóng cặn 50

2.4 Đầu phát siêu âm trong chống đóng cặn và vị trí trên thiết bị nhiệt trên thực tế 51

2.4.1 Một số đầu phát đang có trên thị trường thế giới 51

2.4.2 Cách lắp đầu phát siêu âm trên thiết bị nhiệt 55

2.5 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ĐẦU PHÁT DAO ĐỘNG SIÊU ÂM CƠ KHÍ DÙNG CHO CHỐNG ĐÓNG CẶN 58 3.1 Các yêu cầu cơ bản cho đầu phát siêu âm cơ học 58

3.2 Vật liệu sử dụng chế tạo đầu phát dao động siêu âm 59

3.2.1 Vật liệu chế tạo phần chuyển đổi 60

3.2.2 Vật liệu chế tạo thân đầu phát 61

3.3 Cơ sở lý thuyết tính toán các thông số quan trọng của đầu phát dao động siêu âm cơ học 62

3.3.1 Cơ sở tính toán các thông số cơ bản của phần hiệu ứng từ giảo (theo Volkov C.C.) 62

3.3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế phần tích tụ, khuyếch đại và truyền năng lượng siêu âm (thân đầu phát) 63

3.3.3 Cơ sở lý thuyết tính toán phần điện của đầu phát dao động siêu âm cơ học 70

3.3.4 Nguồn cho đầu phát siêu âm 72

3.4 Tính toán thiết kế đầu phát siêu âm cơ học dung cho chống đóng cặn trên thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống 74

3.4.1 Tính toán thiết kế phần tích tụ và truyền năng lượng siêu âm (thân đầu phát) 74

3.4.2 Tính toán thiết phần hiệu ứng từ giảo 77

3.4.3 Tính toán bền đầu phát dao động siêu âm cơ học 78

3.4.4 Các bản vẽ đầu phát UPA-1M (xem phụ lục - các bản vẽ kèm theo) 79 3.4.5 Tính toán lựa chọn đầu phát cho bộ trao đổi nhiệt 79

3.5 Kết luận chương 3 79

CHƯƠNG 4 KHẢO NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM CHO CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT 81 4.1 Mục đích nghiên cứu khảo nghiệm 81

4.2 Đối tượng nghiên cứu 81

4.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt HE NaCl HEATER-502 và các đặc tính kỹ thuật cơ bản: 81

4.2.2 Kết quả khảo sát bộ trao đổi nhiệt HE-502 82

4.3 Thiết bị công nghệ (thiết bị phát siêu âm) 82

4.3.1 Nguồn phát dao động điện tần số siêu âm 83

4.3.2 Đầu phát dao động siêu âm cơ học 83

4.3.3 Cáp cao tần 83

4.3.4 Ổn áp 84

4.3.5 Các đặc tính kỹ thuật khác của thiết bị công nghệ 84

4.4 Nội dung khảo nghiệm đánh giá hiệu quả của năng lượng siêu âm

trong chống đóng cặn 84

4.4.1 Xác định điểm lắp thiết bị siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt 84

4.4.2 Các yêu cầu khi lắp đầu phát siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt 87

4.4.3 Các kiểm tra sau khi lắp đầu phát siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt 87

4.4.4 Phương pháp thực nghiệm 88

4.4.5 Kết quả thu nhập từ nghiên cứu khảo nghiệm 89

4.5 Nhận xét và đánh giá kết quả của năng lượng siêu âm trong chống đóng cặn trên He-502 94

Kết luận chung của đề tài Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo 98

Danh sách các thành viên tham gia

TT Họ và tên Chức vụ Đơn vị công tác

1 Lê Trí Vĩnh TS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

2 Nguyễn Hải Hà KS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

3 Nguyễn Anh Dũng KS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

4 Thái Trung Hiếu KS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

5 Phạm Văn Kha KS Tự động hoá Trung tâm TVTKCN

6 Lê TrongKiên KS Điện Trung tâm TVTKCN

7 Ngô Duy Hưng KS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

8 Trần Ngọc Hải KS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

9 Võ Duy Phương KS Cơ khí Trung tâm TVTKCN

Lời nói đầu

Những người đã từng làm với các thiết bị nhiệt thì hiểu hơn ai hết về cặn

và tác hại của chúng đối với các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống

Sự hình thành cáu cặn các muối cứng cacbonnat trong các thiết bị trao đổi nhiệt là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm hiệu quả làm việc của chúng Do các hệ số dẫn nhiệt của kim loại và các chất cáu cặn có giá trị khác nhau, sự gia tăng bề dầy của lớp cáu cặn làm giảm nhiệt độ của nước cần gia nhiệt Để bảo toàn tính ổn định của của nước cần gia nhiệt với giá trị yêu cầu, người ta cần phải tăng mức tiêu hao nhiên liệu của thiết bị sinh ra nhiệt, vì thế các thiết bị trao đổi nhiệt phải làm việc với nhiệt độ trung bình cao hơn, dẫn đến quá trình hình thành lên cáu cặn lại gia tăng nhanh hơn Phụ thuộc vào độ cứng của muối cacbonnat trong nước cần gia nhiệt (hay cần thu nhiệt) và nhiệt độ đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt, thời gian phát triển bề dày của lớp cáu cặn trong các thiết

bị trao đổi nhiệt dạng ống tới 1-1,5 mm có thể trong thời gian từ vài tuần đến vài năm Cứ mỗi lớp cáu cặn mới hình thành thậm trí chỉ 0.1mm cũng dẫn đến sự giảm quá trình truyền nhiệt, gia tăng tiêu hao nhiên liệu một cách đáng kể

Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, chỉ cần 1mm lớp cáu cặn được hình thành trong các bộ trao đổi nhiệt thì đã dẫn đến sự giảm tính hiệu quả làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt tới 30% Trong đó cáu cặn trong các bộ trao đổi nhiệt còn gây ra sự tổn thất kinh tế nặng lề cho cả dây chuyền sản xuất, cho vận chuyển và quá trình sử dụng nhiệt

Trong các hệ thống thiết bị nhiệt xuất hiện các tổn thất khác - sự gia tăng năng lượng điện tiêu thụ của các bơm nước do cần phải bơm lưu lượng lớn hơn

để bù đắp sự tổn hao nhiệt, sự gia tăng các tổn hao về thuỷ động và nhiệt động,

sự cần thiết phải thường xuyên tháo lắp và tảy rửa cặn trên các bề mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt

Tổn hao về nhiệt trong quá trình vận chuyển nhiệt gia tăng khi cần có nhiệt bổ xung do tổn hao từ nơi sinh nhiệt đến thiết bị sử dụng nhiệt Sự gia tăng lưu lượng nước cần gia nhiệt (hay thu nhiệt) trong các thiết bị trao đổi nhiệt dẫn đến sự cần thiết phải vận chuyển lưu lượng lớn hơn, và các tổn hao bổ xung năng lượng điện v.v Các phương pháp thường được sử dụng hiện nay để đấu tranh chống lại sự hình thành cáu cặn với mục đích: giảm số lượng các muối cacbonnat cứng có trong nước bằng cách sử lý nước với sự hỗ trợ của hoá chất (làm mềm nước) và sử dụng các chế độ nhiệt tối ưu trong hệ thống trao đổi nhiệt

Việc sử dụng phương pháp sử lý làm mềm nước bằng hoá chất cần được đảm bảo trong suốt quá trình hoạt động của các bộ trao đổi nhiệt Mặt khác, quá trình sử lý khó có thể được đảm bảo ở mức tối ưu dẫn đến quá trình hình thành cáu cặn càng gia tăng Trong các thiết bị điện hoá chống đóng cặn, quá trình hình thành cáu cặn xảy ra ở các bộ lọc chuyên dụng, sự hình thành cáu cặn ở đây xảy ra nhanh hơn so với trong các bộ trao đổi nhiệt Chính vì thế việc tảy rửa cặn trong các bộ lọc phải thực hiện thường xuyên hơn so với các bộ trao đổi nhiệt

Hiện nay có công nghệ sử lý nước mềm hiện đại bằng cách sử dụng sử dụng các chất hoá học với gốc phosphonat và polikarboksinat Để ứng dụng công nghệ

này cần phải sửa đổi lại kết cấu các thiết bị trao đổi nhiệt, lắp đặt thêm các thiết

bị điện và chi phí do tiêu thụ hoá chất hàng tháng

Các phương pháp khác tương đối hiệu quả hơn là phương pháp sử lý làm mềm nước bằng từ trường và điện từ trường Mặt khác, việc sử dụng phương pháp làm mềm nước có độ cứng cao bằng từ trường không có hiệu quả theo yêu cầu, ngoài ra giá thành sử lý nước bằng điện từ trường tương đối cao

Sự phát hiện ra các hiện tượng tạo bong bong siêu nhỏ trong chất lỏng khi

có tác dụng của dao động sóng siêu âm, mà khi các bong bong này nổ ra sinh ra trong chất lỏng một áp lực với nhiệt độ cực lớn đã giúp các nhà khoa học tìm ra nhiều hướng đi mới Bằng các hiệu ứng này, ngay từ những năm 60 của thế kỷ trước, các nhà khoa học Liên Xô áp dụng chúng cho rất nhiều mục đích khác nhau trong công nghiệp, trong đó có chống đóng cặn cho các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống Tuy nhiên, do sự sụp đổ của Liên Xô cũ, nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này bị dừng lại và phải đến những năm cuối thế kỷ 20 mới được khởi động trở lại

Việc áp dụng công nghệ siêu âm cho chống đóng cặn được đánh giá là ưu việt nhất hiện nay do có nhiều tính vượt trội về kinh tế, kỹ thuật, môi trường v.v Công nghệ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện Để hoàn thiện được công nghệ này, các nghiên cứu về cáu cặn, sự hình thành của cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống, sự tác dụng của năng lượng siêu

âm vào quá trình hình thành nên cặn và sự phá huỷ cặn đã và do tác động dao động siêu âm, các tác dụng khác nữa của năng lượng siêu âm là vô cùng cần thiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TẢY RỬA VÀ CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN

CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG, SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Tổng quan về cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường

ống

1.1.1 Khái niệm về nước cứng và độ cứng của nước

Độ cứng của nước – là tập hợp các tính chất của nước được đặc trưng bởi các iôn canxi và magnhê có chứa trong nước Nếu nồng độ các iôn này lớn, thì nước được gọi là nước cứng, nếu nồng độ nhỏ thì nước được gọi là nước mềm Nếu nước cứng có thành phần iôn magnhê cao thì có thể kiểm tra bằng vị, vị đặc trưng là hơi chát

Nước cứng cũng được phân loại ra làm hai loại :

- Nước cứng cacbonnat là nước cứng khi có chứa các muối axít cacbonnát hoà tan như muối hyđrô cacbonnat canxi Ca(HCO3)2 và hyđrôcacbonnat magnhê Mg(HCO3)2

- Nước cứng phicácbonnát là nước cứng mà trong đó sự tạo cứng do các muối không phải là muối cacbonnat của canxi và magnhê gây ra

Khi bị đun nóng đến nhiệt độ sôi, liên kết hyđrôcacbonnat bị phá huỷ và hình thành các tinh thể muối cacbonnat kém hoà tan CaCO3 kết tủa xuống, vì vậy độ cứng cacbonnat được gọi là độ cứng tạm thời Khi bị đun đến nhiệt độ sôi các iôn Mg++ và Ca++ kết tủa dưới dạng cacbonnat Ví dụ như:

Ca 2+ + 2HCO3 - = CaCO3 + H2O + CO2 (1.1)

Độ cứng của nước được duy trì sau khi nước đã bị đun nóng đến nhiệt độ sôi được gọi là độ cứng ổn định hoặc là độ cứng phicacbonnat Nó được đặc trưng bởi các muối hoà tan của canxi và magnhê từ các axít mạnh như sulphát

Cặn được hình thành trên bề mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt trong quá trình nước được đun nóng Quá trình hình thành cáu cặn được xảy ra do một số nguyên nhân sau: sự phân rã các muối axít cacbonnat chủ yếu của các nguyên tố canxi và magnhê, các muối này chuyển thành muối cacbonnat với độ không tan rất cao bám vào bề mặt gia nhiệt của thành ống và hình thành nên cáu cặn (xem phương trình phản ứng 1.1) Ngoài các muối cacbonnat canxi và magnhê, còn có các muối khác của canxi và magnhê như sulphat và clorit tạo ra cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống Tuy nhiên nồng độ các muối này trong nước không nhiều như muối cacbonnat nên người ta chỉ tập trung sử lý các muối cacbonnat

Quá trình hính thành cáu cặn là quá trình kết tinh thể hoá tương đối phức tạp và có thể được mô tả trong ba giai đoạn phát triển sau:

1 Đạt trạng thái bão hoà

2 Hình thành các tâm (mầm) kết tinh tinh thể

3 Đạt kích thước đủ lớn và kết tủa thành cáu cặn

Như đã biết, nước sử dụng cho các thiết bị nhiệt tuy đã được sử lý trước khi đưa vào sử dụng nhưng vẫn chứa một số lượng đáng kể các muối hoà tan, trong đó chủ yếu là có các ion canxi và magnhê và các kation sulphát, silicát, cacbonnat và các kation khác Trong quá trình được đun nóng sau một thời gian,

do bị bay hơi các kation và ion tăng dần kích thước đến kích thước bão hoà Sự tăng dần kích thước các ion này thành các mầm tinh thể dẫn đến sự tách chúng

ra khỏi dung dịch và các mầm này chính là nguyên nhân hình thành các cáu cặn trong các thiết bị nhiệt Sự hình thành các mầm tinh thể thường xảy ra với tốc độ nhanh hơn ở các lớp gần thành thiết bị vì ở đây có sự tập trung nhiều hơn của các các muối do nước ở khu vực này bị bay hơi nhiều hơn Tiếp theo quá trình kết tinh thể kết hợp với sự gia tăng về kích thước của các tinh thể theo hai hướng khác nhau:

- Sự tách pha cứng trực tiếp trên bề mặt gia nhiệt với sự hình thành lớp cáu cặn trên bề mặt gia nhiệt (lớp cặn sơ cấp)

- Sự tách các pha trong nước dưới dạng các tinh thể cực bé sau đó lớn dần

và hình thành nên cặn trong nước

Cặn có thể dính bám vào bề mặt gia nhiệt của thiết bị nhiệt tạo nên lớp cặn và được gọi là lớp cặn thứ cấp

Quá trình hoá hình thành cáu cặn trong nước

Quá trình hình thành cáu cặn liên quan đến sự tách hyđrô các bon nát do

bị tác dụng của nhiệt, thuỷ phân cácbonnát, và sự giảm tính hoà tan trong nước nóng sulphua canxi, hyđrôxít magnhê, silicát canxi và magnhê Quá trình hoá tính hình thành cáu cặn muối canxi có thể được mô tả bằng phương trình phản ứng hoá học sau:

Са (НСО3)2 + Са (ОН)2=2СаСО3| + 2Н2О (1.2)

Ví dụ, trong các bộ trao đổi nhiệt và hệ thống nồi hơi v.v nước được sử dụng có thể là nước sinh hoạt có chứa rất nhiều muối cacbonnat canxi (không qúa 300 mg/lít theo tiêu chuẩn nước uống TCVN1329/2002/BYT/QĐ), chính vì thế mà cáu cặn hình thành rất nhanh chủ yếu từ các muối này

Đối với magnhê ngoài một lượng nhỏ muối cacbonnat magnhê gây cặn còn có hyđroxit magnhê vì khi bị đun nóng Hyđrôcacbonnat magnhê có trong nước phản ứng với vôi, kết tủa dưới dạng hyđrôxit magnhê Mg(OH)2

Độ hoà tan của МgСОз cao, do đó khi được sôi lâu phần lớn muối này sẽ được thuỷ phân tạo ra hyđrôxít magnhê có độ hoà tan thấp (8 mg/l) Vì hoà tan thấp nên các phần tử này cấu kết lẫn nhau hình thành nên các phần tử có khối lượng lớn hơn và kết tủa bám vào bề mặt trao đổi nhiệt và hình thành nên cáu cặn magnhê

Ngoài ra, trong nước còn có các thành phần kim loại khác như sắt Chính các phương pháp tách sắt ra khỏi nước trong quá trình sử lý nước dẫn đến sự ô

xy hoá sắt hoá trị 2 Fe2+ thành sắt hoá trị 3 Fe+3 và kết tủa dưới dạng hyđrôxít sắt

3 Fe(OH)3 Sự có mặt của các chất này trong nước sẽ cản trở qúa trình kết tủa sắt, chúng là lớp keo bảo vệ đối với hyđrôxits sắt 2

Một trong những phương pháp tách sắt là cho nước đi qua lớp huyền phù

phấn vôi tinh lơ lửng và hyđrôxít nhôm

2Н2СгО4 + 3Na2SO3 + 3H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 5Н2О (1.3)

Sau đó cần hoà tách nước với NaOH để tách hyđrôxít crôm

Nó cùng lúc sẽ kết hợp với chất keo trong nước do có sự hình thành

hyđrôxít canxi

Cacbonnat amônhi như muối của các axít và bazơ yếu sẽ được thuỷ phân:

(NH4)2CO3 + HOH^±NH4OH + NH4HCO3 (1.4) Đối với hyđrôxít amônhi đặc trưng là trạng thái bão hoà chính vì thế trong

những khu vực vệ sinh thường có mùi amiắc

Tuy nhiên, các phần tử hyđrôxít sắt vẫn không thể tách hết được vì thế mà

bám vào bề mặt trao đổi nhiệt tạo nên một phần của cáu cặn có trong các thiết bị

trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống

Ngoài các muối hình thành cáu cặn trên trong nước còn rất nhiều các chất

khác cũng có thể tạo nên cáu cặn, tuy nhiên tỷ lệ của chúng so với muối canxi và

magnhê không nhiều Ví dụ, trong nước uống có chứa những nguyên tố chủ yếu

có thể hình thành cáu cặn ngoài canxi và magnhê (TCVN1329/2002/BYT/QĐ):

Nếu các bộ trao đổi nhiệt dùng để gia nhiệt cho hoá chất, có nghĩa là môi

chất trong đường ống là hoá chất thì trong thành phần cáu cặn còn có thành phần

của các hoá chất gây ra cặn

Vì thành phần của các nguyên tố khác không có nhiều trong nước ngoài

canxi và magnhê nên các phương pháp chống đóng cặn chỉ tập trung vào sử lý

cặn cho các muối của những nguyên tố này

1.1.3 Ảnh hưởng của cáu cặn đến hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt và hệ

thống đường ống

Cáu cặn dẫn đến sự gia tăng đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, giảm hiệu

suất của các thiết bị nhiệt, quá nhiệt bề mặt gia nhiệt của lò hơi, giảm tiết diện

dòng chảy của ống dẫn, dẫn đến sự tăng cản trở chuyển động của nước và chất

lỏng, gia tăng chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa các thiết nhiệt Ngoài ra,

dưới lớp cặn xảy ra quá trình tích luỹ các tạp chất làm tăng nhanh quá trình ôxy

hoá lớp bề mặt kim loại của ống dẫn làm giảm tuổi thọ của kim loại và hư hỏng cục bộ trong các đường ống và bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị

Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, cứ 1 mm lớp cặn trên bề mặt của các thiết bị nhiệt sẽ hấp thụ 10% năng lượng nhiệt, nếu trên bề mặt thành của nồi hơi hoặc các thiết bị đun nước lớp cặn dầy đến 13 mm thì sự mất mát năng lượng nhiệt là 70% (hình 1.1)

020406080

Hình 1.1 Sự phụ thuộc của tổn thất năng lượng vào chiều dày lớp cặn

Dõ ràng là cặn không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của thiết bị, tăng chi phí vận hành mà còn giảm tuổi thọ đáng kể của các thiết bị nhiệt Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các phương pháp chống đóng cặn trực tiếp và liên tục với nhiều công nghệ tiên tiên khác nhau

1.2 Tổng quan về các công nghệ tảy rửa cặn

1.2.1 Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí

Công nghệ tảy rửa cặn bằng cơ khí là phương pháp cổ điển nhất sử dụng các thiết bị hoặc dụng cụ cơ khí đơn giản tác động trực tiếp vào bề mặt thiết bị

có cặn, nhưng cũng được áp dụng rộng rãi nhất do các ưu điểm là đơn giản và giá thành thiết bị dùng cho tảy rửa cũng không cao Tuy nhiên phương pháp này

có rất nhiều nhược điểm như: thời gian tảy rửa lâu, khả năng hỏng bề mặt kim loại bám cặn cao, phải dừng máy hoàn toàn trong thời gian tảy rửa

Phương pháp và công nghệ làm sạch cặn trong mỗi trường hợp cụ thể được xác định dựa trên số lượng và thành phần của cặn, đặc tính và loại nhiên liệu sử dụng trong lò hơi nếu là cáu cặn lò hơi, các điều kiện và chế độ làm việc của thiết bị cụ thể v.v Trong các bộ trao đổi nhiệt và các lò hơi áp suất thấp và

áp suất trung bình, với những lớp cặn đã tương đối dày, việc làm sạch cặn thường sử dụng phương pháp cơ thuỷ động

Trong các quá trình công nghệ thường sử dụng các dụng cụ và thiết bị như: thiết bị phun nước áp lực cao đến 57 MPa, tuốcbin khí nén với các đầu phun khí cần thiết, búa khí nén, các thiết bị mơí di động với áp lực đến 3 MPa và lưu lượng tới 38 m3/h, thiết bị điện làm sạch các bề mặt trong của ống gương và nồi hơi dạng trống v.v Sử dụng những dụng cụ và thiết bị trên có thể làm sạch cặn bất kỳ các bề mặt gia nhiệt nào của các thiết bị nhiệt

Bằng các thiết bị cơ khí thuỷ động với áp lực thuỷ động khác nhau người

ta có thể làm sạch cặn và cáu bẩn của tất cả các thiết bị nhiệt, các bộ phận cáu bẩn cuả tuốc bin, các bộ ngưng của hệ thống gương lò hơi công suất khác nhau Tuỳ thuộc vào đặc tính của cặn và cáu bẩn cần làm sạch, áp suất làm việc được chọn khác nhau trong dải từ 50 đến 450 at Chi tiết quan trọng của các thiết bị làm sạch bằng các thiết bị cơ thuỷ động là đầu phun, việc chọn tối ưu đường kính của các đầu phun sẽ đảm bảo được chất lượng làm sạch các bề mặt bên trong của các ống trao đổi nhiệt và phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra chúng Hiện nay các nhà sản xuất đã đưa ra các thông số cụ thể của đầu phun cũng như các thông số chế độ làm việc khác của thiết bị trong quá trình tảy rửa cặn phụ thuộc vào loại cặn cụ thể, bề dày lớp cặn, tính chất lớp cặn, vật liệu của các thiết bị nhiệt v.v

1.2.2 Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí kết hợp hoá chất

Công nghệ này cũng tương tự như công nghệ tảy rửa bằng cơ khí nhưng

có kết hợp sử dụng hoá chất với mục đích rút ngắn thời gian tảy rửa do các chất cặn cáu bị phá huỷ sơ bộ do tác dụng cuả hoá chất trước khi chúng bị đảy ra khỏi bề mặt trao đổi nhiệt

Trong quá trình tảy rửa các thiết bị trao đổi nhiệt không được phép làm hỏng các lớp bề mặt kim loại của bộ trao đổi nhiệt Do đó sử dụng các chất tảy rửa và bột mài cũng như bàn chải kim loại là không thể cho phép Đây là phương pháp tảy rửa rât shiệu quả và cũng được áp dụng rộng rài, tuy nhiên phương phá này cũng có nhiều nhược điểm như:

- Trong khi thực hiện các thao tác tảy rửa các bộ trao đổi nhiệt bằng các thiết bị rửa áp lực lớn cần giữ khoảng cách thích hợp giữa các thiết bị rửa và các

bộ trao đổi nhiệt

- Các roăng làm kín trong bộ trao đổi nhiệt có thể bị phá huỷ dưới tác dụng của các dòng chất lỏng áp suất cao

- Các lớp cáu cặn lớn cần phải được ngâm trong hoá chất trong thời gian tối ưu trước khi rửa, nếu thời gian ngâm quá lâu sẽ phá huỷ cả vật liệu của thiết

bị

Chính vì thế, cần phải chọn hoá chất thích hợp để tảy rửa cáu cặn các thiết

bị trao đổi nhiệt sao cho không làm hỏng bề mặt kim loại trao đổi nhiệt, các roăng làm kín và các tấm toả nhiệt Hoá chất được sử dụng cho việc tảy rửa cáu cặn trong các bộ trao đổi nhiệt có thành phần và số lượng khác nhau phụ thuộc vào loại cáu cặn, chiều dày lớp cáu cặn, vật liệu kim loại trao đổi nhiệt v.v Dưới đây là một ví dụ về hoá chất và thành phần của nó được sử dụng cho việc tảy rửa cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt:

Hình 1.2 Tảy rửa cặn bằng phương pháp cơ khí thông thường

Những yêu cầu chung đối với các hoác chất phục vụ vụ cho việc tảy rửa cáu cặn trong các bộ trao đổi nhiệt

Đối với các cáu cặn thông thường

max 20°C khoảng 1 h

Đối với các cáu cặn do có dầu, mỡ và tạp chất sinh học khác, có vi sinh:

20°C max 24 h

Phương pháp làm sạch bằng hoá chất

Hình 1.3 Tảy rửa cặn bằng cơ khí kêt hợp hoá chất

Các phương pháp làm sạch không phá huỷ các thiết bị trao đổi nhiệt, theo nguyên tắc được thực hiện với sự trợ giúp của thiết bị khác Các thiết bị làm sạch theo phương pháp không phá huỷ dùng để làm sạch các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm làm việc trong các hệ thống sưởi ấm, hệ thống cung cấp nước nóng, hệ thống thông gío và điều hoà không khí, với mục đích tẩy rửa các cặn canxi và các loại cặn khác trên bề mặt của các tấm, trong đó không cần phải mở

và tháo rỡ các thiết bị trao đổi nhiệt Tảy rửa được thực hiện cùng với các hoá chất dung dịch chất tảy rửa với mục đích làm giảm thời gian giữa các lần tảy rửa các bộ trao đổi nhiệt và tăng tuổi thọ của các thiết bị này Nếu như các thông số

đo về sự tụt áp lực trong các thiết bị trao đổi nhiệt hơn 1.5 lần so với áp suất khi thiết bị còn sạch thì các thiết bị trao đổi nhiệt cần thiết phải tảy rửa cặn Tảy rửa bằng cơ khí kết hợp hoá chất thường được thực hiện bằng các máy chuyên dùng Dưới đây là một ví dụ máy dùng cho tảy rửa các bộ trao đổi nhiệt bằng hoá chất

Hình 1.4 Máy tảy rửa cặn

Trong đó (hình 1.4), 1 Thùng chứa dung dịch tảy rửa Thùng được làm từ

nhựa tổng hợp có độ bền cao trong môi trường axít, có vỏ an toàn, nắp có lỗ để

đổ dung dịch, có nút xả dịch, các đầu nối ống dẫn dịch, tấm gá giữ dây và ống v.v.; 2 Bơm tuần hoàn dịch; 3 Van đa chức năng dùng để kiểm tra (van hai chiều) hệ thống cung cấp dịch và hiệu chỉnh lưu lượng dịch cần cung cấp; 4 Hai ống dẫn dịch mềm làm từ vật liệu chất dẻo tổng hợp bền trong môi trường axít

có lớp bảo về làm từ amiăng, các đai ốc đầu nối ống làm từ vật liệu đồng để kết nối với thiết bị cần tảy rửa

1.2.3 Công nghệ tảy rửa bằng năng lượng siêu âm

Công nghệ tảy rửa bằng năng lượng siêu âm thực tế cũng là công nghệ tảy rửa cơ khí hoá chất kết hợp năng lượng của dao động sóng siêu âm Trước khi tảy rửa cáu cặn, các bộ trao đổi nhiệt được tháo ra khỏi hệ thống, sau đó đưa vào các bộ trao đổi nhiệt hoá dung dịch tảy rửa, đồng thời lắp các đầu phát dao động siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt với số lượng, đặc tính kỹ thuật nhất định ở những vị trí thích hợp Với tác dụng của dung dịch hoá chất tảy rửa các chất cáu cặn bị phân huỷ từ từ, năng lượng của dao động siêu âm có tác dụng làm cho các phần tử cặn cáu và hoá chất dao động với tần số của dao dộng siêu âm (thường

là 22 KHz) làm cho các phần tử hoá chất xâm nhập sâu hơn vào cáu cặn dẫn đến quá trình phân huỷ cáu cặn được nhanh hơn Ngoài ra, với tác dụng của dao động tần số siêu âm, lực hấp dẫn giữa bề mặt kim loại của thiết bị trao đổi nhiệt

và các phần từ cáu cặn giảm dẫn đến việc đẩy chúng ra khỏi bề mặt kim loại khi

có tác dụng của áp lực từ các thiết bị tảy rửa cơ khí được dễ dàng hơn Sau một thời gian (thường từ 5 ngày đến 2 tuần) thiết bị được rửa bằng phương pháp thuỷ động với tác dụng của dòng nước áp lực để đẩy hết các chất cáu cặn ra ngoài Phương pháp tảy rửa bằng năng lượng siêu âm có các ưu điểm là:

- không làm ảnh hưởng đến bề mặt của kim loại do không có sự tác động trực tiếp cơ khí của các dụng cụ tảy rửa đến bề mặt gia nhiệt;

- đơn giản không cần phải có công nhân vận hành trình độ cao; rất kinh

tế vì sự tiêu hao năng lượng của các thiết bị phát dao động siêu âm rất nhỏ;

- hiệu quả cao do sự thâm nhập của hoá chất tảy rửa cặn đến mọi nơi dưới tác động của dao đông siêu âm

Tuy nhiên bằng phương pháp này, thời gian tảy rửa tương đối lớn hơn so với các phương pháp khác, ngoài ra chính vì thời gian tác động của các thiết bị nhiệt với hoá chất dung dịch tảy rửa lâu nên dễ dẫn đến sự ôxy hoá bề mặt cần tảy rửa lớn

Phải nói rằng công nghệ tảy rửa cặn bằng năng lượng của dao động siêu

âm là công nghệ rất tiên tiến và đáng quan tâm Hiện nay các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu để tối ưu công nghệ này và thiết kế chế tạo các thiết bị phát dao động siêu âm với cường độ lớn hơn để giảm thời gian tiếp xúc thiết bị với mối trường hoá chất dung dịch tảy rửa

1.3 Tổng quan về các công nghệ chống cáu cặn liên tục

1.3.1 Công nghệ chống đóng cặn bằng sử lý nước

Công nghệ chống đóng cặn bằng cách sử lý nước đã được áp dụng rất rộng rãi trước đây và được gọi là phương pháp sử lý nước mềm trong các các thiết bị sử lý nước trước khi đưa nước vào sử dụng trong các thiết bị cần chống cáu cặn như thiết bị nồi hơi, các bộ trao đổi nhiệt v.v Phương pháp sử lý nước mềm là phương pháp trao đổi kation trên cơ sở khả năng của các kation này hấp thụ các kation tạo ra cáu cặn của canxi và magnhê Đây là phương pháp có thể chống hiện tượng đóng cặn trên các thiết bị nhiệt như nồi hơi và các loại thiết bị trao đổi nhiệt, mặt khác hệ thống chống đóng cặn bằng sử lý nước rất đồ sộ và tốn kém trong đó còn phải sử dụng rất nhiều hoá chất làm mềm nước có giá thành tương đối cao Ngoài ra, chính vì hiệu quả của phương pháp này còn phụ

thuộc rất nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của những người vận hành nên đôi khi kết quả là không những không ngăn chặn được sự hình thành cáu cặn mà còn làm gia tăng quá trình hình thành cáu cặn tiếp sau đó, chính vì thế hiện nay phương pháp này đang dần được loại bỏ và thay thế vào đó là những phương pháp khác rẻ tiền mà hiệu quả lại cao hơn nhiều

Bản chất của quá trình sử lý nước bằng hoá chất trao đổi iôn

Hoá chất sử dụng ở đây là những chất có khă năng thực hiện các quá trình trao đổi iôn khi tiếp xúc với dung dịch hoà tan trong đó có nước cứng Quá trình làm sạch bằng trao đổi iôn cho phép loại bỏ rất nhiều các thành phần có trong nuớc và chất lỏng như các kim loại nặng, crôm, các nitrat và nitrit và cuối cùng

là làm mềm nước và loại bỏ sắt có trong nước

Các iônit vô cơ và hữu cơ có thể là iônit tự nhiên và nhân tạo Theo dấu mang điện tích các iôn bị trao đổi được chia ra làm các katiônit có tính axít và các aniônit có tính chất bazơ Phụ thuộc vào mức độ phân tán, các chất trao đổi iôn còn được phân ra các iôn mạnh và yếu

Phụ thuộc vào loại iôn liên kết với các nhóm iônit người ta chia chúng ra theo hình dạng với nhiều kiểu có hình dạng khác nhau: hình dạng của nguyên tử hyđrô (Hình H), hình dạng clo, khi các nhóm hoạt tính liên kết với các iôn kim loại (ví dụ, hình Na, hình NH4), đối với các iônit hình OH, hình Cl v.v

Trong quá trình sử lý làm mềm nước trong điều kiện sinh hoạt và điều kiên công nghiệp người ta sử dụng các katiôn có tính chất axít cao Ví dụ, thành phần katiôn có thể mô tả bằng công thức Na2R, trong đó Na+ là kation rất hoạt tính Nếu cho nước cứng đi qua lớp kationit, thì các iôn natri được trao đổi với các iôn canxi và magnhê

Ca 2+ + Na2R = 2Na + + CaR

Mg 2+ + Na2R = 2Na + + MgR

Vì thế các iôn Ca++ và Mg++ chuyển từ dung dịch hoà tan sang các kationit, còn các iôn Na+ chuyển ngược vào dung dịch hoà tan, do đó mà độ cứng của nước được loại bỏ Sau khi làm nghèo kationit bằng các iôn Na+ các katiônit thường lại được tác tạo lại Chúng được duy trì trong dung dịch NaCl, ở

đó xảy ra quá trình mà các ion Na+ lại chuyển thành các katiôn, còn các iôn Ca++

và Mg++ chuyển tan vào dung dịch chất lỏng hoà tan

CaR + 2Na + = Na2R + Ca 2+

MgR + 2Na + = Na2R + Mg 2+

Sau đó, các kationit tái tạo có thể được sử dụng để làm mềm nước cứng mới Tương tự như vậy đối với các anionit Kiểu iônit, thành phần của lớp chứa chúng, nồng độ và dung dịch hoà tan của các chất tái tạo, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc và sự tiêu thụ hoá chất ảnh hưởng đến mức độ tái tạo Sự tái lập lại hoá chất trong quá trình sử lý nước cứng thành mềm có thể đạt được từ 60 đến 100%

1.3.2 Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng sóng từ trường

Trong những năm gần đây các phương pháp lý tính đặc biệt được quan tâm và đưa vào ứng dụng trong việc làm sạch và bảo vệ thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó có các phương pháp sử dụng các thiết bị phát sóng siêu âm, phát xung

điện, phát từ Trong các công nghệ kể trên thì công nghệ dùng năng lượng của từ trường cũng được ưu tiên phát triển do có các ưu điểm sau:

- Bảo dưỡng thiết bị thuận tiện và đơn giản

- Kích thước thiết bị nhỏ gọn

- Không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh do không sử dụng bất

kỳ chất hoá học nào

- Chống được sự đóng cặn, phá đáng kể những cặn đã đóng trên bề mặt các thiết bị trao đổi nhiệt

- Giảm tốc độ ô xy hoá bề mặt kim loại nhờ được phủ một lớp từ mỏng bảo

vệ

Phương pháp làm sạch dựa trên cơ sở của tác động từ trường đến dòng chảy của nước Khi đi qua khoảng không gian giữa hai cực của thiết bị phát từ với sự có mặt của các phần tử sắt từ ferô trong dung dịch tạo cặn, tạo ra các mầm kết tinh, các mầm này bắt đầu phát triển lớn dần dẫn đến sự kết tinh thể tích các muối trong chất lỏng Kết quả là thay chỗ cho cặn sẽ là các thành phần

lơ lửng riêng biệt, các phần tử nhỏ của chúng khi đạt được kích thước nhất định

sẽ hình thành các cặn không bám dính và chảy cuốn theo dòng nước để ra ngoài Nguồn năng lượng của từ trường trong các thiết bị này có thể là nam châm vĩnh cửu và nam châm điện Vì thế, thiết bị chống đóng cặn bằng sóng từ trường được phân loại ra làm hai nhóm khác nhau:

- Nhóm làm bằng nam châm vĩnh cửu: dùng để xử lý nước từ nước sinh hoạt dùng cho nồi hơi áp thấp và trung bình

- Nhóm làm bằng nam châm điện một chiều và nam châm điện hai chiều: dùng để xử lý nước cho các nồi hơi áp suất cao, hệ thống đường ống nước nóng, hệ thống làm mát tuần hoàn

Hiệu ứng chống đóng cặn khi có tác động của sóng từ trường được xác định bằng các thông số ngoài các thông số của thiết bị (cảm ứng từ, tốc độ dòng chảy của nước cần xử lý, thời gian tác động của sóng từ v.v còn các thông số của chất lượng nước cần xử lý

Xử lý nước và cản trở quá trình đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt bằng sóng từ trường dựa trên phương pháp xung từ trường được thực hiện trong các nguồn tạo xung điện từ trường Bản chất của phương pháp này dựa trên sự tác động của sóng từ trường biến thiên với các thông số tối

ưu nhất định như biên độ, tần số, tốc độ xung, quy luật biến đổi theo thời gian Cụm nguồn điện tử phát ra dòng xung điện, dòng xung điện được đưa đến đầu chuyển đổi điện từ Trường từ biến thiên được tạo ra do các đầu chuyển đổi sẽ tạo ra trên bề mặt gia nhiệt của kim loại dao động hiệu ứng từ giảo trượt trong mức độ giữa các nguyên tử đẫn đến làm tách dời các lớp cặn Kết quả là, các lớp cặn bị nứt vỡ và dần bị vỡ nhỏ ra, một phần hình thành các tổ hợp nhầy các muối cặn và phần khác thì tan rã dưới tác động của dòng nước đã nhiễm từ và được thoát ra khỏi các thiết bị trao đổi nhiệt qua các bộ lọc nước đặt ở cuối nguồn tuần hoàn của nước và tái sử dụng nước đã qua các bộ lọc cặn này

Cấu tạo chung của hệ thống chống đóng cặn bằng xung từ trường gồm có:

bộ nguồn và đầu phát xung điện từ, số lượng các đầu phát được xác định bởi số lượng các thiết bị cần chống đóng cặn (nhưng không nhỏ hơn hai đầu phát) và được lắp đặt vào thiết bị trong suốt quá trình vận hành thiết bị trao đổi nhiệt

Quá trình tảy rửa và chống đóng cặn được xảy ra theo trình tự, lúc đầu có tác dụng làm tơi cáu và cặn và cản trở việc hình thành cặn trên các bề mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt như nồi hơi, các bộ trao đổi nhiệt v.v

Theo các kết quả thử nghiệm trong điều kiện công nghiệp thì sự phá huỷ

và tách lớp các cặn khỏi thành của các thiết bị trao đổi nhiệt bắt đầu thấy có hiệu quả ngay sau khoảng 10 ngày vận hành Vào những ngày tiếp theo, cặn bắt đầu tách thoát hoặc chuyển thành hỗn hợp dạng bùn nhầy và thoát ra theo dòng chảy của nước Hiệu quả phá huỷ và tách lớp cặn trên bề mặt các thiết bị nhiệt có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhỏ sẽ đạt được tới 90% sau một tháng sử dụng các loại thiết bị chống đóng cặn xung điện từ này Sử dụng các thiết bị chống đóng cặn bằng xung điện từ trường cho phép vận hành các thiết bị trao đổi nhiệt ở các chế độ hoạt động bình thường đảm bảo được các thông số tiêu chuẩn về kinh tế,

kỹ thuật như thiết kế, tiết kiệm năng lượng, an toàn, tuổi thọ cao Tuy nhiên đây vẫn còn là hướng tương đối mới, chính vì thế các thông số kỹ thuật của các thiết

bị chưa được tối ưu, từ trước đến này việc tính toán lựa chọn thiết bị còn hầu như hoàn toàn dựa trên kinh nghiệm Ngoài ra, thiết bị này thường được lắp trên ống dẫn nước vào các bộ trao đổi nhiệt, với các bộ trao đổi nhiệt lớn thì sau một thời gian đi qua môi trường có tác động xung điện từ các tinh thể cặn lại có xu hướng hình thành cặn trở lại Chính vì thế, ở phần cuối của các bộ trao đổi nhiệt thì khả năng chống cặn khó khăn hơn Hiện nay người ta đang nghiên cứu tiếp

để xử lý các nhược điểm trên

1.3.3 Nguyên lý làm việc của thiết bị xử lý nước điện tử

Còn thêm một phương pháp nữa để bảo vệ chống đóng cặn cho các thiết

bị nhiệt bằng thiết bị điện tử được gọi với các tên thiết bị AntiCa++ Thiết bị này

có tác dụng xử lý nước khắp mọi nơi khi có sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất và hình thành cáu cặn, ví dụ như trong các nồi hơi, trong các bộ trao đổi nhiệt, trong hệ thống đường ống, trong các trạm máy bơm v.v Dưới tác dụng của AntiCa++ nước không chỉ được làm mềm ra cho mục đích không hình thành cáu cặn mà còn có tác dụng phá huỷ và loại bỏ các cáu cặn đã có từ trước Do đó trong nhiều trường hợp không cần thiết phải dừng hệ thống để thông rửa tảy cặn bằng phương pháp sử dụng hoá chất

Những ưu điểm của việc xử lý nước cho việc chống đóng cặn:

- Không hình thành cặn

- Hoà tan các cặn đã đóng trước đó

- Tiết kiệm chi phí vì không cần sử dụng hoá chất tảy rửa

- Thành phần các chất khoáng trong nước không thay đổi

Những kết quả sau khi xử lý nước bằng AntiCa++ được bảo tồn trong vòng 2 đến 5 ngày và phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố (thành phần những khoáng chất hoà tan trong nước như CO2 v.v.) Sau thời gian đó, quá trình hình thành cặn ngược lại bắt đầu xảy ra, chính vì thế cần tính toán cụ thể việc sử dụng công nghệ này với các điều kiện cụ thể

Quá trình tác động vào nước cần xử lý bằng công nghệ này hoàn toàn mang tính vật lý và cũng giống như phương pháp chống đóng cặn bằng sóng từ trường Can xi, muối hyđrocacbonat dưới tác động của điện từ trường đã xác định sinh ra bởi cuộn cảm bọc quanh ống dẫn nước, xảy ra quá trình giải phóng

các ion các bon nát Ca ++từ chuỗi liên kết điện tĩnh với các phần tử nước và hình thành tiếp theo các tinh thể trung tính không có khả năng hình thành các cặn cứng Trong các hệ thống không tuần hoàn, các tinh thể này sau đó được thoát ra ngoài với nước Trong các hệ thống tuần hoàn, các tinh thể có thể thu gom được bằng các bộ lọc tĩnh

Cơ cấu tác động vào nước cần sử lý có đặc tính vật lý không dùng hoá chất Canxi, muối hiđrrô cacbonat trong dung dịch nước tồn tại dưới dạng các iôn mang điện tích dương và điện tích âm Chính vì lý do đó, khả năng tác động hiệu quả vào chúng bằng điện từ trường đã được các nhà khoa học nghĩ ra Nếu xung quanh ống dẫn nước quấn cuộn dây và đưa vào cuộn dây điện từ trường biến thiên (hay điện từ trường động) thì các iôn đicacbonat canxi sẽ được giải phóng từ mối liên kết với các phần tử nước Các iôn mang điện tích dương và

âm được giải phóng liên kết với nhau do lực hấp dẫn và tạo thành trong nước các các tinh thể lơ lửng có độ phân rã cao và không hình thành cáu cặn Tốc độ thay đổi cực của điện từ trường trong trường hợp này được chọn để sao cho trong thời gian mà trong đó một thế tích nước (chất lỏng) nhất định đi qua vùng điện từ trường biến thiên, tất cả các liên kết iôn trong đó đều được phá huỷ Vì thế đây là quá trình đòi hỏi sự tính toán chính xác các yêu cầu của điện từ trường biến thiên Các thông số của điện từ trường cần phải được tính toán đủ lớn sao cho các quá trình phá huỷ liên kết giữa các phần từ nước và canxi được thực hiện nhưng lại không vượt quá giới hạn xảy ra quá trình phá huỷ các liên kết trong các tinh thể lơ lửng vừa được hình thành Yêu cầu về các thông số điện từ trường còn phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy của chất lỏng, nghĩa là phụ thuộc vào lưu lượng của nước trong hệ thống ống dẫn Bởi vì sản phẩm phụ của quá trình tạo liên kêt tinh thể lơ lửng là khí ôxít cácbon CO, vì thế nước được sử lý theo cách này có đặc tính giống như nước mưa, và như thế thì nó có khả năng hoà tan trong ống dẫn và tạo ra các cặn cứng cacbonnat Dưới tác dụng của điện

từ trường xuất hiện trong nước số lượng nhất định nước ôxygen hay còn gọi là nước ôxy già Nước ôxy già trong quá trình tiếp xúc với thành ống sẽ tạo thành các lớp chất ổn định Fe3O4, lớp chất này sẽ ngăn và cản trở quá trình ôxy hoá bề mặt kim loại của thành ống Nước ôxygen hay nước ôxy già này còn có tác dụng đến quá trình diệt vi khuẩn và vi trùng Theo thống kê của các nhà khoa học, nước oxygen hình thành có khả năng diệt tới 99% vi khuẩn vi trùng trong nước.Do đó sử lý nước bằng phương pháp này còn được áp dụng cho các quá trình sử lý nước sinh hoạt rất hiệu quả, không gây bất kỳ độc hại nào, chỉ tốt cho các quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật và sức khoẻ cho động vật và con người

Các ưu điểm của thiết bị AntiCa++

- Thiết bị đơn giản không cần thiết phải phá ống khi lắp đặt

- Vận hành không cần bảo dưỡng

- Đảm bảo được các yêu cầu vệ sinh không tiếp xúc với nước

- Chi phí lưu lượng nước thấp hơn nhiều so với các phương pháp xử lý nước khác

- Tiết kiện điện năng

- Ưu điểm quan trọng nhất của thiết bị xử lý nước AntiCa++ là khả năng chống đóng cáu cặn và loại bỏ các cáu cặn đã có từ trước, dẫn đến việc tăng hiệu quả về năng lượng của các nồi hơi, các bộ trao đổi nhiệt, v.v

1.3.4 Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm

Trong qúa trình làm việc của các thiết bị nhiệt như các bộ trao đổi nhiệt,

lò hơi, các đường ống hình thành các cáu cặn muối cácbonnát, vì có lớp muối này bám trên bàê mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt mà làm tăng đáng kể tiêu thụ năng lượng, giảm hiệu suất cuả các thiết bị, giảm thời gian giữa các lần bảo dưỡng, tăng chi phí cho bảo dưỡng sửa chữa và vận hành

Hình 1.5 Lớp cặn trong ống dẫn nước trao đổi nhiệt

Việc tảy rửa cáu cặn các thiết bị nhiệt nói chung và các bộ trao đổi nhiệt nói riêng được thực hiện phổ biến bằng các phương pháp hoá (dùng axít) hoặc phương pháp cơ khí Cả hai phương pháp này đều rất phức tạp, ngoài ra những quá trình tảy rửa này đều nguy hiểm chi thiết bị vì có nhiều khả năng làm hư hại các bề mặt kim loại của thiết bị được tảy rửa cặn, ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh Ngoài ra, sau một thời gian vận hành sau khi đã tảy rửa, sự hình thành cáu cặn lại bắt đầu tiếp diễn lại như ban đầu do nguyên nhân hình thành cáu cặn chưa được ngăn chặn

Hình 1.6 Quá trình xâm thực khí trong chất lỏng

Cùng với các phương pháp tảy rửa bằng hoá chất, trong những năm gần đây sự áp dụng các phương pháp tảy rửa và chống cáu cặn không dùng hoá chất đang được đặc biệt quan tâm, trong đó có phương pháp dùng năng lượng siêu

âm

Bản chất của phương pháp này là: với sự giúp đỡ của thiết bị đặc biệt phát

ra dao động sóng siêu âm vào nước trong các thiết bị trao đổi nhiệt Dưới tác động của dao động sóng siêu âm, trong nước hình thành ra vô số các bọt khí (hiện tượng xâm thực khí cavitation) Xung quanh các bọt khí trong nước như là tâm của sự tạo mầm kết tinh, hình thành ra các phần tử muối cứng của nước và những phần tử này bám vào bề mặt gia nhiệt cuả thiết bị để tạo thành cặn Do thiết bị siêu âm được lắp trực tiếp lên thiết bị nên bản thân bề mặt gia nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt cũng dao động với tần số siêu âm, dao động này có tác dụng cản trở sự bám dính các phần tử muối vào các bề mặt gia nhiệt Vì thế, những phần tử muối không hoà tan sẽ không có nhiều khả năng bám dính vào các bề mặt gia nhiệt và trong trạng thái lơ lửng trong nước và sau đó theo dòng chảy của nước để ra ngoài khỏi bộ trao đổi nhiệt

Ngoài ra, các dao động tần số siêu âm có tác dụng làm tan rã các phần tử muối đã thành cặn trên bề mặt gia nhiệt từ trước Dao động sóng siêu âm khi tác động lên trên bề mặt gia nhiệt, tạo ra các lực tác dụng khác hướng, dưới tác dụng của các lực này liên kết bền trong các phần tử cặn và liên kết giữa các phần

tử cặn và kim loại bị phá huỷ, tạo lên các vết nứt Các phần tử nước thâm nhập vào các khe hở của vết nứt để tiếp cận đến bề mặt gia nhiệt kim loại Tại đây các phần tử nước bốc hơi đột ngột, làm cho áp suất và nhiệt độ nước tại các vị trí này tăng đột ngột dẫn đến phá huỷ các lớp cặn và bóc lớp chúng ra khỏi bề mặt kim loại gia nhiệt Các phần tử cặn đã bị phá huỷ sẽ đọng lại ở đáy cuả bộ trao đổi nhiệt và được tháo ra ngoài trong mỗi lần bảo dưỡng định kỳ

Tác dụng của sóng siêu âm không chỉ giới hạn ở chống đóng cặn các muối cácbonnát mà còn giữ cho các thiết bị trao đổi nhiệt làm việc với hiệu suất thiết kế Các dao động sóng siêu âm còn có tác dụng tăng khả năng truyền nhiệt của các bề mặt gia nhiệt do tác dụng của các vi dòng được hình thành do tác dụng của dao động thành bề mặt gia nhiệt và của nước, tăng tốc độ dòng chảy của nước do giảm đáng kể cản thuỷ động của ống dẫn nước dao động tần số siêu

âm

Dưới tác dụng của sóng siêu âm, các bọt hơi nước thoát ra từ bề mặt gia nhiệt của thành ống, nổ, thoát khí làm tôt hơn sự di chuyển của chất lỏng trên biên giới giữa hai môi trường kim loại - chất lỏng, dẫn đến sự truyền nhiệt được tốt hơn Hiện tượng giảm cản thuỷ động đặc biệt có hiệu quả tại các khe hở cỡ micrôn các khuyết tật vật liệu bên trong thành ống, nơi mà trong các điều kiện bình thường (không có sóng siêu âm) trong các thiết bị trao đổi nhiệt luôn tồn tại khí ôxy từ không khí, dưới tác dụng của dao động siêu âm khí này dễ dàng thoát

ra khỏi những khe khuyết tật này

Kết quả là loại bỏ được một trong những nguyên nhân gây gỉ do oxy hoá kim loại của ống Dưới tác dụng của các xung dao động sóng siêu âm trong thời

gian dài vào bề mặt bên trong của thành ống có khuyết tật dưới dạng các vết nứt

tế vi, làm cho các phần thành của các vết nứt tế vi bị biến dạng Nhờ vào các biến dạng này, các mép thành của vết nứt tế vi bị biến cứng và khép kín các vết nứt tế vi lại ngăn không cho khí ôxy thâm nhập vào các vết nứt tế vi mỗi khi tháo nước ra khỏi bộ trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống Bề mặt trong của thành ống trở lên nhẵn hơn, diện tích toàn phần của nó trở nên nhỏ hơn dẫn đến giảm khả sác xuất gỉ bề mặt Hiệu ứng bảo vệ oxy hoá bề mặt trong của thành ống ở bất kỳ mức độ nào đều có tác dụng tăng khả năng chống gỉ cho ống

Những dữ kiện chỉ ra ở trên có mối liên hệ mật thiết với nhau và là nguyên nhân tác động tích cực của năng lượng dao động siêu âm trong quá trình chống cặn cacbonnat, giảm quá trình oxy hoá bề mặt kim loại và tăng hiệu quả làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống Ngoài ra sử dụng công nghệ dao động siêu âm trong việc chống đóng cặn loại bỏ hoàn toàn sự ô nhiễm môi trường do không còn phải dùng hoá chất để sử lý và chuẩn bị nước cho quá trình trao đổi nhiệt, giảm thiểu chi phí cho các quá trình sử lý và chuẩn

bị nước Một lợi ích quan trong nữa là mức tiêu hao năng lượng của các thiết bị

kỹ thuật chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm là rất nhỏ vì thế việc sử dụng các thiết bị này có hiệu quả kinh tế cao

Dao động siêu âm về bản chất là dao động âm thanh, tuy nhiên sự khác biệt với dao động âm thanh là dải tần số và các hiệu ứng tác động của nó vào môi chất Vì vậy để có thể hiểu được dao động sóng siêu âm cần phải hiểu bản chất của âm thanh và dao động sóng âm

1.4 Âm và sóng âm

1.4.1 Khái niệm về âm thanh và dao động sóng âm

Âm thanh về bản chất là một dao động cơ học có biên độ tương đối nhỏ

mà thính giác con người có thể nhận biết được

Các ví dụ để minh hoạ cho âm thanh rất nhiều như song âm thanh phát ra

từ giọng nói của người, động vật, từ một chuyển động của bất kỳ vật gì mà ta cảm nhận được, từ các dụng cụ âm nhac v.v

Vì cũng là song cơ học nên âm thanh cũng có đủ các thông số của một dao động cơ học như tần số, biên độ v.v Mỗi âm đơn đều có một tần số riêng,

và được thể hiện theo công thức chung:

T

f = (1.5) 1 Trong đó: f - t ần số dao đ ộng âm thanh (Hz), T – chu kỳ một dao động

(s)

Đơn vị của tần số âm thanh cũng được tính bằng Hertz (viết tắt là Hz) Hertz là tần số của một quá trình dao động âm mà cứ mỗi giây vật thực hiện được một dao động

Theo độ lớn của dải tần số của âm thanh mà người ta chia ra các loại âm thanh khác nhau như:

- Dao động âm có tần số khoảng từ 20 - 20.000 Hz gọi là âm nghe được

- Dao động có tần số dưới 20 Hz gọi là hạ âm

- Dao động có tần số trên 20 Hz gọi là siêu âm

Ngoài ra thông số đặc trưng nữa cho âm thanh đó là bước sóng âm thanh

và được thể hiện bằng công thức

λ=c/f (1.6) Trong đó, c - tốc độ lan truyền âm thanh trong môi trường cụ thể và phụ

thuộc vào rất nhiều yếu tố của môi trường lan truyền sóng âm nư nhiệt độ, sự đẳng hướng, vật cản, áp suất v.v, f - tần số sóng âm thanh

Đối với môi trường không khí thì bước sóng âm thanh nghe được từ 20 m

và trong chân không từ 2cm

Tuy nhiên sự phân loại sóng âm thanh như trên theo dải tần của nó chỉ áp dung theo mức độ của màn nhỉ tai của con người và mang tính vật lý thuần tuý

và mang tính tương đối bởi vì với các động vật khác, dải tần mà âm thanh chúng nghe được khác với con người

Âm thanh có nhiều hầu hết các tính chất như ánh sáng, đó là có thể phản

xạ, khúc xạ và hấp thụ Về cơ bản các tính chất của âm thanh đã được nghiên cứu rất cụ thể

1.4.2 Các đặc tính cơ bản của sóng âm thanh

Thực nghiệm xác nhận mọi vật rắn khi thực hiện những va chạm nhỏ với các vật khác đều tạo ra âm thanh Khi ta vỗ tay, khi ta khảy dây đàn, khi chân ta

đá vào một qủa bóng, tất cả các trường hợp đó đều tạo ra những âm thanh xác định

Vận tốc truyền âm:

Sự truyền âm trong một môi trường đàn hồi không phải là tức thời; ta có thể nhận thấy ánh chớp trước khi nghe được tiếng sấm Thực nghiệm chứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với vận tốc không đổi Vận tốc truyền âm thanh thay đổi khi âm thanh truyền qua các môi trường khác nhau (chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí)

+Trong chất khí:

- Vận tốc truyền âm không phụ thuộc vào áp suất khối khí

- Vận tốc tỉ lệ với 1/ ρ với ρ là khối lượng riêng của chất khí

Vận tốc tỉ lệ với nhiệt độ, vì khi nhiệt độ tăng thì thể tích của khối khí tăng, khối lượng riêng bị giảm Ta có:

T v

v= o 1+α với α =1/273 (1.7) Trong đó, v - vận tốc truyền âm ở nhiệt độ toC ; v o -vận tốc truyền âm ở

+Trong chất lỏng:

Người ta thấy là vận tốc truyền âm truyền trong chất lỏng lớn hơn nhiều

so với khi truyền trong chất khí và không khác nhau nhiều trong những môi trường chất lỏng khác nhau Vận tốc đó vào khoảng 1.400 -> 1.500 m/s lớn gấp

3 đến 4 lần vận tốc trong chất khí

+ Trong vật rắn:

Vận tốc truyền âm trong vật rắn lớn gấp 10 - 15 lần vận tốc truyền âm trong không khí, tức là vào khoảng 3.000 đến 4.500 m/s

Cường độ của âm

Cường độ của âm là một tính chất mà dựa vào đó ta có thể phân biệt một

âm mạnh hay yếu Rõ ràng cường độ âm gắn liền với biên độ và năng lượng của dao động âm Ví dụ như ta đánh mạnh vào dây đàn thì âm thanh phát ra sẽ to và

dễ cảm nhận hơn là đánh nhẹ vào nó

Cường độ của âm là đại lượng phụ thuộc vào khả năng cảm nhận âm thanh của con người mà ta gọi là cảm giác âm Cảm giác âm do những sự biến đổi áp suất không khí ở gần lổ tai, những sự biến đổi ấy liên quan đến năng lượng dao động âm tiếp nhận bởi màng nhĩ trong một đơn vị thời gian Như vậy, cường độ âm biến đổi tỉ lệ với công suất rung tiếp nhận bởi lỗ tai Công suất nầy được tính bằng đơn vị là Juole/cm2s hay là W/cm2

Với I là cường độ âm nơi quan sát cách nguồn phát có cường độ âm là I0một khoảng r; k là hệ số tỉ lệ có gía trị nhỏ hơn 1 đặc trưng cho sự hấp thụ sóng

âm của môi trường thì cường độ âm có quy luật biến đổi:

)exp(

I

I = − (1.9) Nhiều thực nghiệm xác nhận: Cảm giác âm thanh ở tai chúng ta không chỉ phụ thuộc vào công suất rung tiếp nhận ở tai mà còn phụ thuộc vào tần số của

âm thanh

Hình 2.1 diễn tả khả năng thu nhận âm thanh theo tần số và công suất rung của âm thanh được tai tiếp nhận Cảm giác âm thanh mà tai ta nghe được nằm ở giữa đường biểu diễn Ðường phía trên là giới hạn cực đại, nếu công suất rung nằm phía trên đường giới hạn cực đại âm thanh có khả năng làm hỏng màng nhỉ

Ðường phía dưới là giới hạn cực tiểu, nếu công suất rung nằm phía dưới đường giới hạn cực tiểu,có nghĩa là âm thanh có độ rung quá yếu (thầm thì) tai

ta không cảm giác được Khoảng tần số ở giữa (từ 500 đến 100 Hz) là khu vực

mà tai ta dễ cảm giác âm thanh nhất Các nhà sinh vật học giải thích điều này là

do con người giao tiếp với nhau bởi khoảng tần số đó, cũng là khu vực tần số phát âm của loài người

Hình 1.7 Sự phụ thuộc cường độ của âm thanh vào tần số

Giới hạn cực tiểu nhỏ nhất của công suất rung nằm ngay tần số 1.000Hz

Ðó là âm thanh mà tai ta dễ cảm nhận hơn cả

Ta gọi nó là giới hạn công suất rung mà tai còn nghe được P min =10 -16 W/cm 2

Cường độ âm I ứng với một công suất rung P khác được tính theo công

thức:

)(log

min 10

P

P I

I

I − = = (1.10)

)(log.10

0 10

P

P I

I

I − = = (1.11) Trong đó, đơn vị tính của cường độ âm là bel (viết tắc là B) hay decibel (dB) =ĠBel

Giá trị lớn nhất của công suất rung cũng nằm ở tần số 1.000Hz có giá tri là:

2 3

P Ðó là công suất rung giới hạn mà tai ta còn chịu được Ngoài giới hạn nầy màn nhỉ có nguy cơ bị rách Dựa vào công thức (2.7) ta có thể tính được cường độ lớn nhất ứng với công suất rung cực đại

Chính vì lý do đó mà cường độ âm thanh có giá trị cao hơn 130 dB rất nguy hiểm đến sức khoẻ của con người và được đặt là giới hạn để đánh giá mức

độ nguy hiểm của các nguồn phát âm thanh

Ðộ cao của âm

Trong các âm phát ra bởi các nhạc cụ, có âm thì trầm có âm thì bổng (thảnh thoát và cao vút) Tính chất trầm bổng được đặc trưng bằng cao độ của

âm Cao độ của âm tỉ lệ với tần số của dao động âm

Trong âm nhạc người ta dùng một số âm có tần số nhất định để tạo thành các bộ âm giai theo cách sau:

Trong khoảng tần số từ 16Hz đến 20000Hz người ta chia làm 11 bộ âm giai (Hình 2.5) Mỗi bộ âm giai gồm có 7 nốt nhạc (Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si ) Hai nốt nhạc kế cận có thể cách nhau hai bậc (2B) hoặc một bậc (1B) như trường hợp hai nốt Mi và Fa hoặc Si và Do

Hình 2.2 Cách chia bộ âm giai

Sự chênh lệch về độ cao của một bậc được tính như sau:

Nếu ta gọi f1, f2 là tần số của hai nốt kế tiếp nhau một bậc về độ cao thì:

1 1

2 f =(1.059)

059.1

1)

5(

)4(

12 =

=

la f

la f

Hz la

Âm sắc

Các âm thanh phát ra từ các nhạc cụ khác nhau; giọng nói của những người khác nhau nói chung là các âm thanh phức tạp, gây cho ta những cảm giác âm thanh phong phú hơn hẳn những âm đơn (phát ra từ âm thoa chẳng hạn) Sự khác nhau

về các âm thanh nói trên đặc trưng bằng âm sắc Theo lý thuyết chuổi Taylor và thuyết đàn hồi Helmholtz: có thể phân tích một âm phức tạp thành những âm đơn giản mà tần số của chúng là bội số nguyên của một tần số đơn nhỏ nhất Các

âm có tần số là bội số nguyên của tần số đơn nhỏ nhất đựợc gọi chung là các hoạ

âm Mỗi nhạc cụ phát ra một âm phức trong đó các hoạ âm của âm đơn có biên

độ xác định, khác nhau cho nên khi chúng tổng hợp lại chúng gây nên hiệu ứng

âm thanh trên màng nhỉ chúng ta khác nhau làm cho chúng ta nhận biết bản sắc riêng biệt của mỗi loại nhạc cụ

Những nghiên cứu hiện đại khẳng định những dao động âm khác nhau về tần số được tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhỉ Ðiều nầy thực hiện được là do những dao động cộng hưởng của các sơi màng nhỉ đồng thời còn

do sự xuất hiện dao động ỡ limphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi của những phần xác định của màng

Hiệu ứng Doppler

Sự chuyển động tương đối của nguồn âm và của quan sát viên gây ra sự biến đổi tần số của âm nhận được; Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng

Doppler Doppler tiến hành nhiều thí nghiệm và nhận thấy, khi nguồn âm tiến lại

gần quan sát viên, tần số mà quan sát viên nhận được cao hơn tần số do nguồn

âm đã phát ra Trường hợp nguồn âm đi ra xa quan sát viên, người đó nhận được

tần số thấp hơn tần số của nguồn phát

Nếu gọi u là vận tốc truyền âm trong không khí, f là tần số dao động âm

được phát ra từ máy phát, f/ là tần số dao động âm được quan sát viên thu nhận

khi mà quan sát viên đang chuyển động với vận tốc v so với nguồn phát xem

như đứng yên, công thức dịch chuyển Doppler cho ta:

v u

u f u v

/ (1.12)

Dấu - xảy ra khi quan sát viên tiến lại gần nguồn phát âm, Dấu + xảy ra

khi quan sát viên đi ra xa nguồn phát âm

Vì u là vận tốc của âm trong không khí gần bằng 330m/s và nguồn âm

chuyển động với vận tốc không lớn sao cho u > v thì khi quan sát viên tiến lại

gần nguồn phát âm:

f v u

u f u v

u f u v

=1

/

Nghiã là tần số của quan sát viên nhận được thấp hơn tần số nguồn âm

phát ra

Hiệu ứng Doppler còn xảy ra cả trong sóng ánh sáng

1.5 Siêu âm và các đặc tính quan trọng của năng lượng dao động sóng siêu

âm

1.5.1 Khái niệm về dao động siêu âm

Dao động sóng siêu âm có bản chất tương tự với sóng âm thanh nhưng

cũng có những đặc tính riêng biêt khác, đó là:

1 Dao động sóng siêu âm có tần số cao nhưng lại có bước sóng ngắn hơn

rất nhiều lần so với dao động sóng âm thanh, chính vì thế sóng siêu âm dễ dàng

làm hội tụ Ví dụ, một sóng siêu âm dao động với tần số 150 KHz, tốc độ lan

truyền 1500 m/s thì bước sóng của nó sẽ là λ=c/f=1cm Với đặc tính này, người

ta có thể tạo ra một chùm sóng siêu âm hẹp hơn có hướng, có nghĩa là hướng

năng lượng vào những nơi cần thiết trong một thể tích thích hợp Do đó dao

động sóng siêu âm có nhiều đặc điểm tương đồng như dao động sóng ánh sáng

2 Sóng siêu âm có thể lan truyền vào cả môi trường khồn trong suốt vì

thế nó cho phép sử dụng để nghiên cứu các vật liệu như polimer, kim loại v.v

3 Công suất của dao động sóng siêu âm tỷ lệ với bình phương tần số của

nó, vì thế khác với công suất của dao động âm thanh là có công suất cực lớn Công suất của dao động sóng siêu âm có thể đạt đến hàng trăm kw, cường độ (năng lượng của dao động siêu âm qua một đơn vị diện tícổttong một đơn vị thời gian) tới 1 100 w/cm2 Do đó, trong vật có dao động sóng siêu âm có thể được lan truyền một năng lượng dao động cơ học rất lớn Chính nhờ sự lan truyền năng lượng này mà tạo nên một áp lực và được gọi là áp lực sóng siêu âm

Có thể làm cách so sánh để dễ hiểu hơn là: Âm thanh với độ lớn trung bình tạo ra một áp lực P, áp lực này có thể ví như một áp lực do một con ruồi trên một lá cây trồi trên mặt nước Cường độ dao động âm thanh sinh ra khi bắn một viên đạn đại bác vào khoảng 0.01w/cm2 Trong khi trong phòng thí nghiệm người ta có thể tạ ra một dao động sóng siêu âm có cường độ J=3 5w/cm2

4 Với cường độ dao động sóng siêu âm J=3 5w/cm2 áp lực trong nước

do sóng siêu âm sinh ra tương đương 5 6 at có nghĩa là lớn gấp hàng triệu lần so với áp lực do sóng âm thanh sinh ra

Ngoài ra, áp lực sinh ra từ dao động song siêu âm còn thay đổi hướng giữ nén và dãn với tần số 20 ngàn lần trong một giây

Chính vì những ưu điểm của dao động sóng siêu âm như vậy, người ta có thể đưa vào môi trường cần sử dụng một năng lượng cực lớn để tăng hiệu quả của rất nhiều các quá trình công nghệ, tạo ra nhiều các loại vật liệu mới và các chất mới, giả quyết được rất nhiều các vấn đề liên quan đến đo lường và kiểm soát

1.5.2 Các tính chất quan trọng của dao động sóng siêu âm

Sự lan truyền do động sóng siêu âm

Trong kỹ thuật, dao động sóng siêu âm được sử dụng với nhiều dải tần khác nhau Thường thì sóng âm thanh được gọi là sóng siêu âm khi nó có tần số trong dải từ 18 đến 22 kHz

Sự lan truyền sóng siêu âm liên quan đến sự thay đổi trạng thái của môi trường (sự kích thích) và sự truyền năng lượng trong vật chất Trong đó, vật chất không bị di chuyển

Hãy tưởng tượng bên trong vật chất là tổ hợp các phần tử phân bố đều và

ở trạng thái đứng cân bằng tĩnh Nếu ta tác dụng (kích thích) vào một bên của vật chất đó thì các phần tử của vật chất sẽ chuyển ra khỏi vị trí cân bằng Như vậy thì sự lan truyền của sóng được xảy ra như thế nào? Các nguyên tử của vật chất được biết là liên kết với các nguyên tử khác bằng lực liên kết đãn hồi và không chuyển động Nếu một số các nguyên tử bị đẩy ra khỏi vị trí cân bằng nghĩa là các nguyên tử bị xích lại gần nhau Nhưng các nguyên tử này lại liên kết với nhau nên chúng băt đầu bị dãn ra Nếu sự tác động (kích thích) vào các nguyên tử là có chu kỳ thì các nguyên tử sẽ nén lại gần nhau và dãn xa nhau ra theo chu kỳ kích thích Kích thích đó bắt đầu lan dọc theo mẫu vật chất Như vậy, dọc mẫu vật chất đã có sự lan truyền của dao động sóng siêu âm

Bất kỳ một quá trình có chu kỳ nào được hình thành do sự kích thích của dao động đều được đặc trừn bởi chu kỳ, tần số và bước sóng:

f

T0 = 1 (1.13)

f = 0

λ (1.14)

Trong đó, c - tốc độ lan truyền dao động sóng siêu âm

Sự xuất hiện và lan truyền song siêu âm (khi không có sự hấp thụ của môi trường) được thể hiện bởi phương trình Laplas

2 2

c ∆ = δ δ (1.15) Trong đó, ∆ - operator Laplas, a - độ dịch chuyển tức thời, t - thời gian Tương tự như trên, các phương trình thể hiện các giá trị tức thời của tỷ trọng, tốc độ dao động của các phần tử , áp suất dư

Nếu dọc một trục có sóng lan truyền thì phưưong trình sóng có thể được viết như sau:

2 2 2

2

c = (1.16) Giải phương trình (2.12), ta có nghiệm dưới dạng sóng điều hoà như sau:

) / sin( t x c A

a = m ω − ω (1.17) Trong đó, Am – biên độ

Nếu lấy đạo hàm của v theo t , ta sẽ có công thức tính gia tốc phần tủ môi

trường lan truyền sóng:

) sin(

) cos(

P m (1.20) Trong đó, biên độ áp lực sóng siêu âm P = Amρ0c ω = v ρ0c

Biên độ chuyển vị liên quan đến cường độ (năng lượng của dao động sóng quan một đơn vị diện tích) được thể hiện bởi công thức:

2 / 1

0 ) 2 ( 2 /

1 f I c

am = π ρ (1.21) Trong đó I - Cường độ dao động sóng siêu âm (w/cm2)

Ngoài ra có thể thể hiện các giá trị của tốc độ, gia tốc lan truyền qua áp lực của dao dộng sóng siêu âm:

2 / 1

0 ) 2 ( I c

vm = ρ

c v

Pm = ρ0 (1.22)

2 / 1

2 (

gm = π ρ

Ví dụ, đối với một dao động sóng siêu âm trong nước có biên độ dao động

10 mc, tần số dao động siêu âm f=20Khz, tỷ trọng nước ρ=1g/cm3, vận tốc lan truyền sóng siêu âm trong nước c=1.5.105 cm/s Theo công thức

ω

ρ c

P = Am 0 tính được áp suất của sóng siêu âm trong nước là P=18 atm

Năng lượng dao động sóng siêu âm

Sự lan truyền song siêu âm bao giờ cũng liên quan đến sự truyền năng lượng Dòng năng lượng doa động sóng siêu âm được xác định bởi tổng động năng và thế năng của các phần tử môi trường dao động do sóng siêu âm Nghĩa là:

2 2 2

Đối với các sóng mảnh :

2 2 2

2 cf A

I = π ρ (1.24)

Cường độ năng lượng sóng siêu âm được tính bằng w/cm2

Như vậy, công suất của âm thanh (trong đó có siêu âm) truyền cho môi trường không chỉ phụ thuộc vào tính chất của âm thanh mà còn phụ thuộc vào đặc tính của môi trường lan truyền sóng

Tốc độ lan truyền dao động sóng siêu âm trong các môi trường khác nhau

Trong chất lỏng và chất khí chỉ có thể có các biến dạng nén và kéo, do đó trong đó chỉ có thể lan truyền sóng dọc

thường

Ôxy 316 Nitơ lỏng 867

Tốc độ lan truyền của sóng siêu âm trong chất rắn:

ρ

/

B

C = (1.25)

Trong đó, B – mô đul đàn hồi của chất rắn (moođul young)

Sự hấp thụ và phản xạ dao động sóng siêu âm

Khi lan truyền doa động sóng siêu âm trong chất lỏng, chất khí và chất rắn

có hiện tượng tổn hao năng lượng không xác định

Trong chất lỏng, sự tổn hao năng lượng lớn nhất liên quan đến ma sát trong (độ đậm đặc của chất lỏng) Sự dẫn nhiệt của chất lỏng cũng giữ vai trò quan trọng đối với tổn hao năng lượng sóng siêu âm Khi bị dao động với tần số siêu âm, trong khu vực nén nhiệt độ cao hơn khu vực dãn Chính vì thế mà có sự truyền năng lượng do sự hấp thụ năng lượng sóng

Trong môi trường chất rắn, ngoài các ma sát trong và sự dẫn nhiệt còn có tổn hao năng lượng do biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo của vật liệu có sóng siêu âm lan truyền

Sự thay đổi cường độ của dao động sóng siêu âm do bị môi trường hấp thụ năng lượng được tính theo công thức:

x

e I

I 2 α 0

−

= (1.26) Trong đó, I0 - cường độ năng lượng sóng siêu âm khi x=0; I - cường độ năng lượng sóng siêu âm trong phạm vi chuyển vị x

Hệ số hấp thụ năng lượng đặc trưng bởi độ nhớt của môi trường được thể hiện qua biểu thức:

2 2

1 2 i ρω / 3 qc

α = (1.27) Trong đó, i - hệ số độ nhớt của môi trường

Hệ số hấp thụ đươc đặc trưng bởi độ dẫn nhiệt của môi trường

2 2

2

2 2 π cKTq / λ ρ BCp

α = (1.28)

q - Hệ số nở do nhiệt, B – số tỷ lệ nhiệt cơ khí

Sự lan truyền sóng siêu âm từ môi trường này sang môi trường khác:

Giả sử sóng siêu âm lan truyền trong môi rường có C 1ρ1 sang môi trường

có C 2ρ2

Ký hiệu C 1ρ1 = R 1 ; C 2ρ2 = R 2

Hệ số đi thông được xác định bởi tỷ lệ sóng đã đi qua và sóng đi tới:

2 2 1 2

4 R R R R

τ (1.29) Nếu R1 = R2, tất cả năng lượng đi qua, nếu ngược lại thì không phải tất cả năng lượng được truyền qua

Khi đi từ nước vào không khí và ngưựoc lại thì τd =0.0011 nghĩa là 0.0999 tất cả năng lượng sóng tới bị phản xạ tại biên giới hai môi trường

Đối với nước và kim loại τd =0.013

Đối với nước và gỗ τd =1

Dõ dàng là nếu trên đường đi của sóng siêu âm có chướng ngoại vật thì phần lớn năng lượng bị phản xạ trở lại

Chỉ cần trong môi trường vật chất rắn có bọt khí với chiều rộng 1 mc thì toàn bộ năng lượng sóng siêu âm sẽ bị phản xạ lại

1.5.3 Bản chất sự tác động sóng siêu âm trong chất lỏng

Hiện tượng xâm thực do tác động của siêu âm

Xâm thực khí do tác động của siêu âm là hiệu ứng mấu chốt của các quá trình hoá lý trong chất lỏng Nó đặc trưng bởi sự vận chuyển năng lượng siêu âm

có mật độ nhỏ thành năng lượng siêu âm có mật độ lớn gần và bên trong các bọt khí

Hiện tượng xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng như thế nào?

Hiện tượng xâm thực khí trong chất lỏng xỷa ra theo các trình tự sau:

1 Khi tác dụng vào chất lỏng một dao động sóng siêu âm không cần lớn, sóng siêu âm đi qua chất lỏng và tạo ra trong chất lỏng các vùng nén và vùng dãn, các vùng này thay đổi vị trí cho nhau mỗi lần tương ứng với nửa chu kỳ dao động siêu âm

Áp suất chất lỏng do dao động sóng siêu âm tạo ra tahy đổi dấu theo tần

số siêu âm và được tính theo công thức:

3

10 6 , 4

âm quanh vị trí cân bằng của nó R Như vậy, biên độ dao động cực đại A của các bọt khí đạt được khi có sự cộng hưởng tại tần số f

3 Sự gia tăng tiếp theo cường độ I đến giá trị 1.5w/cm 2 dẫn đến sự páh huỷ sự tuyến tính dao động của các thành các bọt khí với tần số siêu âm Quá trình ổn định xâm thực khí được bắt đầu Bọt khí tự trở thành nguồn dao động sóng siêu âm với các tần số điều hoà n.f và cấc tần số một phần của các tần số

dao động điều hoà 1/n.f Trên các bề mặt của chúng xuất hiện sóng các vi dòng

chảy và sự phóng các điện tích

4 Giai đoạn thứ tư được gọi là giai đoạn xâm thực khí bất ổn xuất hiện

khi cường độ năng lượng dao động sóng siêu âm tiếp tục tăng I>2.5 w/cm 2 Nó được đặc trưng bởi sự hình thành các bọt khí có hơi nước tăng nhanh về thể tích,

trong pha nén sự gia tăng về thể tích các bọt khí này đột ngột dừng lại và nổ tung ra

Đối với các chất lỏng khác nhau, giá trị áp lực cần thiết để thực hiện quá trình xâm thực khí lằm trong khoảng từ 1 đến 3.9 at

Đối với nước, áp lực này là 1 at; đối với dầu thực vật (dầu ăn) 3.2 at; đối với dầu hoả 3.9 at v.v

Quá trình xâm thực khí được đặc trưng bởi:

a) Trong bọt khí xẩy ra quá trình nung nóng hỗn hợp khí hơi đến 8000-12000oK

b) Dao động của thành các bọt khí được đặc trưng bởi tốc độ hướng kính rất cao và cao hơn cả tốc độ âm thanh (340 m/s)

c) Trong bọt khí, áp suất tạo lên cực lớn >10.000 at

Trên lý thuyết, các giá trị trên còn có thể cao hơn rất nhiều, với điều kiện thích hợp có thể đạt được các giá trị mà trong đó quá trình phản ứng hạt nhân nguyên tử có thể hình thành

Điều gì sẽ xảy ra sau khi các bọt khí bị nổ tung

a) Ở vị trí có bọt khí nổ, sau khi bọt khí biến mất hình thành lên sóng va đập

b) Nếu bọt khí trước khi nổ ở pha nén có hình dạng thấu kính, giữa các thành gần nhau của bọt khí xuất hiện sự phóng điện đa điểm điện áp lớn tới hàng triệu vôn

Kết quả của sự hình thành và nổ bọt khí là mọt quá trình thuỷ động rất phức tạp ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc của chất lỏng Những đặc tính của nó là:

1 Sự dao động của các bọt khí hình thành lên áp lực thuỷ động P trong môi trường chất lỏng

2 Sự nổ các bọt khí tạo nên sóng va đạp trong chất lỏng

3 Hình thành lên một áp lực âm thanh sóng siêu âm

Dưới sự tác dụng lên nhau của các bọt khí, các phần tử chất rắn trong thể tích chất lỏng hình thành lên một áp lực không đồng nhất, chính vì thế trong chất lỏng hình thành lên dòng chảy chung tập hợp bởi các vi dòng chảy riêng Các dòng chảy này có tác dụng:

1 Thay đổi hướng chuyển động và tính chất của các phân tử

2 Làm biến dạng, phá huỷ các chuỗi liên kết giữa các phân tử thành các cụm phân tử riêng biệt

Trong trường hợp này, các hiện tượng hoá học dưới tác dụng của âm thanh là một trong những phản ứng cơ hoá

Sự xuất hiện của các phản ứng cơ hoá trong chất lỏng dưới tác dụng của năng lượng siêu âm rất khức tạp Phần lớn các phản ứng này là phản ứng ôxy hoá khử:

Bảng 1.3 Môi chất lỏng được âm

thanh tác dụng

Ảnh hưởng của khí đến tốc độ phản ứng (theo chiều giảm)

Các sản phẩm chính

H20 Xe>Cr>Ar>O2>không khí H202

KMnO4+H20 Mn(OH)2, MnO2

CH3-CHNH2

-COOH-H2O

Hiệu ứng xâm thực khí là hiệu ứng quan trọng nhất của năng lượng siêu

âm trong chất lỏng Chính có hiệu ứng xâm thực khí tạo ra trong chất lỏng khi

có tác động của dao động sóng siêu âm mà người ta đã nghĩ đến việc sử dụng

năng lượng siêu âm trong nhiều ứng dụng như ngày nay như làm sạch, tảy rửa,

chống đóng cặn, tăng tốc độ phản ứng hoá, làm thoát khí, tạo huyền phù, nghiền

lỏng v.v

1.6 Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghiệp

Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghiệp đi theo hai hướng như

sau:

1 Sử dụng sóng siêu âm với cường độ nhỏ (các dao động có năng lượng

thấp không gây ảnh hưởng đến sự thay đổi trong vật liệu và vật thể mà trong đó

có song siêu âm lan truyền qua) cho các mục đích, điều khiển, đo lường và

nghiên cứu cấu trúc bên trong

Theo việc sử dụng sóng siêu âm cường độ nhỏ, các vấn đề được quan tâm

nhiều nhất đó là: đo lường các thông số công nghệ với sự trợ giúp của các thiết

bị trên cơ sở dao động sóng siêu âm như đo mức, đo lưu lượng, phân tích thành

phàn khí chất ,ỏng và các chất rắn

Các mục đích chính:

- Đo các thông số công nghệ

- Đo lưu lượng

- Phân tích tính chất của vật liệu

2 Ứng dụng các dao động sóng siêu âm năng lượng cao – sóng siêu âm

cường độ lớn để tác dụng tích cực vào vật liệu chất và làm thay đổi cấu trúc và

tính chất của vật liệu

Trong thời điểm hiện nay bùng nổ sự phát triển một lĩnh vực mới, đó là

âm sinh học, nghiên cứu hình dạng, phương pháp và các hệ thống quan hệ âm

thanh Các nghiên cứu đã chúng minh rằng, rất nhiều động vật sử dụng tiếng nói

của mình để xác định hướng trong không gian

Các nhà khoa học đã chứng minh rằng, rất nhiều động vật sử dụng sóng

siêu âm để truyền đạt thông tin, cảnh báo nguy hiểm, tai học, sự hài lòng, chiến

thắng v.v

Sự phát triển của ngành âm sinh học trên cơ sở sự đòi hỏi của thực tiễn

Trên cơ sở của các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này đã giúp cho họ chế tạo

được những dụng cụ đo với các mục đích sử dụng rất hiệu quả Ví dụ như dùng

để bảo vệ sự xâm nhập của chim cho các sân bay, bảo vệ chống côn trùng cho

thực vật, điều khiển hoạt động vủa động vật v.v

Những ứng dụng nổi bật nữa là sử dụng siêu âm trong ngành nghiên cứu

biển Sóng siêu âm lan truyền trong nước là 5300 km/h Không có gì có thể lan

truyền nhanh hơn sóng siêu âm trong nước Nếu trong không khí, nguồn âm

thanh công suất 100 kw có thể nghe được ở khoảng cách 15 km thì ở trong nước

với nguồn siêu âm công suất 1 kw có thể nhận được ở khoảng cách 100 km Nước được coi là môi trường trong suốt đối với sóng siêu âm như không khí cho ánh sáng

Các dao động tạo ra do cá, cua, tôm và các động vật khác trong nước giúp cho người đánh cá có thể tìm ra chúng Ngoài ra sóng siêu âm còn cho ngưưoì đánh cá biết được kích thước và vị trí hiện tại của chúng Nhiều động vật có khả năng nhận biết và phát ra sóng siêu âm Ví dụ như lợn biển, con cú mèo, con dơi, bướm đêm, bọt nước có thể nhận được tín hiệu siêu âm với tần số 100 kHz Chó cũng nghe được siêu âm Các con dơi, cá voi v.v không thể sống được nếu không sử dụng sóng siêu âm, đối với các con vật này, siêu âm là thị giác của chúng Ví dụ cá heo, với khoảng cách 30 m có thể nhìn thấy dây nhỏ tới 0.08mm

Ngày nay con người đã có khả năng chế tạo ra được thiết bị tìm kiếm như của các heo sử dụng năng lượng siêu âm, tuy nhiên nếu với cùng đặc tính kỹ thuật, cơ quan của các heo chỉ nặng có 200 g còn thiết bị của con người nặng tới

100 kg

Phát dao động sóng siêu âm và ứng dụng siêu âm của loài người

Con người đã biêt sử dụng siêu âm sau phát minh của anh em Dzak và Per Kiur về hiệu ứng điện áp Pezzo

Thực chất của hiệu ứng trên là: nếu làm biến dạng tấm đá, thì trên các cạnh của chúng xuất hiện các điện tích ngược dấu

Pezzo theo tiếng Hylạp là “Nén”

Lần đầu tiên hiệu ứng điện áp pezzo được phát hiện ở pha lê (một dạng của đá)

Phát tín hiệu điện khi bị nén - hiệu ứng pezzo thuận

Những ngoài hiệu ứng pezzo thuận còn có hiệu ứng pezzo ngược Nếu như ta đặt vào tấm tinh thể thạch anh một điện thế thay đổi thì tấm tinh thể bị nén và dãn với tần số của điện thế ta đặt vào

Hiệu ứng pezzo thuận cho phép người ta chế tạo ra các thiết bị thu còn hiệu ứng pezzo ngược thì chế tạo các thiết bị phát dao động sóng siêu âm Tuy nhiên, thạch anh lại rất đắt và hiệu ứng pezzo cũng không cao Các nhà khoa học

đã phát minh các hợp chất có hiệu ứng pezzo rất mạnh như titanat bari, siurionat titanat chì Những vật liệu có hiệu ứng pezzo cao gấp 100 lần thạch anh

Trong số các vật liệu có hiệu ứng pezzo là vật liệu sắt từ và hiệu ứng pezzo của chúng người ta gọi là hiệu ứng từ giảo Nếu đặt vào dọc thanh sắt từ một từ trường thì thanh sắt từ sẽ thay đổi kích thước hình học của nó

Đã có thời điểm phần lớn các thiết bị siêu âm đều đựơc chế tạo từ các vật liệu có tính từ giảo do có nhiều đặc tính nổi trội hơn các vật liệu hiệu ứng pezzo như giá thành rẻ hơn, đơn giản hơn tuy nhiên gần 10 năm trở lại đây các vật liệu hiệu ứng pezzo cũng được sử dụng rộng rãi hơn do sự phát triển rất mạnh của ngành vật liệu Hiện nay có tời hàng trăm loại vật liệu hiệu ứng pezzo khác nhau được sử dụng với các đặc tính và mục đích sử dụng khác nhau Chúng đã có khả năng thay thế cho các vật liệu hiệu ứng từ giảo và cho phép người ta chế tạo ra các thiết bị công nghệ siêu âm hiện đại

Trên cơ sở của các vật liệ và phần tử hiệu ứng từ giảo và hiệu ứng pezzo,

có rất nhiều các thiết bị đầu phát siêu âm được chế tạo Các đầu phát siêu âm

này có tác dụng chuyển đổi các dao động điện thành các dao động cơ học tần số siêu âm và đưa dao động sóng siêu âm vào môi trường cần tác động

Một trong những hướng quan trọng của tiến bộ kỹ thuật liên quan đến sự phát triển tiếp theo và hoàn thiện hoá công nghệ sản xuất trong công nghiệp Mặt khác, những đòi hỏi về bảo vệ môi trường hiện nay và sử dụng thích hợp các nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có không cho phép việc tăng hiệu quả của công nghệ bằng bất cứ giá nào Đầu tiên để đảm bảo được các yêu cầu kể trên, việc hoàn thiện các công nghệ sẵn có và tạo các công nghệ mới phải đảm bảo các yêu cầu về giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu các ảnh hưởng sản xuất đến môi trường

Những yêu cầu trên được thực hiện bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng mới với khả năng sử dụng hiệu quả cao hơn và ít chất thải độc hại hơn Một trong những hướng tiên tiến trong việc tăng nhanh các quá trình công nghệ là sử dụng năng lượng của các dao động siêu âm cường độ cao

Hiệu quả của hướng sử dụng năng lượng dao động siêu âm cường độ cao

đã được các nhà khoa học trên thế giới chứng minh bằng thực tiễn Đến nay có thể đưa ra các kết luận là:

1 Ứng dụng dao động siêu âm cường độ cao đảm bảo tăng các quá trình công nghệ đến 10 1000 lần diễn ra giữa hai hoặc nhiều môi trường đồng nhất (trong các quá trình công nghệ như hoà ta, làm sạch, tảy mỡ, thoát khí, sơn, nghiền, thấm, tạo huyền phù, kết tinh, tổng hợp polimer, chống đóng cặn, tách dung dịch, phun, các phản ứng hoá lý và còn nhiều các quá trình khác) Trong đó, sản xuất các sản phẩm với các tính năng bổ xung mới như hoạt tính và sản xuất ra các chất có các đặc tính hoà toàn mới mà bằng công nghệ cũ không thể nào có được như độ mịn, độ tinh, độ đồng đều v.v

2 Ứng dụng dao động siêu âm cho phép thực hiện các quá trình công nghệ mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp truyền thống như trong gia công quá trình gia công cơ khí khoan, phay rãnh các vật liệu

có độ cứng và giòn rất cao như gốm, đá, kính, các chất bán dẫn, pherit, các hợp kim và thép hợp kim có độ cứng rất cao

3 Các dao động siêu âm cho phép tăng nhanh các quá trình công nghệ xảy ra trên biên giới tiếp xúc của các vật liệu như hàn siêu âm vật liệu polimer, dán), gia tăng nhanh các quá trình công nghệ và nâng chất lượng sản phẩm thu được

Những ưu điểm đạt được của các công nghệ dùng năng lượng dao động siêu âm kể trên vẫn hầu như chưa được sử dụng rộng rãi Nguyên nhân chính là:

1 Trước những năm 2000 các thiết bị siêu âm được chế tạo từ các điện tử không có tính tích hợp cao, các đầu phát dao động cơ học tần số siêu âm

và phần dẫn sóng có cấu trúc phức tạp trên cơ sở của hiệu ứng từ giảo cần phải làm mát cưỡng bức trong quá trình làm việc Vì cần phải có tính ổn định, nhiều thông số của máy phát dao động điện tần số siêu âm không được bền, sự hiệu chỉnh và vận hành chỉ có thể thực hiện bởi các chuyên gia có tay nghề cao Những máy phát dao động điện tần số siêu âm công suất lớn lại có hiệu suất rất nhỏ (3-5%) và trong thời gian làm việc tạo ra

xung quanh các phát xạ tạp (phóng xạ âm thanh và từ) nhiều hơn là các tín hiệu có ích

Do vì quá phức tạp, hiệu quả thấp và giá thành lại cao nên các thiết bị kỹ thuật siêu âm này chỉ được sử dụng trong các quá trình công nghệ sản xuất hàng loạt, những sản xuất với quy mô nhỏ không thể áp dụng được

Sự thay đổi tình huống đã giúp giải quyết một loạt các vấn đề kỹ thuật đó khi các nhà khoa học đã chế tạo được các hệ thống dao động siêu âm và các thiết bị điện tử phát dao động điện tần số siêu âm mới Các thiết bị này có khả năng tập trung được các tác động siêu âm vào những thể tích nhỏ

2 Việc sử dụng rộng rãi công nghệ siêu âm còn kém hiệu quả do thị trường ứng dụng các thiết bị công nghệ siêu âm nhỏ chưa có Chỉ có sự bùng nổ của nền kinh tế thị trường mới thúc đẩy sự hình thành rất nhiều các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ trong các lĩnh vực chế xuất và sử lý vật liệu, hiệu quả hoạt động của các lĩnh vực này đã trong mức độ nhất định phụ thuộc vào mức độ và hiệu quả ứng dụng công nghệ siêu âm

3 Ứng dụng rộng rãi công nghệ siêu âm vào cuộc sống của con người cũng rất hạn chế do sự thiếu các phương pháp quảng cáo thông tin về ứng dụng công nghệ này trong công nghiệp cũng như trong đời sống Đặc biệt thiếu vắng các nghiên cứu và đề xuất ứng dụng công nghệ siêu âm truyền thống, ví dụ như ứng dụng công nghệ siêu âm trong sản xuất nước quả, huyền phù, hỗn hợp hoá chất, chế xuất cá và hải sản, dán vật liệu nhựa và polimer, tảy rửa dầu mỡ, khoan lỗ vật liệu cứng dòn v.v

4 Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ siêu âm trong công nghiệp và đời sống còn bị hạn chế bởi lý do thiếu các thiết bị đo các thông số thiết bị siêu âm, các thông số công nghệ dưới tác dụng của năng lượng siêu âm, vì thế chưa đảm bảo được việc hiệu chỉnh các thông số thiết bị siêu âm đạt mức tối ưu dẫn đến hiệu quả ứng dụng chưa cao

5 Ngoài ra hạn chế việc sử dụng công nghệ siêu âm còn do lý do chưa đủ

có đủ các tài liệu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chứng minh được sự an toàn của năng lượng siêu âm trong tất cả các môi trường ứng dụng và tính hiệu quả tuyệt đối của ứng dụng các công nghệ này

Từ những điểm hạn chế được nêu ở trên chứng tỏ rằng để phát triển ứng dụng rộng rãi và hiệu quả công nghệ siêu âm vào công nghiệp và đời sống phải dần khắc phục được các nhược điểm trên Ngày nay, nhu cầu sử dụng công nghệ cao với các hiệu quả kinh tế và môi trường cao đang rất được quan tâm và nghiên cứu ứng dụng Công nghệ siêu âm là một trong những hướng đi rất có tương lai Cụ thể là, nhiều quá trình công nghệ như hoà ta, khuấy, nghiền tinh, tạo huyền phù, tảy rửa, thoát khí, tăng tốc độ phản ứng, giặt đồ vải v.v đã ứng dụng rất hiệu quả công nghệ dùng năng lượng siêu âm

1.6.1 Gia công cơ bằng năng lượng siêu âm

Không phải bất kỳ kim loại nào có thể gia công được bằng dụng cụ từ kim loại Chính vì thế người ta đã phát minh ra các dụng cụ với sự trợ giúp của tia lazer, tia lửa điện, sóng siêu âm Nhưng nếu vật liệu cần gia công không dẫn điện, cực cứng và dòn thì hầu hết các phương pháp truyền thống không thể sử

dụng được Ngoài ra nếu cần khoan các lỗ với hình dạng phức tạp thì công nghệ duy nhất có thể áp dụng được là công nghệ siêu âm

Ngày này với sự trợ giúp của các thiết bị sử dụng năng lượng siêu âm người ta có thể gia công được cả kim cương Các máy khoan siêu âm hiện nay trên thế giới đã có thể khoan được các lỗ đường kính từ 1 đến 120 mm với hình dạng phức tạp nhất có thể

Nhiều vật liệu mới khác đặc biệt là các vật liệu của các hợp kim có độ dẻo

và không bền cao rất khó gia công cơ Nhưng nếu đưa vào hệ thống Máy-dụng cụ-chi tiết dao động siêu âm thì quá trình gia công cơ hiệu quả hơn tới hàng chục lần, ví dụ như khoan lỗ, tiện ren, tarô ren, mài, đánh bóng v.v Tất cả các quá trình này được thực hiện khi có sự dao động của dụng cụ với tần số siêu âm

1.6.2 Làm sạch bằng công nghệ siêu âm

Ngày nay đã có rất nhiều các phương pháp làm sạch bẩn các bề mặt chi tiết thiết bị Tuy nhiên, phương pháp làm sạch bằng siêu âm được coi là hiệu quả nhất do thời gian làm sạch ngắn nhất, bề mặt làm sạch có chất lượng cao nhất,

và có thể làm sạch hầu hết tất cả các vị trí khó tiếp cận mà các phương pháp khác không thể thực hiện được Ngoài ra phương pháp làm sạch bằng siêu âm rẻ tiền hơn, an toàn cháy nổ hơn và không cần sử dụng các hoá chất đắt tiền mà rất khó mua

Nếu ai đã từng làm sạch bộ chế hoà khí của ôtô thì sẽ hiểu không có bất

kỳ công nghệ nào có thể so sánh được công nghệ làm sạch bằng siêu âm Thời gian làm sạch một bộ chế hoà khí với chất lượng cao chỉ trong vòng vài phút

Nguyên nhân chính mà phương pháp làm sạch siêu âm đạt hiệu quả cao

đó là làm sạch trong môi trường xâm thực khí Khi có tác dụng của dao động sóng siêu âm, trong chất lỏng hình thành nên vô số các bọt bong bóng khí Những bọt khí này khi có kích thước đủ lớn se bị nổ tung ra và tạo ra một vi dòng chảy với áp suất thuỷ động cực lớn, với áp lực này hầu như chẳng còn cáu bẩn nào có thể tồn tại ở vị trí được mà bị đẩy ra khỏi bề mặt liên kết với chi tiết Trên cơ sở đó, ngày nay đã có rất nhiều các thiết bị tảy rửa là sạch bẩn như các

bể rửa thiết bị, máy giặt siêu nhỏ dùng năng lượng siêu âm v.v

Hiện nay đã có nhiều thiết bị dùng năng lượng siêu âm để làm sạch kim loại sau các quá trình cán, dập, khuôn, làm sạch thiết bị y tế, tảy rửa bẩn cho vải

và các loại vật liệu khác Ngoài việc tảy rửa năng lượng siêu âm còn có tác dụng làm sạch ba via, gỉ bẩn, chất đánh bóng trên bề mặt chi tiết

Làm sạch bằng năng lượng siêu âm còn có tác dụng tiêu diệt các vi trùng

do đó ngày nay đặc biệt được sử dụng trong làm sạch các dụng cụ y tế rất hiệu quả

Những ứng dụng làm sạch bằng năng lượng siêu âm khác:

- Làm sạch các chất cứng của khói trong không khí Nguyên lý của phưưong pháp này là với tác dụng của năng lượng siêu âm các phần tử chất rắn chuyển động nhanh hơn, va đập vào nhau, bám dính vào thành của thiết bị Nhờ vậy mà có thể lọc các phần tử kim loại ra khỏi khói

- Hiện nay công nghệ làm sạch khói bằng năng lượng siêu âm được sử dụng ở một số sân bay và cảng biển để chống xương mù

1.6.3 Hàn bằng năng lượng siêu âm

Hàn các tấm kim loại, các sợi dây kim loại mỏng kim loại màu và các chi tiết có vật liệu khác nhau là vô cùng khó khăn Tuy nhiên, công nghệ hàn siêu

âm đã khắc phục được những khó khăn ấy Hàn công nghệ siêu âm được gọi là hàn lạnh vì quá trình hàn được thực hiện khi nhiệt độ mối hàn nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại Chính vì thế, ngày nay người ta đã sử dụng công nghệ hàn siêu âm để hàn các vật liệu như nhôm, titan, niobi, molibden v.v

Cơ sở tận gốc của công nghệ hàn siêu âm đến này vẫn chưa có, mặt khác

nó đã được sử dụng rộng rãi ở các nước như Nga, Mỹ, Thuỵ sỹ, Ấn độ v.v đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất linh kiện điện tử

Công nghệ hàn siêu âm còn sử dụng để hàn các vật liệu như nhựa, polimer và các vật liệu phi kim khác Hàn bằng công nghệ siêu âm cho các sản phẩm rất tôt về độ kín mối hàn như hàn các loại hộp nhựa, túi li lông, quần áo thợ lặn, bao bì v.v Một điểm đặc biệt của hàn công nghệ siêu âm chất khi kim là

có thể thực hiện hàn ngay cả khi vật liệu không sạch và đang chứa chất lỏng

Bằng công nghệ này người ta đã sản xuất ra các máy khâu không chỉ, có nghĩa là máy hàn phục vụ cho khâu bao bằng công nghệ siêu âm

1.6.4 Công nghệ siêu âm trong ngành hoá hiện đại

Như đã biết, khi có tác dụng có dao động sóng siêu âm, nước như bị sôi,

vì thế các phần tử nước chuyển động nhanh hơn Chính nhờ hiệu ứng tác động của sóng siêu âm trong chất lỏng đã sinh ra một ngành hoá mới đó là ngành hoá công nghệ siêu âm

Nghiên cứu các phản ứng và chuyển hoá của hoá chất dưới tác dụng của năng lượng siêu âm, các nhà khoa học đã thiết lập ra rằng, sóng siêu âm không chỉ làm tăng quá trình ôxy hoá khử mà trong nhiều trường hợp còn tăng các quá trình phục hồi chất Chính vì thế với công nghệ siêu âm người ta có thể tách sắt

ra khỏi axít và muối

Ngày nay công nghệ siêu âm đã được sử dụng rất hiệu quả cho việc tăng tốc độ cho các quá trình sau:

- Kết tủa, tổng hợp polimer, ôxy hoá khử, thấm, hòa tan, tạo huyền phù, phun sương mù siêu mịn, đốt, sấy khô v.v

- Với tác dụng của sóng siêu âm vào quá trình kết tủa, kim loại kết tủa có cấu trúc tinh thể nhỏ và đồng đều hơn vì thế độ xốp của nó giảm đi đáng kể Dựa trên công nghệ này người ta đã thực hiện được các quá trình rất hiệu quả như nhúng đồng, nhúng bạc v.v Quá trình được thực hiện nhanh hơn và chất lượng

bề mặt lớp kim loại phủ tốt hơn nhiều lần so với các phương pháp truyền thống khác

- Sản xuất huyền phù: nước và mỡ động vật, nước và mỡ thực vật, nước

và thuỷ ngân là những ví dụ về sự áp dụng rất hiệu quả công nghệ siêu âm trong sản xuất huyền phù với chất lượng và thời gian ổn đinh huyền phù cao nhất mà chưa có công nghệ nào so sánh được

- Tổng hợp polimer: Liên kết các phân tử thành một Bằng công nghệ siêu

âm người ta còn có thể điều chỉnh được mức độ tổng hợp bằng sự hiệu chỉnh tần

số siêu âm