Ultradźwiękowy środek przeciwporostowy
Ultradźwiękowe usuwanie porostów to technologia wykorzystująca dźwięk o wysokiej częstotliwości ( ultradźwięki ) do zapobiegania lub zmniejszania biofoulingu na podwodnych konstrukcjach, powierzchniach i środowisku. Ultradźwięki to po prostu dźwięk o wysokiej częstotliwości (których ludzie nie słyszą). Ultradźwięki mają takie same właściwości fizyczne jak dźwięk słyszalny przez człowieka. Metoda ma dwie podstawowe formy: intensywność subkawitacji i kawitacji . Metody subkawitacyjne wytwarzają wibracje o wysokiej częstotliwości, podczas gdy metody kawitacyjne powodują bardziej destrukcyjne mikroskopijne zmiany ciśnienia. Obie metody hamują lub zapobiegają biofoulingowi poprzez algi i inne organizmy jednokomórkowe .
Tło
Ultradźwięki zostały odkryte w 1794 roku, kiedy włoski fizjolog i biolog Lazzarro Spallanzani odkrył, że nietoperze poruszają się dzięki odbiciu dźwięków o wysokiej częstotliwości. Uważa się, że ultradźwiękowe środki przeciwporostowe zostały odkryte przez amerykańską marynarkę wojenną w latach pięćdziesiątych [ potrzebne źródło ] . Podczas sonaru na okrętach podwodnych mówi się, że obszary otaczające przetworniki sonaru były mniej zanieczyszczone niż reszta kadłuba [ potrzebne źródło ] .
Antifouling (usuwanie biofoulingu ) podejmowano od czasów starożytnych, początkowo przy użyciu wosku, smoły lub asfaltu. Miedziane i ołowiane osłony zostały później wprowadzone przez Fenicjan i Kartagińczyków .” Cutty Sark jest jednym z przykładów takiej miedzianej osłony, dostępnej do obejrzenia w Greenwich w Anglii .
Teoria
Ultradźwięk
Ultradźwięki (ultradźwięki) to dźwięki o częstotliwości na tyle wysokiej, że ludzie ich nie słyszą. Dźwięk ma częstotliwość (od niskiej do wysokiej) i intensywność (od cichej do głośnej).
Ultradźwięki służą do czyszczenia biżuterii, spawania gumy, leczenia ropni i ultrasonografii . Aplikacje te opierają się na interakcji dźwięku z mediami, przez które dźwięk się przemieszcza. W zastosowaniach morskich ultradźwięki są kluczowym składnikiem sonaru ; Sonar opiera się na dźwięku o częstotliwościach od infradźwięków do ultradźwięków.
Biofilm
Trzy główne etapy to tworzenie kondycjonującego biofilmu , mikroosad i makroosad. Biofilm to nagromadzenie organizmów jednokomórkowych na powierzchni . Tworzy to siedlisko, które umożliwia innym organizmom osiedlenie się. Film kondycjonujący zbiera żywe i martwe bakterie, tworząc tzw. film pierwotny.
Ultradźwiękowy środek przeciwporostowy
Dwa podejścia do ultradźwiękowego przeciwporostowego to:
Kawitacja: Ultradźwięki o wystarczająco wysokim natężeniu powodują wrzenie wody, tworząc kawitację . To fizycznie unicestwia żywy organizm i wspierający go biofilm. Jedną z obaw jest potencjalny wpływ na kadłub. Kawitację można przewidzieć matematycznie poprzez obliczenie ciśnienia akustycznego . Gdy to ciśnienie jest wystarczająco niskie, ciecz może osiągnąć ciśnienie parowania . Powoduje to miejscowe parowanie, tworzące małe bąbelki; te zapadają się szybko iz ogromną energią i turbulencjami, wytwarzając ciepło rzędu 5000 K (4730 ° C; 8540 ° F) i ciśnienie rzędu kilku atmosfer . Takie systemy są bardziej odpowiednie, gdy zużycie energii nie jest czynnikiem, a powierzchnie, które mają być chronione, mogą wytrzymać działające siły.
Subkawitacja: Dźwięk wprawia w wibracje powierzchnie (np. kadłub, skrzynie morskie, chłodnice wody), do których przymocowany jest przetwornik. Wibracje zapobiegają stałemu przyczepianiu się gatunku biofoulingu do podłoża poprzez zakłócenie siły Van Der Waalsa , która pozwala ich mikrokosmkom utrzymać się na powierzchni.
Różne częstotliwości i intensywności (lub moc) fal ultradźwiękowych mają różny wpływ na organizmy morskie, takie jak skorupiaki , małże i algi.
składniki
Dwa główne elementy ultradźwiękowego systemu przeciwporostowego to:
- Przetwornik : Głośnik lub przetwornik odbiera sygnał elektryczny i wprawia w drgania medium, w którym się znajduje, z częstotliwościami sygnału. Przetwornik styka się bezpośrednio z kadłubem lub innymi powierzchniami, powodując propagację dźwięku. Materiały kadłuba, takie jak beton i drewno, nie zapewniają dobrej ochrony przeciwporostowej, ponieważ zawierają wiele pustych przestrzeni, które rozpraszają/pochłaniają dźwięk.
- Jednostka sterująca: Źródło dźwięku i wzmacniacz, który dostarcza sygnały i zasilanie do każdego przetwornika. Pojedyncza skrzynka kontrolna może sterować wieloma przetwornikami za pomocą tego samego sygnału lub różnych sygnałów.
Aplikacje
Komercyjne systemy są dostępne w szerokim zakresie energii i konfiguracji. Wszystkie wykorzystują ceramiczne przetworniki piezoelektryczne jako źródło dźwięku. Obsługa systemów dedykowanych:
- Ochrona kadłuba statku (aby zapobiec zanieczyszczeniu, zwiększyć prędkość i obniżyć koszty paliwa)
- Zabezpieczenie wymiennika ciepła (w celu wydłużenia cykli roboczych między czyszczeniem)
- Ujęcia wody (aby zapobiec blokadom)
- Zbiorniki paliwa (aby zapobiec zanieczyszczeniu oleju napędowego)
- Konstrukcje offshore (takie jak farmy wiatrowe, instalacje naftowe i gazowe itp.)
- Wieże chłodnicze HVAC w celu ograniczenia lub wyeliminowania dozowania środków chemicznych
Ograniczenia
Czyszczenie powierzchni
Ultradźwiękowe systemy przeciwporostowe są na ogół zdolne jedynie do utrzymania czystej powierzchni. Nie mogą oczyścić powierzchni, na której już występuje dobrze ugruntowana i dojrzała inwazja biofoulingu. W tym celu są środkiem zapobiegawczym, którego celem ultradźwiękowy system przeciwporostowy jest utrzymanie chronionej powierzchni jak najbliżej jej optymalnej czystości.
Materiały kadłuba
Systemy ultradźwiękowe są nieskuteczne na statkach o drewnianym kadłubie lub statkach wykonanych z żelazocementu, ponieważ materiały te tłumią wibracje przetworników. Kadłuby kompozytowe o konstrukcji warstwowej mogą również wymagać modyfikacji w celu utworzenia monolitycznych cokołów z litego materiału w każdym miejscu przetwornika.