Ученые создали технологию бесконтактной очистки промышленного оборудования

12:10, 25 ноября 2021

Она позволяет удалять загрязнения более точно, безопасно и экономично

Трубу слева очищали стандартным методом, справа — разработанным уральскими и финскими учеными. Фото из архива Марии Грицевич.

Ученые Университета Хельсинки и Уральского федерального университета совместно с финской компанией Altum Technologies Oy разработали технологию бесконтактной очистки от загрязнений сложного промышленного оборудования (трубопроводов, теплообменников, технических резервуаров). Статья о новой технологии опубликована в журнале Ultrasonics Sonochemistry.

В обычных условиях, чтобы очистить труднодоступные участки промышленного оборудования, приходится либо останавливать все производство, либо направлять ультразвуковые волны повышенной мощности одновременно в разных направлениях, «наугад». В иных случаях необходимо устанавливать большое количество мощных датчиков или использовать токсичные химические средства, наносящие урон окружающей среде.

Новый метод очистки оборудования с использованием ультразвуковых волн позволяет сфокусировать сигнал и таким образом оптимизировать очистку. Соответственно, оборудование очищается лучше: максимально аккуратно, точно, качественно, экологически безопасно, менее энергоемко и, как следствие, более экономично.

Новый метод проверен экспериментально. Ученые подвергли воздействию ультразвуковых волн прозрачные трубки с нанесенной на их поверхность кальциевой пастой, которая имитировала промышленное загрязнение. Сначала трубки очищали стандартным способом, а затем методом обращения времени, так называемым методом Матиаса Финка. Эксперименты длились одинаковое время при одинаковом энергопотреблении. Во втором случае исследователям хватило четырех датчиков, чтобы сфокусировать на трубках ультразвуковую волну мощностью, которой оказалась достаточно для быстрой и тщательной очистки — «без лишнего шума и пыли», по выражению разработчиков. Объем удаленных загрязнений оказался в три раза больше, чем при первом, «стандартном» подходе.

Создавая новую технологию, ученые использовали метод обработки сигналов с обращением времени, разработанный французским физиком Матиасом Финком в начале 1990-х годов. Данный метод широко применяется в медицине (визуализации внутренних органов, лечении почечнокаменной болезни, гипертермии мозга), в неразрушающем контроле технических объектов и узлов, в частности, сетей связи и электроснабжения. Ученые Университета Хельсинки и УрФУ первыми применили метод Финка для ультразвуковой очистки сложных промышленных объектов и оборудования от загрязнений.

«Обращение времени — это метод фокусировки волновой энергии в выбранной точке пространства и времени. Обычно, когда нужно направить ультразвуковую волну в определенную точку в пространстве, необходимо сначала выяснить состояние среды, в которой она находится, — наличие и конфигурацию неоднородностей, препятствий. И описать их в волновых уравнениях. Это непростая задача, решение которой тем не менее не избавляет от погрешностей. Метод Финка избавляет от необходимости исследовать и характеризовать окружающую среду, а также проводить громоздкие вычисления», — поясняет суть метода Мария Грицевич, участник исследования и соавтор статьи, адъюнкт-профессор Университета Хельсинки, старший научный сотрудник УрФУ.

Сначала в компьютерной модели волна подается из той точки емкости, на которую планируется воздействовать ультразвуком. В процессе распространения смоделированной волны она фиксируется и измеряется компьютерными моделями датчиков, «установленных» по периметру судна. Это дает четкое представление о том, какую именно волну нужно генерировать в эксперименте, чтобы пройти через данную среду в противоположном направлении.

«Затем реальные датчики подают ультразвуковые волны заданного свойства на выбранный участок — точку, откуда волна распространилась в модели. По законам физики, проходя через ту же среду в обратном направлении, волны сфокусируются именно в этой, ранее намеченной точке, независимо от присутствия неоднородностей на их пути», — говорит Мария Грицевич.