Реферат на тему «Ультразвуковой испаритель»

Введение

Зимой, когда в квартирах работает центральное отопление, относительная влажность воздуха нередко опускается до 20–25 процентов, а это меньше, чем в некоторых пустынях. Люди чувствуют сухость в горле и в глазах, у комнатных растений желтеют листья, деревянная мебель и паркет начинают рассыхаться. Поэтому всё больше семей ставят дома увлажнители, и самым распространённым среди них стал ультразвуковой испаритель, который выпускает над корпусом струйку холодного белого тумана. Устройство кажется простым, но за ним стоят интересные физические явления, о которых в инструкции обычно не пишут.

Ультразвуковым испарителем называют прибор, который превращает воду в мельчайшие капли с помощью высокочастотных колебаний. Строго говоря, вода в нём не испаряется, а распыляется: колеблющаяся пластина разбивает её поверхность на капли диаметром в несколько микрометров, и уже в воздухе эти капли быстро испаряются. Тот же принцип используется в медицинских ингаляторах, в декоративных туманообразователях для фонтанов и аквариумов, в ароматических диффузорах и в промышленных установках для увлажнения теплиц и складов.

Чтобы понять, чем ультразвуковой прибор отличается от других способов увлажнения, удобно сравнить его с паровым и традиционным, или испарительным, увлажнителем. У каждого из них свой принцип работы, своё энергопотребление и свои слабые места, и выбор между ними зависит от условий, в которых прибор будет работать. Основные различия сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Сравнение бытовых увлажнителей воздуха

По таблице видно, что ультразвуковой прибор сочетает малую мощность с высокой производительностью, и именно этим объясняется его популярность. Паровой увлажнитель тратит энергию на нагрев и кипячение воды, а ультразвуковому достаточно возбудить колебания небольшой пластины, после чего испарение капель происходит за счёт тепла самого воздуха в комнате. Зато у ультразвукового прибора есть слабое место, связанное с качеством воды, и о нём будет сказано подробно в третьей главе.

Реферат состоит из трёх глав. В первой рассматриваются физические основы работы прибора, то есть ультразвук, пьезоэлектрический эффект и механизм образования тумана, во второй описано устройство бытовых увлажнителей и других ультразвуковых распылителей, а в третьей речь идёт о влажности воздуха в помещении и о правилах безопасной эксплуатации. Материалом послужили учебники физики, монография об ультразвуковом распылении жидкостей и межгосударственный стандарт ГОСТ 30494-2011 о микроклимате в помещениях.

Глава 1. Физические основы работы ультразвукового испарителя

1.1. Ультразвук и пьезоэлектрический эффект

Ультразвуком называют упругие колебания с частотой выше 20 килогерц, то есть выше порога, который способно услышать человеческое ухо. Летучие мыши и дельфины пользуются такими звуками для ориентации, а человек научился получать и применять их сравнительно поздно, в XX веке. Сегодня ультразвук работает в медицинских аппаратах УЗИ, в дефектоскопах, которыми проверяют сварные швы, в эхолотах на судах и в ультразвуковых ваннах для очистки деталей. Бытовой увлажнитель использует частоты гораздо выше порога слышимости, обычно около 1,7 мегагерца, то есть почти два миллиона колебаний в секунду.

Получить такие быстрые колебания механическим способом невозможно, и здесь помогает пьезоэлектрический эффект. Его открыли в 1880 году братья Пьер и Жак Кюри, которые обнаружили, что на гранях сжатого кристалла кварца появляются электрические заряды. Вскоре выяснилось, что верно и обратное: если подать на такой кристалл напряжение, он немного деформируется. При переменном напряжении кристалл начинает сжиматься и расширяться в такт с ним, и если частота совпадает с собственной частотой пластины, колебания становятся особенно сильными.

В увлажнителях вместо кварца используют пьезокерамику, обычно цирконат-титанат свинца, из которой делают тонкий диск диаметром около двух сантиметров. Диск закрепляют на дне резервуара, и он оказывается под слоем воды высотой в несколько сантиметров. Электронная схема подаёт на него переменное напряжение нужной частоты, и пластина начинает колебаться с амплитудой в доли микрометра. Глазом это движение не увидеть, но вода над диском заметно вспучивается фонтанчиком, и над ним поднимается облачко тумана.

Явление распыления жидкости ультразвуком первыми описали в 1927 году американские физики Роберт Вуд и Альфред Лумис, которые изучали действие мощных высокочастотных волн. Они заметили, что над колеблющейся пластиной из масляного слоя поднимается густой туман. Долгое время эффект оставался лабораторным курьёзом, и только во второй половине XX века, когда появились дешёвые пьезокерамические излучатели и транзисторные генераторы, на нём стали строить ингаляторы, а затем и бытовые увлажнители.

1.2. Как образуется туман

Ультразвуковая волна, идущая от пластины вверх, доходит до поверхности воды и создаёт на ней мелкую рябь, которую называют капиллярными волнами. От обычных волн на пруду они отличаются тем, что их поведение определяется главным образом поверхностным натяжением, а не силой тяжести. Когда интенсивность колебаний достаточно велика, гребни этих волн становятся неустойчивыми, и от них отрываются крошечные капли. Над резервуаром собирается облако таких капель, и встроенный вентилятор выдувает его наружу через сопло.

Распыление начинается не при любом уровне воды и не при любой мощности. Если слой воды над пластиной слишком толстый, энергия волны рассеивается по дороге к поверхности, и фонтанчик не поднимается, а если воды слишком мало, пьезоэлемент может перегреться и выйти из строя. Поэтому в каждом бытовом приборе есть поплавковый датчик, который отключает генератор, когда резервуар пустеет. От мощности колебаний зависит, сколько воды распыляется за час: у комнатных увлажнителей это обычно от двухсот до четырёхсот миллилитров, и регулятор на корпусе как раз меняет мощность, подаваемую на пластину.

Размер капель зависит прежде всего от частоты колебаний. В 1962 году американский исследователь Роберт Лэнг экспериментально показал, что средний диаметр капель пропорционален длине капиллярной волны, и предложил простую формулу для его расчёта. Согласно этой формуле, диаметр капли тем меньше, чем выше частота, и растёт с поверхностным натяжением жидкости. Результаты расчёта для воды при комнатной температуре приведены на рисунке 1.

При частоте 1,7 мегагерца, на которой работает большинство бытовых увлажнителей, диаметр капель получается около трёх микрометров, что примерно в двадцать раз тоньше человеческого волоса. Такие капли почти не оседают, долго держатся в воздухе и успевают испариться, пролетев всего несколько десятков сантиметров. Именно поэтому туман над увлажнителем быстро исчезает, а влажность в комнате при этом растёт. В медицинских ингаляторах размер капель подбирают так, чтобы лекарство проникало в нужный отдел дыхательных путей, и здесь частота излучателя приобретает практическое значение.

Для превращения воды в пар нужна большая энергия, около 2,3 мегаджоуля на каждый килограмм, и паровой увлажнитель берёт её из электрической сети. Ультразвуковой прибор тратит энергию только на дробление воды, а испаряются капли уже за счёт тепла окружающего воздуха, который при этом немного охлаждается. По этой причине ультразвуковые увлажнители в несколько раз экономичнее паровых, а выходящий из них туман прохладный и безопасный для детей. Об устройстве таких приборов и о том, как их конструкция зависит от назначения, рассказывает вторая глава.