Isa Suljkanović Ljubljana, 2021 DIPLOMSKO DELO ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Isa Suljkanović

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJSKO INŽENIRSTVO

Vpliv salicilne kisline na dinamiko kavitacijskega toka v mikrokanalih

DIPLOMSKO DELO

Isa Suljkanović

M

ENTOR

: prof. dr. Matevž Dular

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisani Isa Suljkanović sem avtor diplomskega dela z naslovom: Vpliv salicilne kisline na dinamiko kavitacijskega toka v mikrokanalih.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom prof. dr.

Matevža Dularja

• sem poskrbel, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v

predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3)(Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbel za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, 30.08.2021 Podpis avtorja:

(6)

(7)

Zahvala

Iskreno se zahvaljujem mentorju prof. dr. Matevžu Dularju za strokovno pomoč ter nasvete pri pisanju diplomske naloge.

Zahvalil bi se tudi doc. dr. Alenki Šmid za analize in dr. Darjanu Podbevšku za pomoč tekom same izvedbe eksperimentov ter vsem zaposlenim na Fakulteti za strojništvo, ki so na kakršen koli način pomagali pri izvedbi eksperimentalnega dela.

Rad bi se zahvalil tudi svoji družini in Sari, ki so mi stali ob strani tekom celotnega študija in so vedno verjeli vame.

(8)

(9)

Vpliv salicilne kisline na dinamiko kavitacijskega toka v mikrokanalih

Povzetek:

Salicilna kislina lahko umirja dinamično aktivnost kavitacije. Obenem je možno meriti dinamično aktivnost preko produktov salicilne kisline in OH radikalov. Slednji nastanejo ob implozijah kavitacijskih mehurčkov. V raziskovalnem delu smo spreminjali koncentracijo salicilne kisline in zraka. Pripravili smo aparaturo, ki je črpala destilirano vodo s salicilno kislino skozi Venturijevo cev, kjer je na ožini cevi nastajala kavitacija. To mesto smo opazovali s hitro kamero. Iz slik posnetih s hitro kamero smo s pomočjo programa v Matlabu naredili povprečne slike nahajanja kavitacije in njene standardne deviacije. Iz obdelanih slik smo lahko razbrali v katerih raztopinah je bila dinamična aktivnost večja. V drugem delu eksperimenta smo vzorce salicilne kisline analizirali s HPLC metodo in določali vsebnost produktov 2,3-DHBA, 2,5-DHBA in katehola, kot posledica reakcije salicilne kisline in OH radikalov. Skušali smo vzpostaviti korelacijo med vizualnimi opažanji in rezultati z analize.

Ugotovili smo, da visoka dinamična aktivnost na slikah ne pomeni nujno nastanek večje količine radikalov, saj ti lahko rekombinirajo v začetno stanje, preden reagirajo s salicilno kislino. Poleg tega večja koncentracija salicilne kisline ni vedno ponudila večji izkoristek nastalih produktov. Pri vizualizaciji smo opazili najbolj dinamično aktivne slike standardnih deviacij prav pri višji koncentraciji salicilne kisline, kar ni bilo pogosto pri prejšnjih podobnih eksperimentih.

Ključne besede: kavitacija, salicilna kislina, hitra kamera, radikali, dinamična aktivnost

(10)

(11)

Effect of salicylic acid on dynamics of cavitation flow in micro channels

Abstract:

Salicylic acid can ease the dynamic activity of cavitation. Furthermore, it is possible to measure dynamic activity trough the products of OH radical reactions with salicylic acid.

With radicals forming when cavitation bubbles implode, releasing big amounts of energy. In the experiment we were changing the concentration of salicylic acid and air in the solution.

An apparatus was assembled that pumped distilled water through the Venturi nozzle, where cavitation formed in the constricted area. This was also the part of the nozzle that was filmed with a fast camera. With a program in Matlab we processed the images taken with the camera to make pictures of cavitation average location and standard deviation. From these pictures it was easier to distinguish in which solutions the dynamic activity was higher. In the second part of the experiment we analyzed the samples of salicylic acid with HPLC method to determine the concentrations of 2,3-DHBA, 2,5-DHBA and catechol as they were the products of salicylic acid reacting with OH radical. We wanted to see if there is a correlation between the amounts of products that were yielded with the dynamic activity seen on the pictures made in Matlab. It was noticed that high dynamic activity on pictures did not lead to more products. Radicals could have rearranged before salicylic acid had the chance to trap them. Also higher concentration of salicylic acid didn't always yield more products. In the visualization part it was also noted that most dynamical active pictures were actually those with higher salicylic acid concentrations, which wasn't the case in some of previous similar experiments.

Key words: cavitation, salicylic acid, fast camera, radicals, dynamic activity

(12)

(13)

Kazalo

1 Pregled literature ... 1

1.1 Kavitacija ... 1

1.2 Nastanek kavitacije ... 1

1.3 Parametri za opis kavitacijskega stanja ... 3

1.3.1 Lastnosti tekočine ... 4

1.3.2 Kvaliteta tekočine ... 4

1.4 Situacije, ki ustrezajo nastanku kavitacije ... 4

1.5 Učinki kavitacije ... 5

1.6 Teorija kavitacijskih jeder ... 5

1.6.1 Kavitacijska jedra ... 6

1.6.2 Topnost plinov v kapljevini... 7

1.7. Začetna in razvita kavitacija ... 9

1.7.1 Začetna kavitacija ... 9

1.7.2 Vpliv tekočine ... 9

1.7.3 Razvita kavitacija ... 10

1.7.4 Nestacionarna kavitacija ... 10

1.8 Napredni oksidativni procesi ... 11

2 Namen dela ... 15

3 Materiali in metode ... 17

3.1 Merilna postaja ... 17

3.2 Potek dela ... 18

3.3 Obdelava podatkov in rezultatov ... 18

4 Rezultati in razprava

... 21

4.1 Vizualizacija 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ koncentracija salicilne kisline ... 23

4.1.1 Vizualizacija 50 mg L⁻¹ salicilne kisline ... 23

4.2 Vizualizacija 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ salicilne kisline pri predhodnem razplinjenju ... 27

(14)

(15)

4.3 Prepihovanje s komprimiranim zrakom ... 34

4.4 Nasičenje s O2 ... 39

4.5 Analiza raztopin salicilne kisline s HPLC za določanje vsebnosti radikalov ... 44

4.5.1 Meritve za 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ raztopino salicilne kisline ... 45

4.5.2 Vpliv razplinjanja na tvorbo produktov ... 46

4.5.3 Vpliv prepihovanja raztopine s komprimiranim zrakom ... 47

4.5.4 Vpliv nasičenja raztopine z zrakom ... 48

5 Zaključek ... 50

6 Literatura ... 52

(16)

(17)

Kazalo slik

Slika 1: Graf trojne točke vode [2] ... 2

Slika 2: Graf natezne trdnosti v odvisnosti od temperature pri Briggsovem poskusu [1] ... 6

Slika 3: Difuzivno ravnotežje med kapljevino in okolico [1] ... 7

Slika 4:Transport snovi ob porušitvi ravnotežja [1] ... 8

Slika 5: Trganje kavitacijskih oblakov [5] ... 11

Slika 6: Reakcije Salicilne kisline z ∙OH radikalom [8] ... 13

Slika 7: Merilna postaja ... 17

Slika 8: Začetna kavitacija ... 21

Slika 10: Začetek trganja kavitacijske strukture od toka ... 21

Slika 11: Nadaljevanje trganja ... 21

Slika 12: Tvorba kavitacijskih oblakov ... 21

Slika 13: Separacija oblakov ... 21

Slika 14: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji v 10. min eksperimenta .. 22

Slika 15: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji v 10. min eksperimenta ... 22

Slika 22: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji v 10. min eksperimenta 26 Slika 23: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji v 30. min eksperimenta 26 Slika 24: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji v 60. min eksperimenta 26 Slika 25: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji v 10. min eksperimenta ... 26

Slika 28: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 10. min eksperimenta ... 28

(18)

(19)

Slika 29: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 30. min eksperimenta ... 29 Slika 30: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 60. min eksperimenta ... 29 Slika 31: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni

raztopini v 10 min eksperimenta ... 29 Slika 32: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni

raztopini v 30. min eksperimenta ... 30 Slika 33: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni

raztopini v 60. min eksperimenta ... 30 Slika 34: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 10. min eksperimenta ... 31 Slika 35: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 30. min eksperiment ... 32 Slika 36: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 60. min eksperimenta ... 32 Slika 37: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni

raztopini v 60. min eksperimenta ... 33 Slika 40: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s

komprimiranim zrakom v 10min eksperimenta ... 34 Slika 41: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta ... 35 Slika 42: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 30. min eksperimenta ... 35 Slika 43: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 60. min eksperimenta ... 36 Slika 44: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s

komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta ... 37 Slika 45: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s

komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta ... 37 Slika 46: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s

komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta ... 37 Slika 47: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta ... 38 Slika 48: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta ... 38

(20)

(21)

Slika 49: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 60. min eksperimenta ... 39 Slika 50: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 10. min eksperimenta ... 40 Slika 51: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 10. min eksperimenta ... 40 Slika 52: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 30. min eksperimenta ... 41 Slika 53: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 60. min eksperimenta ... 41 Slika 54: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2

v 10. min eksperimenta ... 42 Slika 55: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2

v 30. min eksperimenta ... 42 Slika 56: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2

v 60. min eksperimenta ... 43 Slika 57: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 0. min eksperimenta ... 43 Slika 58: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 10. min eksperimenta ... 43 Slika 59: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in nasičeni raztopini s O2 v 60. min eksperimenta ... 44

(22)

Kazalo tabel

Tabela 1: Meritve pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji SK ... 23 Tabela 2: Meritve pri 300 mg L⁻¹ SK... 25 Tabela 3: Meritve za 50 mg L⁻¹ SK pri razplinjenju ... 28 Tabela 4: Meritve za 300 mg L⁻¹ SK pri razplinjenju ... 31 Tabela 5: Meritve za 50 mg L⁻¹ SK pri prepihovanju s komprimiranim zrakom ... 34 Tabela 6: Meritve za 300 mg L⁻¹ SK pri prepihovanju s komprimiranim zrakom ... 36 Tabela 7: Meritve 50 mg L⁻¹ SK pri nasičenju z 02 pri 5 bar ... 40 Tabela 8: Meritve pri 300 SK mg L⁻¹ pri nasičenju z 02 pri 5 bar ... 42 Tabela 9: Rezultati HPLC analize pri navadnih 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ raztopinah SK .. 45 Tabela 10: Rezultati HPLC analize pri razplinjenju ... 46 Tabela 11: Rezultati HPLC analize pri prepihovanju s komprimiranim zrakom ... 47 Tabela 12: Rezultati s HPLC analize pri nasičenju raztopine z zrakom ... 48

Kazalo grafov

Graf 1: Rezultati HPLC analize pri navadnih 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ raztopinah SK ... 45 Graf 2: Rezultati HPLC analize pri razplinjenju ... 46 Graf 3: Rezultati HPLC analize pri prepihovanju s komprimiranim zrakom... 47 Graf 4: Rezultati s HPLC analize pri nasičenju raztopine z zrakom ... 48

(23)

(24)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

A stopnja sivine c0 hitrost v točki

Ci koncentracijski gradient komponente i ΔCi razlika v koncentracijskem gradientu cp tlačni koeficient

cp,min najmanjši tlačni koeficient D koeficient masne difuzije f stopnja nasičenosti H(T) Henryjeva konstanta i številka točke v i smeri j številka točke v j smeri

l dolžina

n številka slike

p tlak

pg parcialni tlak znotraj mehurčka pkr tlak v kritični točki

pmin minimalni tlak pnas tlak nasičenja

po tlak v referenčni točki pp uparjalni tlak

ppl parcialni tlak

pr tlak v referenčni točki pv(T) parni tlak ob temperaturi T p∞ tlak v oddaljeni točki Δp tlačna razlika

(25)

(26)

q masni tok skozi površino R sferični polmer mehurčka S površinska napetost SK salicilna kislina St Strouhalovo število

T temperatura

v hitrost

Vk prostornina kapljevine

vk,p hitrost na meji med kapljevino in paro Vpl prostornina plina

v∞ hitrost prostega toka

α prostorninski delež pare in plina

αnas prostorninski delež pare in plina ob nasičenosti

µ srednja vrednost

ρ gostota

σ kavitacijsko število

σ normalni odklon

σi začetno kavitacijsko število 2,3-DHBA 2,3-dihidroksibenzojska kislina 2,5-DHBA 2,5-dihidroksibenzojska kislina 1,2-DHB 1,2-dihidroksibenzen

(27)

(28)

1

1 Pregled literature 1.1 Kavitacija

Kavitacija ima sprva negativen prizvok, kadar govorimo o hidravličnih sistemih. Sam pojav mehurčkov zaradi spremembe tlaka lahko povzroči škodo, vendar se danes uporablja tudi za čiščenje vode, uničevanje mikroorganizmov in degradacijo organskih spojin. Pojavi se v tekočem mediju v različnih situacijah. Prav tako je njen vpliv odvisen od konfiguracije toka tekočine in njenih fizikalnih lastnosti. Pojav lahko opišemo kot razpad tekočine pod zelo nizkimi tlaki. Kavitacija lahko nastane tudi v statični tekočini. Zato ločimo več vrst kavitacij:

 hidrodinamična, ki nastane zaradi nagle spremembe tlaka in hitrosti;

 akustična, ki lahko nastane v rezervoarjih, zaradi zvočnih valov, glavna razlika napram hidrodinamski kavitaciji je v načinu kako tlak pade;

 optična, kot posledica laserske svetlobe;

 kavitacija delcev, katero povzročijo delci kot je proton.

Akustična in hidrodinamska kavitacija nastaneta zaradi napetosti v tekočini, medtem ko optična kavitacija in kavitacija delcev nastaneta zaradi lokalno dovedene energije. [1,3]

1.2 Nastanek kavitacije

Kavitacija v tekočini lahko nastane z nižanjem tlaka pri približno konstanti temperaturi.

Lahko jo primerjamo z vrenjem, vendar je razlika v mehanizmu, ki vodi spremembo tekočine v plin. V primeru kavitacije je sprememba tlaka tista, ki povzroči nastanek plinske faze in ne temperatura. V večini primerov, še posebej kadar imamo hladno vodo, potrebujemo zelo majhno količino toplote za tvorbo parne faze. Tedaj se tekočina, ki obdaja mehurčke rahlo segreje. Vendar v nekaterih primerih je temperatura T', ki je potrebna za izparitev nižja od T tekočine. Razliko med T'-T imenujemo temperaturni zamik. Povečuje se s tem, ko se tekočina približuje svoji kritični temperaturi. [2]

(29)

2

Slika 1: Graf trojne točke vode [2]

V prvih trenutkih kavitacije lahko zabeležimo tri pomembne korake: nastanek praznine in zapolnitev te praznine s plinom. To sta dva koraka, vendar se zgodita tako hitro, da ju je težko ločiti. Zadnji korak pa je postopna saturacija s parno fazo. Zato lahko kot splošni pogoj za nastanek kavitacije napišemo:

pmin=pp (1.1)

To pomeni, da mora biti minimalni tlak za nastanek kavitacije enak uparjalnemu tlaku tekočine. Vendar je v resnici možno, da tekočina prenese tudi nižje tlake in se ob tem ne zgodi fazna sprememba. Razliko med parnim tlakom in dejanskim tlakom tekočine imenujemo statični zamik.

(30)

3

Če privzamemo neko referenčno točko, kjer sta tlak in hitrost enaka po oz. co zapišemo tlačni koeficient v poljubni točki ob poljubnem času:

(1.2) Tlačni koeficient v točki minimalnega tlaka je enak:

(1.3) Potem pa določimo še kavitacijsko število:

(1.4)

Pogoj za nastanek kavitacije zapišemo:

(1.5) [1]

1.3 Parametri za opis kavitacijskega stanja

Kavitacijo opisujemo s parametri, ki jih delimo v tri skupine: hidravlični parametri, parametri, ki podajajo lastnosti tekočine in parametri za kvaliteto tekočine.

Med hidravlične parametre spadajo hitrost, tlak in orientacija ter površina oz. natančneje hrapavost potopljenih teles. Kadar obratujemo pri visokih Reynoldsovih številih, ima oblika telesa večji vpliv, ker postanejo glavni razlog za nastanek kavitacijskih jeder. Preko jeder se sproščajo plini, raztopljeni v tekočini. Hidravlične pogoje lahko opišemo s kavitacijskim oz.

Thomovim številom:

(1.6)

(31)

4

Točko pr vzamemo v območju, kjer pričakujemo kavitacijo, pv je parni tlak pri dani temperaturi. Delta p pa predstavlja tlačno razliko sistema. Manjše kot je kavitacijsko število, večja je verjetnost nastanka kavitacije ali pa povečanje že prisotne kavitacije.

Oblike kavitacije se spreminjajo z manjšim kavitacijskim številom. Sprva imamo začetno kavitacijo, ki pa se z zmanjševanjem tlaka in posledično kavitacijskega števila spreminja v razvito kavitacijo. Razvita kavitacija pa lahko preide v območje superkavitacije, ki je prisotna okoli torpeda. Za to območje je značilna ostra meja med tekočo in plinasto fazo. [1,2]

1.3.1 Lastnosti tekočine

Med lastnosti tekočine uvrščamo viskoznost, tlak uparjanja, površinsko napetost, topnost plinov, koeficient difuzivnosti, toplotno prevodnost v tekočini in pari ter toplotno kapaciteto tekočine in pare. Na možnost nastanka kavitacije najbolj vplivamo z višanjem parnega tlake tekočine in temperaturo. S temperaturo lahko spreminjamo viskoznost in površinsko napetost. [1,9]

1.3.2 Kvaliteta tekočine

Kvaliteto tekočine najbolj določa količina raztopljenih in neraztopljenih plinov, porazdeljenost mehurčkov po velikosti in koncentracija. Predvsem neraztopljeni plini služijo kot kavitacijska jedra, iz katerih se lahko razvijejo mehurčki. Večja količina neraztopljenega plina povečuje rast mehurčkov. [1]

Kvaliteta vode je pomembna tudi zato, ker vpliva na natezno trdnost, ki je močno povezana z nastankom kavitacije. Pri višjih nateznih trdnosti nastane kavitacija pri nižjem kavitacijskem številu. [6]

1.4 Situacije, ki ustrezajo nastanku kavitacije

Opis situacij, ki favorizirajo nastanek kavitacije:

 geometrija sten, ki obdajajo pretakajočo tekočino lahko botrujejo k lokalnim pospeškom toka in s tem povzročijo padec tlaka, čeprav je tok celotno gledano stabilen. Dober primer je Venturijeva cev, ki ima zožitev, zaradi katere tok pospeši.

Prav tako lahko vplivajo vdolbine v ceveh, deli propelerjev in tlačilk;

(32)

5

 močan turbulentni tok, lahko zaradi velikih sprememb tlaka povzroči kavitacijo;

 nestabilna narava nekaterih tokov, kjer lahko dejavniki kot je vodno kladivo, povzročijo padce tlaka;

 hrapavost zidov, ki se uporabljajo za izlivanje vode pri jezovih;

 na splošno vsa telesa, ki so naglo pospešena skozi tekočine še posebej, če imajo ostre robove, okoli katerih nastanejo nizki tlaki. [2]

1.5 Učinki kavitacije

Kavitacijske tvorbe so zelo nestabilne. Ob zapolnitvi luknjice, ki nastane zaradi padca tlaka s hlapi, hitro nastane implozija zaradi vzpostavitve tlaka pred nastankom kavitacije.

Implozija povzroči udarne valove, ki lahko poškodujejo naš delujoč sistem.

Kot možne posledice lahko navedemo:

 spremembo delovanja sistema, kot je slabša efektivnost stroja in izgubljanje energije;

 dodatne sile na trdne strukture;

 dodaten hrup in vibracije;

 erozija sten ali zidov v primeru, ko imamo razvito kavitacijo.

Sprva se kavitacija zdi kot škodljiv pojav. Zato se ji snovalci hidrodinamskih sistemov skušajo izogniti, vendar jo je skoraj nemogoče popolnoma znebiti, lahko pa se jo kontrolira.

Ob tem je vredno dodati, da je lahko kavitacija tudi uporabna v procesih, kjer potrebujemo koncentrirano energijo na majhnih površinah in visoke tlake. V teh primerih uporabljamo ultrazvočne naprave.

Primeri uporabe:

 čiščenje površin;

 disperzija delcev v tekočem mediju;

 nastanek emulzije;

 uničevanje bakterij na področju medicinskega inženiringa. [2,4]

1.6 Teorija kavitacijskih jeder

Pri pogojih za nastanek kavitacije smo omenili, da je možno, da kapljevina zdrži tlake nižje od parnega tlaka pri dani temperaturi, preden kavitira. Razlog za to se skriva v natezni trdnosti kapljevine. Skozi zgodovino so naredili več poskusov, kjer so določali natezno

(33)

6

trdnost tekočin. V bližnji preteklosti je najbolj znan Briggsov poskus kjer je eksperimentalna vrednost dosegla 277 barov [1]. Spodnja slika prikazuje odvisnost natezne trdnosti vode v odvisnosti od temperature pri Briggsovem eksperimentu.

Slika 2: Graf natezne trdnosti v odvisnosti od temperature pri Briggsovem poskusu [1]

Vrednosti, ki so bile izračunane s teoretičnimi modeli so dosegale veliko višje vrednosti. Če bi za primer vzeli mehurček s premerom d=0,1 nm in površinsko napetostjo za vodo S=0,72 N/m, bi preko izraza 2S/d0 dobili vrednost 7,000 barov. V tem primeru smo vzeli majhen vzorec, zato bi težje trdili, da to velja za celoten sistem. Takšne ekstremne vrednosti veljajo za idealne sisteme, ki so popolnoma čisti.

Tudi drugi poskusi skozi zgodovino so imeli veliko nižje rezultate od teoretičnih, predvsem pa so bili rezultati razpršeni [1]. Največji vpliv na natezno trdnost imajo raztopljeni in neraztopljeni plini. Za dosego čim večje natezne trdnosti je potrebno doseči čim večjo čistost tekočine s filtriranjem in razplinjenjem. Popolnoma čista tekočina bi kavitirala šele, ko bi natezne sile premagale med molekularne sile. [1]

1.6.1 Kavitacijska jedra

Za tekočine, ki jih uporabljamo v industriji, predvidevamo območja oz. točke šibkosti. Te točke so majhni plini ali parne tvorbe, ki delujejo kot izhodne točke za tvorbo kavitacije.

Imenujemo jih kavitacijska jedra. Velikost je na mikrometerski lestvici. Ker so tako majhni, jih lahko obravnavamo kot sferične oblike. V drugih fizikalnih procesih kot so vrenje ali kondenzacija, prav tako predvidevamo vsebnost heterogenih delcev v homogenem mediju, kot eden izmed razlogov za fazno spremembo.

(34)

7

Jedra so prisotna na zidovih ali v sami tekočini. Površinska jedra so plini, ujeti v majhnih luknjah na steni, katere voda ne more zapolniti. Najbolj učinkovit način za tvorbo jeder je zmanjšanje tlaka v nasičeni tekočini. Prosta jedra, ki niso pripeta na steno, se v tekočini dvigujejo zaradi gravitacije. Vsa jedra pa so podvržena procesu difuzije z obdajajočo tekočino. Sam proces difuzije je počasen, okoli ene sekunde, glede na to kako hitro se jedro sesede, kar se zgodi v milisekundah. [1]

1.6.2 Topnost plinov v kapljevini

V kapljevini imamo delež raztopljenih in neraztopljenih plinov. Za nastanek kavitacije je pomembnejši delež neraztopljenih plinov, to je količina jeder. Difuzijsko ravnotežno stanje za mirujočo kapljevino lahko opišemo z Henryjevim zakonom

𝑉𝑝𝑙

𝑉𝑘 = 𝛼nas= ^𝑃𝑝𝑙

𝐻(𝑇) (1.7)

kjer je 𝛼nas ravnotežna koncentracija oziroma predstavlja nasičenost kapljevine. ppl je parcialni tlak plina v okolici in H(T) je Henryjeva konstanta.

Slika 3: Difuzivno ravnotežje med kapljevino in okolico [1]

Na strani atmosfere lahko zapišemo:

p=ppl + pp(T) (1.8)

kjer je pp parcialni tlak pare v okolici.

(35)

8

V primeru vode pri okoliškem tlaku 1 bar in temperaturi 20^◦C lahko preko enačbe za približno odvisnost H(T)=0,346 + 0.00927∙T [^𝑏𝑎𝑟

%𝑣𝑜𝑙] izračunamo ravnotežno koncentracijo plinov.

V primeru, da se to razmerje poruši nastanejo nenasičene in prenasičene raztopine. Stopnjo nasičenosti definiramo:

𝑓 = ^𝛼

𝛼(𝑛𝑎𝑠) = ^{𝑝(𝑛𝑎𝑠)}

𝑝 (1.9)

α je prostorninski delež, αnas ravnotežna koncentracija in pnas tlak nasičenja. Na površini med kapljevino in okolico vlada vedno nasičeno oz. ravnotežno stanje (αnas=𝛼nas(ppl)). Kadar f ≠ 1 pomeni, da je kapljevina nenasičena ali prenasičena. V tem primeru lahko določimo smer in hitrost transporta raztopljene snovi z ^𝑑𝛼

𝑑𝑛 in difuzijskimi konstantami.

Pri f < 1 tok teče iz okolice preko proste površine v kapljevino.

Pri f > 1 tok teče iz kapljevine preko proste površine v okolico. [1]

Slika 4:Transport snovi ob porušitvi ravnotežja [1]

Za opis samih tokov lahko uporabimo Fickov zakon. Kadar nimamo ravnotežja in imamo nek gradient C lahko zapišemo masni fluks:

(1.10) Di predstavlja difuzivnosti koeficient elementa i. Prenos snovi za neskončno majhen del koncentracije pa zapišemo:

(1.11)

Ravnotežje za sferično jedro v mirujoči tekočini pa zapišemo:

(36)

9

(1.12)

V primerih kadar je koncentracija C∞ manjša od Cs, -koncentracije v mehurčku, potem začne plin potovati izven mehurčka in s tem premer mehurčka zmanjša ter njegova površinska napetost. V obratnem primeru, kjer je C∞ večji od Cs se volumen mehurčka poveča. [2]

1.7. Začetna in razvita kavitacija

1.7.1 Začetna kavitacija

Omenili smo že, da lahko tekočine velikokrat zdržijo tlake nižje od ppl, preden začnejo kavitirati. Osnovi pogoj za nastanek je zato pmin=pkr, kar pomeni, da se kavitacija vedno prične, ko je dosežen kritični tlak pkr, prav tako je kritični tlak vedno nižji od uparjalnega. V sami tekočini nam kot signal, da je dosežen kritični tlak, predstavlja zadostno število velikih mehurčkov.

V praksi ne določamo začetka kavitacije s pomočjo merjenja kritičnega tlaka pkr, temveč s spremembo tlaka okolice oz. hitrost toka spreminjamo toliko časa, dokler vidno ali akustično ne zaznamo mehurčke.

Sam začetek kavitacije je težko določiti, saj na njo vpliva veliko faktorjev kot so geometrija telesa, Reynoldsovo število, hrapavost površine in stopnja turbulence. Manj pomembni oz.

velikokrat spregledani faktorji so lastnosti tekočine kot so gostota, viskoznost, temperatura in količina ter velikost kavitacijskih jeder. [1]

1.7.2 Vpliv tekočine

Parameter, ki je velikokrat spregledan, je količina raztopljenih in neraztopljenih plinov, predvsem zraka v tekočini. Vpliv zraka, je prikazan v poskusu, na osamljenem profilu z vizualno zaznavo začetka kavitacije [1]. Vodovodna voda vsebuje približno 27 mg/mL raztopljenega in neraztopljenega zraka. Z nižanjem tlaka lahko dosežemo nižjo koncentracijo, tudi manj kot 12 mg/mL. Nadaljnjo nižanje je možno s filtriranjem in kemično predpripravo vode. Koncentracija zraka se lahko povečuje z vbrizgavanjem visokotlačne vode nasičene z zrakom. Ugotovili so, da ob manjši količini plinov kavitacijo zaznamo kasneje. [1]

(37)

10 1.7.3 Razvita kavitacija

Območje začetka kavitacije dosežemo pri mejnem kavitacijskem številu σi. Ob nadaljnjem manjšanju kavitacijskega števila dosežemo razvito kavitacijo, ki ima svoje značilnosti, na katere vplivajo oblike telesa, tokovne razmere, deleži plinov in količine kavitacijskih jeder.

Najbolj prepoznavna oblika razvite kavitacije je nestacionarna kavitacija s trganjem kavitacijskih oblakov, saj jo povežemo z posledicami erozije in hrupa. Pri naših poskusih smo lahko opazovali ta pojav s pomočjo hitre kamere. [1]

1.7.4 Nestacionarna kavitacija

Pri pojmu nestacionarna kavitacija imamo mehanizme in oblike kot so, zaključek kavitacijskega žepa, povratni curek, trganje oblaka in dinamika kavitacijskega oblaka. Pri zaključku kavitacijskega žepa je tlačna razlika med notranjostjo in zunanjostjo mehurčka tista, ki sili tokovnice proti steni, kar privede do pritrditve toka nazaj k telesu, ta pojav poimenujemo zaprtje kavitacijskega žepa. To lahko opazimo pri razviti kavitaciji. Tokovi se pri zaključku žepa razdelijo na dva dela, kjer se en tok obrne in gre proti toku v območje kavitacijskega žepa drugi pa ob telesu nadaljuje pot ob steni. Spodnja shema prikazuje proces implozije kavitacijskega oblačka, ki se začne s tem, da se odtrga od pritrjenega dela kavitacije. Skupaj s tokom potuje proti območju višjega tlaka kjer razpade. Zaradi razpada nastane povratni curek, ki povzroči novo trganje oblaka. Razpad večjih skupin mehurčkov povzroči valove z močjo do 100kPa. Takšni ponavljajoči razpadi so razlog nastanka erozije v ceveh lahko pa proizvedejo tudi druge efekte kot so luminiscenca. [1,5]

Parameter s katerim pogosto opisujemo dinamiko in trganja kavitacijskih oblakov, je značilna frekvenca trganja. Podamo jo z brez dimenzijskim Strouhalovim številom:

𝑆𝑡 =^𝑓·𝑙

𝑣 (1.13)

F predstavlja značilno frekvenco trganja, l značilno oz. srednjo dolžino kavitacije in v hitrost toka. Za hitrost po navadi vzamemo hitrost prostega toka, ker je hitrost na meji med tekočo in plinasto fazo težko določiti. Hitrost toka, bi lahko določili z nastavkom

vk,p ≈ v∞ ·√1 + σ (1.14)

Vrednosti Strouhalovega števila so po navadi med 0,1 in 0,4. V tem intervalu se nahaja plavanje delfinov, morskih psov in rib.

(38)

11

Trganje oblakov povzroči nastanek tlačnega vala, ki se širi po tekočini. Valov se pojavljajo periodično kar nakazuje na povezanost s trganjem oblakov. Na mestih, kjer se zaključi kavitacijski žep se sprosti največ energije, kot posledica največje spremembe tlaka. Ta energija lahko povzroči erozijo ali hrup. [1]

Slika 5: Trganje kavitacijskih oblakov [5]

1.8 Napredni oksidativni procesi

Napredni oksidativni procesi tvorijo zelo reaktivne ROS molekule (angl. Reactive oxygen species). Med te spadajo prosti ∙OH radikal, ki so eni izmed najmočnejših oksidativnih snovi, poleg njih poznamo superoksidni radikal in hidroperoksilni radikal. Primer uporabe je pri onesnaženih vodah, kjer organske snovi znotraj voda, zreagiramo z ∙OH radikali in jih potem odvedemo iz sistema kot neškodljivo snov. Na učinkovitost procesa vplivajo tipi organskih molekul katere hočemo oksidirati, vsebnost Fe²⁺ in Cu²⁺ ionov, kloridov in karbonatov. V našem primeru bomo izkoristili proces napredne oksidacije za reakcijo ∙OH radikalov z organsko spojino salicilne kisline. V trenutku implozije kavitacijskega mehurčka se lahko tvorijo kratkotrajni toplotni žepki, ki dosežejo temperaturo več kot 1000 K. Ekstremni pogoji botrujejo k nastanku ∙OH in ∙H radikalov s kemijskim procesom homolize. ∙OH radikali nastajajo znotraj kavitacijskega mehurčka se pravi v plinski fazi in obstajajo zelo kratek čas zato je pomembno, da difundirajo skozi mehurček v tekočo fazo hitreje kot je njihova razpolovna doba. To zna predstavljati težavo, saj se lahko v tem trenutku rekombinirajo nazaj v vodikov peroksid ali pa oksidirajo kakšno drug snov v bližini. S tem dobimo manjšo količino ∙OH, ki lahko reagirajo. Na meji med plinasto-tekočo fazo jih pričaka hidrofobna salicilna kislina, ki skuša ujeti. Pomembno je, da lahko zagotovimo zadostno količino salicilne kisline, ki se bo vezala na nastale ·OH radikale, vendar pa lahko to prinese težave, ki jo s seboj prinese prevelika količina dozimetra. Še posebej pri hidrodinamski kavitaciji, kjer je čas opazovanja daljši in s tem povečamo možnost neželenih reakcij. [8,10]

(39)

12

Zaradi elektrofilne narave, ki jo ima ∙OH radikal, lahko napade elektronsko bogate dele organskih molekul, kot je tudi aromatski obroč salicilne kisline. Ta izpolnjuje pogoje, ki jih spojina potrebuje za določanje OH radikalov: visoka reakcijska konstanta, produkti reakcije z ∙OH morajo biti stabilni in enostavno določljivi, prav tako je potrebna natančna metoda, ki bo lahko določila končne produkte, zato izberemo HPLC. Potrebujemo selektivnost za ∙OH radikale, saj hočemo, da so končni produkti izključno posledica reakcije ∙OH z našo izbrano spojino. Zelo je pomembno razmerje nastalih produktov in salicilne kisline. Kajti produkta 2,3-DHBA in 2,5-DHBA imata podobno hidroksilacijsko kinetično konstanto kot ∙OH in lahko pride do manjšega nastanka ∙OH. [8,16]

Večina produktov je v obliki 2,3-DHBA, 2,5-DHBA in katehola. Načeloma prevladuje 2,3- DHBA, ker se elektrofilni ∙OH raje veže na orto pozicijo zaradi tamkajšnje povišane elektronske gostote. Vendar so ponekod zabeležili tudi večji nastanek 2,5-DHBA ter zaključili, da nastane več 2,5-DHBA pri kemijskih oksidacijah in obratno pri bioloških oksidacijah. Na to vplivajo tudi prisotnost kovin, katalizatorjev in plinov. V manjši meri lahko nastane 2,4-dihidrobenzojska kislina in 2,5-dihidrobenzojska kislina. Večji izkoristek dobimo pri nižjih pH-jih oz. v kislih pogojih, ker s tem povečamo topnost salicilne kisline znotraj samega mehurčka. Zelo pomemben je tudi vpliv zraka. Kot je že bilo omenjeno, večje količine zraka, povečajo število jedrc in s tem posledično bi naj nastalo več radikalov, zaradi večje dinamične aktivnosti. Po meritvah, ki so jih naredili, se je reakcijska konstanta za nastanek 2,3 DHBA povečala za približno 20% in pri 2,5 DHBA za 35% zaradi prisotnosti dodanega toka zraka [11]. Pomemben faktor je tudi hitrost s katero dovajamo zrak v sistem.

Bolje je dovajati zrak počasneje, ker s tem ne manjšamo prenosa energije v sistem.

Kvantifikacija produktov lahko poteka z absorbanco, fluorescenco in z elektrokemičnimi detektorji. S pomočjo količine nastalih produktov, lahko predvidimo koliko ·OH je nastalo med meritvijo. Koncentracija salicilne kisline vpliva na koalescenco in površinsko napetost predvsem v kislih pogojih. Inhibicijo koalescence salicilna kislina povzroči predvsem zaradi odbojnih sil na kratkih razdaljah med mehurčki. S tem ko se pa zniža površinska napetost pa omogočimo nastanek več manjših mehurčkov. [7,11,12]

(40)

13

Slika 6: Reakcije Salicilne kisline z ∙OH radikalom [8]

(41)

14

(42)

15

2 Namen dela

Zanimal nas je vpliv koncentracije salicilne kisline na hidrodinamsko kavitacijo v destilirani vodi. Vpliv bomo skušali določiti z opazovanjem mesta kavitiranja s pomočjo hitre kamere in količine nastalih ‧OH radikalov v raztopini, kot posledica kavitacije. Uporabili smo 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ koncentracijo salicilne kisline. Ob tem, da salicilna kislina vpliva na hidrodinamiko kavitacije ima tudi vlogo lovljenja radikalov, ki nastajajo ob implozijah nastalih mehurčkov, ko ti preidejo v območje višjega tlaka in tvorijo skupaj z njimi produkte kot so 2,3-DHBA, 2,5-DHBA in 1,2-DHB. Določanje koncentracij slednjih nam bo služilo, kot merilo nastalih ‧OH radikalov, saj ti reagirajo s salicilno kislino v naveden produkte v različnih razmerjih. Poleg različnih koncentracij smo spreminjali tudi koncentracijo kisika v raztopini, medtem ko smo pH imeli konstanto nizek. Teorija je takšna, da višje koncentracije kisika povzročajo agresivnejšo kavitacijo, ker je v sistemu več plinskih jedrc, zaradi katerih tekočina začne prej kavitirati. Slike dobljene s hitro kamero bomo obdelali v povprečne slike nahajanja kavitacije in njihove standardne deviacije, ki nam bo prikazala, koliko je bila raztopina dinamično aktivna. Na koncu bomo poskušali povezati ali višja in nižja dinamična aktivnost vplivata na količino nastalih radikalov. Saj bi naj višja dinamična aktivnost pomenila več nastalih mehurčkov in s tem tudi ‧OH radikalov. Na podlagi prejšnjih poizkusov narejenih na področju vpliva salicilne kisline na hidrodinamiko kavitacije, bi naj salicilna kislina umirila dinamiko v primerjavi z navadno vodo iz pipe, predvsem višje koncentracije salicilne kisline v nizkem pH-ju.

(43)

16

(44)

17

3 Materiali in metode 3.1 Merilna postaja

Slika 7: Merilna postaja

Aparatura, s katero smo izvajali poskuse, je sestavljena iz volumenske črpalke MG2000, ki lahko zdrži tlake do 10 barov. Pomembno je, da se skozi cev konstantno črpa enak volumen.

Delovanje črpalke nadzira kontroler EQi – V2 MG2 Intelligent Brushless Controller. Pot se nadaljuje skozi 10μm Nylon net filter premera 47 mm, za katerim je nastavljen križni razdelilnik iz koder odvečen volumen potuje nazaj v čašo. Ta povezuje ventil, s katerim nastavimo tlak na 6 barov. Iz razdelilnika je preko varnostnega ventila SS-RL3M4-F4 iz nerjavečega jekla izpeljana še dodatna varovalna cev v primeru, da pride do previsokega tlaka. Pot se nadaljuje do Venturijeve cevi, ki ima vstopni kanal velikosti 675x450 mikrometrov, iz koder gre cev spet nazaj v črpalk. Čaša je postavljena v večjo čašo, ki služi kot hladilni sistem, saj v njo črpamo hladno vodo, da ohranjamo sistem pri 25 ℃. Salicilno kislino, ki smo jo uporabili, smo dobili od Sigme Aldrich in je bila več kot 99.0 % čista.

Poskrbeli smo tudi, da je bila Venturijeva cev močno osvetljena z LED lučko, da smo lahko posneli čimbolj jasne slike. Uporabili smo kamero Fastcam MINI z objektivom Nikon AF-S MICRO NIKKOR 105 mm.

(45)

18

3.2 Potek dela

Eksperiment smo razdelili na štiri dele z namenom, da vsakič drugače pripravimo vzorec.

Skozi eksperiment smo ohranjali koncentraciji 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ salicilne kisline.

Vizualno smo kavitacijo opazovali s hitro kamero na predelu aparature, kjer je Venturijeva cev. Na začetku vsakega poskusa smo pripravili vzorec iz destilirane vode in 1200 mg L⁻¹ salicilne kisline. Prav tako smo izmerili pH ter v nekaterih primerih tudi druge lastnosti kot so koncentracija kisika in električna prevodnost. Glede na vrsto poskusa smo vzorec še dodatno obdelali. Pri prvih dveh meritvah smo opazovali kavitacijo pri koncentraciji 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ salicilne kisline. Nato smo pri naslednjih dveh poskusih razplinili vzorec s pomočjo kompresorja ter izmerili koncentracijo kisika, ki je morala biti pod 2 mg L⁻¹. Pri tretjem poskusu smo 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ koncentrirano raztopino salicilne kisline nasičili s kisikom in jo pustili čez noč pod tlakom 5 barov z namenom, da dosežemo čim višjo koncentracijo O2. Za zadnji poizkus smo 50 mg L⁻¹ in 300 mg L⁻¹ raztopino 20 minut pred in skozi celoten eksperiment prepihovali s komprimiranim zrakom. Sami eksperimenti so potekali 60 minut, kjer smo na vsakih 10 minut zajeli posnetek s 1000 fps-ji (frames per second). Na začetku in koncu vsakega eksperimenta smo vzeli vzorec in ga nesli na HPLC analizo. Skozi sam eksperiment smo merili tudi temperaturo.

3.3 Obdelava podatkov in rezultatov

Metode raziskav kavitacije delimo na celovite in lokalne metode. Celovite metode so v celoti standardizirane in podprte. Z lokalnimi metodami obravnavamo kavitacijo časovno in prostorsko. Med te metode spada tudi računalniška vizualizacija. [13]

Same posnetke s hitro kamero smo sprva obdelali s programom PFV4 pri vedno enakih nastavitvah. Resolucijo smo imeli na 1280x248 in število frame-ov smo na koncu vedno omejili na 1000. Sami posnetki nam težko podajo natančne rezultate. Zato smo jih dodatno obdelali v programu Matlab. Zajete slike smo statistično ovrednotili z računalniško vizualizacijo. Vsaka n-ta slika v seriji je sestavljena z i · j točk, ki lahko v 8-bitnem barvnem sistemu zavzamejo 256 vrednosti (0 za črno in 255 za belo barvo).

A(i, j, n) ∈ {0, 1, . . . 255} (1.15) Vsako sliko lahko predstavimo kot matriko:

(46)

19 Slika(n)=(

𝐴(1, 1, n). . . A(I, 1, n) A(1, 2, n). . . A(I, 2, n)

⋮ ⋱ ⋮ A(1, j, n) . . . A(i, j, n)

) (1.16)

Glavni vrednosti, s katerima lahko opredelimo značaj kavitacije, sta srednja vrednost sivine i, j-te matrične enote v seriji N slik:

𝜇(𝑖, 𝑗) = ¹

𝑁∑^𝑁_𝑛=1𝐴(𝑖, 𝑗, 𝑛) (1.17)

ter normalni odklon sivine i, j-te enote matrike v seriji N slik:

𝜎(𝑖, 𝑗) = √ ¹

𝑁−1∑^𝑁_𝑛=1[𝐴(𝑖, 𝑗, 𝑛) − 𝜇(𝑖, 𝑗)]² (1.18) Srednja vednost nam poda povprečno intenziteto kavitacije v izbrani točki medtem, ko nam standardni raztros sivine prikaže nihanja v intenziteti kavitacije v matrični enoti.

Rezultate funkcij µ(i,j) in σ(i,j) prikažemo v obliki konturnega diagrama matrike srednjih vrednosti sivine µ(i,j):

(

𝜇(1, 1 ). . . μ(i, 1 ) μ(1, 1 ). . . μ(i, 2 )

⋮ ⋱ ⋮ μ(1, j) . . . μ(i, j)

) (1.19)

Oziroma matrike normalnih odklonov sivine σ(i,j):

(

𝜎(1, 1 ). . .𝜎(i, 1 ) 𝜎(1, 1 ). . .𝜎(i, 2 )

⋮ ⋱ ⋮ 𝜎(1, j) . . .𝜎(i, j)

) (1.20)

Pomembno je tudi koliko slik vključimo v statistično obdelavo. Raziskave so pokazale, da moramo pri nizki frekvenci zajemanja ovrednotiti vsaj 50 slik. Pri zajemanju slik lahko uporabimo več kotov recimo iz vrha in iz strani, tako dobimo bolj natančne informacije.

Algoritem je uporaben kadar imamo dva območja, ki imata različne nivoje intenzitete.

[1,12,14]

Srednja vrednost sivine nam poda informacije o obsegu kavitacije. Več nam o kavitaciji pove diagram standardnega odklona sivine, s katerih lahko določimo območje največjih nihanj kavitacijskih struktur. Na območjih, kjer imamo visoke vrednosti nihanja imamo tudi visoko dinamiko kavitacijskih struktur, kar povežemo s procesi trganja kavitacijskih oblakov.

Računalniško podprta vizualizacija kavitacijskih struktur nam nudi veliko informacij, saj lahko na tak način določimo stabilne in nestabilna področja kavitacije. Maksimumi

(47)

20

standardne deviacije nam pokažejo najmanj stabilna področja, ki so lahko glavni vzrok težav kot je kavitacijska erozija. [1]

(48)

21

4 Rezultati in razprava

Rezultati s hitro kamero so nam dali vpogled v to, kako izgleda sama kavitacija pri različnih pogojih. S pomočjo HPLC analize smo pridobili informacije o tem, kaj se dogaja na molekularnem nivoju z namenom, da vidimo kakšna je korelacija med številom radikalov in obnašanjem kavitacije. Spodnja sekvenca slik prikazuje nastajanje, trganje in izginevanje kavitacijskih oblačkov pri koncentraciji 50 mg L⁻¹ v 10 min eksperimenta, kjer koncentracije kisika nismo spreminjali.

Slika 8: Stanje pred začetkom trganja kavitacijske strukture

Slika 9: Začetek trganja kavitacijske strukture od toka

Slika 10: Nadaljevanje trganja

Slika 11: Tvorba kavitacijskih oblakov

Slika 12: Separacija oblakov

(49)

22

Zgornja sekvenca slika predstavlja trganje kavitacijskih oblakov v časovnem razmaku 0,6 milisekunde. Območje merjenja je 3,32 cm x 0,64 cm. Pri obdelavi zgornjih slik s

programom v Matlabu dobimo naslednje slike:

Slika 13: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji v 10. min eksperimenta

Povprečna slika kavitacije podaja le informacije o njenem obsegu, barve nam pa povejo gostoto kavitacijskih mehurčkov. Na slikah vidimo prehod iz temnih proti svetlim barvam.

Računalnik procesira slike, tako, da vzame 255 kot belo in 0 kot črno. Zaradi tega lahko predpostavimo, da se je kavitacija povprečno nahajala najbolj pogosto takoj na izhodu iz ožine Venturijeve cevi. Tam imamo pritrjeno kavitacijo in je območje, kjer je slika najbolj temna. Bolj kot se sama kavitacija širi po dolžini cevi svetlejše postajajo barve. Sicer zavzamejo celotno površino po cevi, vendar je sama kavitacija manj gosta na teh območjih, kar lahko pripišemo trganju kavitacijskih oblakov, ki potem ko se odtrgajo pustijo prazen bel prostor, dokler ga spet ne zapolni nov oblak, ki se spet odtrga. Ta periodičnost povzroči belino in temino, ki povprečno dajo neko svetlejšo barvo od začetne temno modre. Proti koncu cevi opazimo skoraj samo izključno rumeno barvo, ki se nahaja na koncu spektra in predstavlja najbolj svetel del cevi oz. območje, kjer se je kavitacija najmanj časa zadrževala.

Slika 14: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji v 10. min eksperimenta

S slikami standardne deviacije pa lahko določimo območje največjih nihanj kavitacijskih struktur. Višje vrednosti standardnega odklona kažejo na območje največje kavitacijske dinamike, kot posledica trganja kavitacijskih oblačkov. V tem primeru temnejše območje na sliki pomeni najmanj sprememb, kar lahko pomeni, da je na enem mestu, kot recimo na začetku, kjer imamo pritrjeno kavitacijo zelo temna barva, ker tam večino časa tekočina

(50)

23

kavitira in posledično je slika konstanto črna. Na koncu cevi je pa prav tako spet modra barva, zaradi tega, ker pa tam tekočina ne kavitira in se večinoma nahaja bela barva ter posledično, ni veliko sprememb. Medtem, ko na sredinskem območju, lahko opazimo najvišje vrednosti, saj je tam bilo največ dogajanja na slikah, ki so posledica trganja kavitacijskih oblakov oz.

kavitacijskih struktur ter implozij mehurčkov.

4.1 Vizualizacija 50 mg L

⁻¹

in 300 mg L

⁻¹

koncentracija salicilne kisline

4.1.1 Vizualizacija 50 mg L⁻¹ salicilne kisline

Pri prvi meritvi smo uporabili 50 mg L⁻¹ raztopino salicilne kisline brez dodatne predpriprave. Skozi proces se temperatura ni veliko spreminjala in je bila okoli sobne temperature z rahlo otoplitvijo na koncu možno zaradi sproščanja energije pri implozijah mehurčkov. Ph smo izmerili samo na začetku. Na začetku eksperimenta smo opazili penjenje, ki je pojenjalo po 10 minutah. Slike imajo črte, ki so mogoče posledica napake v snemanju. Območje zajemanja je bilo 4,91 cm x 0,95 cm.

Tabela 1: Meritve pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji SK

Čas [min] 0 min 60 min

Temperatura [℃] 25 27

pH 2,62 /

(51)

24

(52)

25

Dlje kot je trajalo merjenje, krajši doseg je imelo območje, kjer je tekočina kavitirala, to lahko pripišemo tudi temu, da s procesom izhaja zrak iz tekočino, kar vemo da je pomemben faktor pri nastajanju kavitacijskih mehurčkov. Opazimo tudi žepek na dolžini 1000 pikslov ob spodnji steni cevi, kjer smo večino časa imeli kavitacijo. Pri posnetkih opazimo, da se vedno tvori en velik kavitacijski oblak, ki se drži pritrjene kavitacije in se odtrga na približni dolžini 900 na kar dobimo osamelo kavitacijsko strukturo z večjim mehurčkom in okoli njega veliko manjših. Za tem nastane serija kavitacijskih oblačkov, preden spet nastane en večji in se vse ponovi. Zato tudi na tem mestu pri standardni deviaciji dobimo najvišje vrednosti grafa. Na območju med 1000 in 800 piksli opazimo znižano aktivnost, zaradi narave kako potujejo tokovnice v cevi in kako se kavitacijski oblak trga. V celoti zapolni sredinski del cevi in potuje rahlo nad cevjo oz. nad omenjenim območjem do glavnega toka.

Pri meritvi 300 mg L⁻¹ raztopine ni bilo opaziti penjenja. Temperatura se skozi proces ni spremenila na koncu, je bila enaka kot na začetku, pH je prav tako bil enak.

Tabela 2: Meritve pri 300 mg L⁻¹ SK

Temperatura [℃]

25 25

pH 2,62 /

(53)

26

(54)

27

Za razliko od 50 mg L⁻¹ raztopine pri 300 mg L⁻¹ ni opaziti, da bi se dolžina, do kamor sega kavitacija bistveno zmanjšala od 10 do 60 minute. Opaziti je bilo na posnetkih, da v primerjavi s 50 mg L⁻¹ raztopino, je 300 mg L⁻¹ veliko bolj čista iz vidika, da ko se enkrat oblak odtrga, so serije oblačkov, ki pridejo za njim veliko manjši, kar povzroči, da imamo velikokrat trenutke, kjer kavitira tekočina izključno na začetku zaradi pritrjene kavitacije.

Intervali, kjer sredina cevi ni zapolnjena z kavitacijskimi oblački so bili daljši. Iz standardne deviacije lahko opazimo tudi da je najbolj aktiven del, krajši in manjši kot pri 50 mg L⁻¹. To je tudi opaziti na posnetkih saj, pri 50 mg L⁻¹ salicilni kislini potuje oblaček dlje po dolžini preden se odtrga kot pri 300 mg L⁻¹ salicilni kislini. Svetlozeleno območje predstavlja zelo velik delež pri standardni deviaciji, ki predstavlja srednjo dinamično aktivnost. To potrjuje lepše prehode iz kavitiranih v nekavitirane strukture.

4.2 Vizualizacija 50 mg

L⁻¹

in 300 mg

L⁻¹

salicilne kisline pri predhodnem razplinjenju

Pri razplinjenju nas je zanimalo kako bo nižja koncentracija kisika vpliva na tvorbo kavitacijskih mehurčkov, kajti koncentracija predvsem neraztopljenih plinov najbolj vpliva na nastanek kavitacije. Razplinjene smo dosegli s kompresorjem s katerim smo znižali tlak.

S tem se je topnost plinov zmanjšala in tudi njihova koncentracija v raztopni. Temperatura

(55)

28

se zopet ni veliko spremenila, se je pa spremenila koncentracija kisika na koncu eksperimenta.

Tabela 3: Meritve za 50 mg L⁻¹ SK pri razplinjenju

Slike so večje, ker zajemajo drugačno območje in sicer 4,31 cm x 1,62 cm.

pH 2,62 /

Koncentracija O2 [mg/ L⁻¹] 2,02 6,03 Električna prevodnost [μs/cm] 968 630

Slika 27: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 10. min eksperimenta

(56)

29

Slika 30: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 10 min eksperimenta

(57)

30

Slika 31: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 30. min eksperimenta

Pri tem poskusu je računalnik izrisal zelo lepe slike brez popačenih črt. Opazimo, da je povprečno nahajanje kavitacije dosti krajše kot pri navadni 50 mg L⁻¹ raztopini SK saj doseže dolžino samo do 300 pikslov in je zavzemala manjši volumen v cevi. Največjo površino predstavlja območje sigma = [60,80], kjer kavitacija ni najbolj gosta. Zopet opazimo kroglasto strukturo na 1000 pikslov ob spodnji steni vendar je tokrat manj izrazita. Iz slik standardne deviacije vidimo, da je kavitacija bila manj dinamično aktivna saj so slike za 300 mg L⁻¹ navadne raztopine salicilne kisline izrazito podobne 50 mg L⁻¹ razplinjeni. Opazimo trend, da se dinamična aktivnost s trajanjem procesa povečuje, kar je verjetno posledica tega, da se je z vzpostavijo tlaka koncentracija kisika zopet povečala.

(58)

31 4.2.2 Vizualizacija 300 mg L⁻¹ salicilne kisline

Bistvene razlike v meritvah med 300 mg L⁻¹ in 50 mg L⁻¹ salicilno kislino ni bilo. Razlika je le v električni prevodnosti, kar je posledica koncentracije salicilne kisline.

Tabela 4: Meritve za 300 mg L⁻¹SK pri razplinjenju

pH 2,62 /

Koncentracija O2 [mg/ L⁻¹] 2,0 6,00 Električna prevodnost [μs/cm] 1226 935

(59)

32

Slika 34: Povprečna slika kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentraciji in razplinjeni raztopini v 30. min eksperiment

(60)

33

Slika 37: Standardna deviacija kavitacije pri 300 mg L⁻¹ koncentracijiin razplinjeni raztopini v 30. min eksperimenta

Kavitacija je pri 300 mg L⁻¹ raztopini segala dlje kot 50 mg L⁻¹ raztopina in sicer do 200 pikslov. Zasedala je večjo površino v cevi skozi celoten proces. Kar je sicer lahko tudi posledica svetlobe snemanja, vendar, ker je bilo snemano na isti dan in so slike zelo čiste mislim, da v tem primeru kakšna napaka pri osvetljavi odpade. Pri slikah standardne deviacije opazimo podobnost z 50 mg L⁻¹ razplinjeno raztopino. Ni pretiranih razlik v območjih največjih nihanj. Tudi ni opaziti pretirane razlika med 300 mg L⁻¹ ne razplinjeno in razplinjeno raztopino. Šele v 60 minuti eksperimenta opazimo večjo dinamično aktivnost na spodnji strani cevi na območju med 800 in 600 pikslov.

(61)

34

4.3 Prepihovanje s komprimiranim zrakom

V tem poskusu smo salicilno kislino celoten čas prepihovali s komprimiranim zrakom s tem smo hoteli obdržati konstantno povišano prisotnost kisika v raztopini. Pri prvih 20 minutah se je poskus pri 50 mg L⁻¹ SK izvedel, brez prepihovanja, ker cev iz katere je prihajal zrak ni bila pravilno potopljena. Za 50 mg L⁻¹ salicilno kislino so slike za povprečno nahajanje kavitacije prišle nenavadno obarvane. Razlog je verjetno v temu, da je bila slabo osvetljena Venturijeva cev in je na levem delu slike izpadlo vse zelo temno, kar je potem računalnik ovrednotil kot da se je tam nahajala kavitacija, čeprav se ni, vsaj ne v takšnem merilu.

Temperatura je bila malce nižja kot pri prejšnjih meritvah, medtem, ko je bila koncentracija kisika pričakovano visoka na začetku in koncu merjenja.

Tabela 5: Meritve za 50 mg L⁻¹ SK pri prepihovanju s komprimiranim zrakom

pH 2,59 /

Koncentracija O2 [mg L⁻¹] 8,57 8,03

Slika 39: Povprečna slika kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 10min eksperimenta

(62)

35

Slika 40: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 10. min eksperimenta

Slika 41: Standardna deviacija kavitacije pri 50 mg L⁻¹ koncentraciji in prepihovanju s komprimiranim zrakom v 30.

min eksperimenta