Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы 15
1.1. Технологические аспекты гидродинамической кавитации 15
1.1.1. Физическая теория кавитирующей жидкости 16
1.1.2. Кинетика кавитационного воздействия 19
1.1.3. Разрушительные эффекты развитой кавитации 22
1.1.4. Диспергация твердой фазы, полимеров, клеток и микроорганизмов 30
1.1.5. Применяемые типы смесителей, аэраторов, реакторов и др. 36
1.1.6. Развитие теоретических методов повышения эффективности кавитационных аппаратов 62
1.2. Топливоподготовка и физика горения обводненных топочных мазутов и водотопливных эмульсий 70
1.3. Проблемы получения и сжигания водоугольных суспензий 87
1.4. Кавитационная подготовка высококонцентрированных малорастворимых полидисперсных субстратов для биотехнологических процессов на базе водоугольных суспензий 101
1.5. Изменение физико-химических свойств воды под воздействием гидродинамической кавитации 105
1.6. Роль кавитационной технологии в биологии, медицине, микробиологии и др 109
1.7. Цели и задачи исследований 115
2. Элементы теории кавитационной технологии 117
2.1. Феноменологическая модель механолиза воды 117
2.2. Задача сопряжения для пузырька в жидкости. Физическая модель кавитирующей жидкости 126
2.3. Определение гидродинамических характеристик тел в условиях частичной кавитации или суперкавитации в сжимаемом потоке . 134
2.3.1. Исходные условия к выбору определяющих уравнений 137
2.3.2. Краевая задача и модифицированное правило подобия 138
2.3.3. Суперкавитирующие профили 141
2.3.4. Решетка суперкавитирующих профилей в пузырьковом потоке жидкости 151
2.3.5. Суперкавитирующие крылья конечного.размаха в пузырьковом потоке 183
2.4. Расчет течения в проточном кавитационном реакторе 188
3. Методика экспериментального исследования 196
3.1. Экспериментальные стенды 197
3.1.1. Суперкавитационный миксер (эмульгатор) 197
3.1.2. Экспериментальный стенд для гидродинамических исследований 201
3.1.3. Лабораторный суперкавитационный стенд 212
3.1.4. Крупномасштабный стенд для эрозионных исследований . 216
3.1.5. Скоростная гидротермодинамическая труба СГДТ 1200 222
3.2. Методика проведения измерений 228
3.3. Хром ато графический анализ отходящих газов 234
3.4. Термогравиметрический анализ образцов твердых частиц 236
3.5. Оценка достоверности полученных результатов 237
4. Результаты экспериментальных исследований 240
4.1. Теплофизические особенности сжигания кавитацион-нообработанных топливноводяных смесей 241
4.1.1. Влияние различных факторов на влажностнодисперсные характеристики обводненных топочных мазутов, ВМЭ и процесс их сжигания 241
4.1.2. Модель кавитационного диспергирования смеси «вода-мазут» 252
4.1.3. Физическая модель сжигания мазута и ВМЭ 253
4.1.4. Термогравиметрический анализ образцов твердых частиц . 258
4.1.5. Сравнительные результаты 267
4.1.6. Исследование эффективности кавитационной подготовки водоугольных суспензий в теплоэнергетике и биотехнологии 274
4.1.7. Использование кавитационнообработанных эмульсий на базе моторных топлив 289
4.2. Физико-химическое воздействие гидродинамической кавитации на водные системы 293
4.3. Влияние кавитационной обработки на прочность цементного камня 317
4.4. Применение кавитационной технологии для получения нанофазных материалов 324
4.5. Влияние кавитационной обработки на объекты живой природы (элементы кавитационной биомеханики) 331
4.6. Кавитационная обработка воды и ее использование в сельском хозяйстве 340
4.7. Первостепенные задачи дальнейших исследований 345
Основные результаты и выводы 347
Литература 350
Приложение 378
- Развитие теоретических методов повышения эффективности кавитационных аппаратов
- Задача сопряжения для пузырька в жидкости. Физическая модель кавитирующей жидкости
- Крупномасштабный стенд для эрозионных исследований
- Влияние различных факторов на влажностнодисперсные характеристики обводненных топочных мазутов, ВМЭ и процесс их сжигания
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и внедрения в производство новых технологий получения многокомпонентных сред (эмульсий, суспензий, водных растворов и систем) с использованием кавитации, позволяющих достигать существенных положительных результатов в теплоэнергетике, стройиндустрии, сельском хозяйстве и других отраслях производства, науки и техники. Проблема, решаемая настоящим исследованием, является частью проблемы энергоресурсосбережения, или энергоэффективности производств, актуальной в силу известных факторов:
кризисного состояния российской экономики в целом и топливно-энергетического комплекса в частности;
неоправданно высокого уровня удельных затрат энергии и других материальных ресурсов на единицу внутреннего валового продукта;
объективной потребности в значительном реформировании российской экономики на базе научно обоснованной энергоресурсосберегающей политики.
Практически существуют два альтернативных пути ресурсной и, что не менее важно, экологической эффективности жизнедеятельности:
реконструкция существующих технологических процессов на принципах построения малоотходных производств и безотходных комплексов;
интенсификация производства полезного продукта при одновременном снижении потребления энергетических и материальных ресурсов в результате использования новых наукоемких технологий.
Использование органического топлива является основным источником энергии различных теплотехнологических процессов. Возможным путем повышения качества сжигания топлива может быть применение его в виде эмульсии (суспензии) с добавлением воды. Эффективность процессов сжигания жидкого топлива в топочных устройствах и камерах сгорания теплотехнологических установок зависит от качества и физических свойств смеси. Поэтому задачи совершенствования теплофизических и гидродинамических процессов при сжигании топлива, применения топливоподготовки с использованием двухфазных топливно-водяных эмульсий (суспензий), улучшения технологических режимов работы топочных устройств с учетом выбросов вредных веществ имеют большое научное и практическое значение.
Существующие технологии связаны с тремя основными процессами: катализом с интенсивным перемешиванием; диспергированием (механическим, химическим и биологическим); воздействием полей повышенных давлений и температур. От трети до половины всех энергетических затрат в различных технологиях идет на механическое диспергирование. Весьма сильную диспер-гацию дает химический способ - растворение. Наиболее распространенными растворителями являются вода и водные растворы щелочей и кислот. Перспективно применение активированной воды. Вода является либо дисперсной фазой, либо дисперсионной средой в большинстве технологических процессов.
В работах В. М. Ивченко (1975) впервые было обращено внимание на комплексное кавитационное воздействие на гомогенные и гетерофазные жидкости, которое возможно использовать в технологических целях. Использование гидродинамических и теплофизических эффектов кавитации (кавитацион-ной технологии) способствует механотермолизу структуры воды с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых водотопливных эмульсий, суспензий и смесей, в конечном итоге имеющим перспективу для усовершенствования и интенсификации технологических процессов в различных отраслях производства. Однако вопросы изменения физических свойств воды (реологических, структурных, электромагнитных и др.) и их влияния (на макроуровне) на ход и результат технологических процессов на современном этапе изучены недостаточно.
В связи с этим возникает много важных вопросов, например: о масштабном эффекте при переносе лабораторных результатов на натурные объекты; о нахождении и выяснении устойчивости выгодных режимов движения жидкостей и многофазных сред; о разработке рациональных каналов проточной части в соответствующих устройствах, аппаратах, оборудовании и режимов технологических процессов в условиях конкретных производств, ответы на которые должны быть найдены в процессе всесторонних исследований.
Есть основание полагать, что детальное макроскопическое описание многомерных полей переменных физических параметров в рабочих камерах технологических аппаратов топливоподготовки и сжигания двухфазных топ-ливно-водяных смесей на основе новых, физически обоснованных математических моделей теплотехнологических и гидродинамических аппаратов и локальной интенсивности тепломассообмена позволит не только выявить и обосновать потенциал кавитационной технологии, но и решить актуальную проблему разработки режимов приготовления водотопливных смесей с целью увеличения полноты сгорания топлива и подавления образования вредных веществ в технологических выбросах. Важной частью проблемы является использование кавитационной технологии в других отраслях производства.
Цель диссертационной работы — создание технологий термомеханической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации.
Задачи исследований:
1. Анализ влияния теплофизических и физико-химических механизмов технологических процессов на свойства гомогенных и гетерофазных сред (жидкости, растворы, смеси, золи и др.), получаемых с использованием эффектов кавитации;
2. Разработка моделей кавитационного воздействия, механ©термолиза и образования эмульсий, суспензий, а также смесей многокомпонентных сред с учетом реологических свойств взаимодействующих веществ;
3. Экспериментальное определение свойств кавитационно обрабатываемых сред в зависимости от параметров и режимов работы оборудования и средств их реализации при отработке технологических процессов получения воды с модифицированными физико-химическими особенностями, водотопливных эмульсий, водоугольных суспензий, а также смесей с регулируемой дисперсностью;
4. Определение параметров получаемых водотопливных эмульсий и суспензий (дисперсность, водосодержание, размер твердой фазы) и оценка их влияния на качество сжигания;
5. Разработка методов расчета и создание конструкций технологических аппаратов кавитационной обработки многокомпонентных сред для получения воды с модифицированными физико-химическими свойствами, водотопливных эмульсий, водоугольных суспензий, а также смесей с регулируемой дисперсностью.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
1. Установлены закономерности влияния параметров кавитационных технологических процессов (температуры, скорости, давления, времени обработки, числа кавитации, дисперсности, концентрации, водосодержания, тепломассообмена) на физико-химические свойства многокомпонентных сред (вода, водные растворы и смеси, водотопливные эмульсии и суспензии);
2. Найдены зависимости изменения поверхностного натяжения, электропроводности, рН среды, кислородосодержания воды и времени их релаксации от температуры, давления, числа кавитации и времени процесса кавитационной обработки;
3. Разработаны и реализованы математические модели движения кави-тационного микропузырька и суперкавитационного обтекания кавитаторов двухфазным течением, основанные на полученных экспериментальных данных и учитывающие вязкость и сжимаемость потока;
4. Предложены, обоснованы и реализованы технологические режимы получения водотопливных эмульсий на базе мазута, дизельного топлива и бензина;
5. Установлены зависимости, определяющие влияние температуры, времени обработки, концентрации и дисперсности водной фазы на процессы тепломассообмена при сжигании получаемых водотопливных смесей с учетом загрязняющих выбросов в окружающую среду;
6. Получены зависимости поверхностного натяжения, электропроводности, рН среды, седиментационных, фильтрационных и других характеристик водоугольных суспензий от режимных параметров кавитационной обработки, позволяющие использовать их в биохимических процессах;
7. Выявлены наиболее значимые факторы кавитационной технологии, влияющие на процессы диспергацйи твердой фазы и воздействующие на природные объекты: ударные волны, кумулятивные ультраструйки, турбулентное микроперемешивание;
8. Разработаны феноменологические модели кавитирующей жидкости и механотермолиза воды, заключающиеся во взаимодействии полей высоких температур и давлений, образующихся при схлопывании кавитационных микропузырьков;
9. Получены экспериментальные зависимости влияния параметров технологических процессов кавитационной обработки на структурные и физико-химические свойства воды, водотопливных эмульсий, суспензий и смесей многокомпонентных сред;
10. Выявлено, что наибольшая интенсивность кавитационного воздействия осуществляется при числах кавитации % «- 0,2, что соответствует оптимальным размерам кавитационных пузырьков с точки зрения их эрозионной активности;
11. Предложены и реализованы методы расчета двухфазного суперкави-тационного обтекания лопастных и неподвижных кавитаторов газожидкостным пузырьковым потоком с учетом сжимаемости, позволяющие на стадии проектирования определять рациональные режимы работы и конструктивные размеры технологических аппаратов для обработки многокомпонентных сред в различных отраслях производства.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Разработаны методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред - кавитационная технология, позволяющая существенно повысить качество и интенсивность производственных процессов в теплоэнергетике и других отраслях промышленности и приводящая к экономии топлива, сырья и снижению вредных выбросов в атмосферу.
Математические модели и разработанные на их основе методики расчета суперкавитационных течений в технологических аппаратах, реализующих ка-витационную технологию, использованы на практике в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна ОАО «КАТЭКНИИуголь» (Красноярск), Сибирском филиале ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (Красноярск), Научно-исследовательском институте прикладной гидромеханики (НИИ ПГМ, Москва), Красноярском фонде «Конверсионный технопарк», Красноярском государственном техническом университете и Красноярской государственной архитектурно-строительной академии.
Техника и методика экспериментальных работ, разработанные экспериментальные установки и технические проекты внедрены в исследовательскую практику в НИИ ПГМ и Высоконапорной лаборатории при плотине Красноярской ГЭС ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, Институте медицинских проблем Севера АМН СССР (Красноярск), Красноярском государственном техническом университете и ОАО «КАТЭКНИИуголь».
Отдельные результаты, выводы и рекомендации работы использованы (с существенным экономическим эффектом) в Копьевском ДРСУ Хакасавтодо-ра (Хакасия), Березовском ДРСУ Красноярскавтодора, ОАО «ДПМК Красноярская», НПО «ЭГДА» (Омск), лаборатории Красноярского отделения ВАСХ-НИЛ, ОАО «КАТЭКНИИуголь», ОАО «Разрез «Саяно-Партизанский», в Красноярском краевом экологическом фонде, Институте медицинских проблем Севера АМН СССР, ОАО «Совхоз Красноярский» и «Совхоз-комбинат им. 60-летия Союза ССР» (Омск).
Производство малых серий различных кавитационных аппаратов освоено на Красноярском опытном заводе ГОСНИТИ Российской Академии сель-скохозяйственных наук.
Основные положения и рекомендации диссертационной работы были учтены при разработке Концепции энергосберегающей политики в Краснояр ском крае (утверждена постановлением администрации Красноярского края от 18.10.99 №б64-п).
Научные результаты исследований использованы в учебном процессе при разработке курсов лекций и создании учебных пособий (с грифом Минобразования РФ) в Красноярском государственном техническом университете, Красноярской государственной архитектурно-строительной академии, Красноярском государственном агроуниверситете и Омском государственном техническом университете.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением общенаучных методов исследования, теории подобия, обоснованными расчетными схемами и математическими моделями двухфазных су-перкавитационных течений, базирующихся на фундаментальных законах физики, гидрогазодинамики, теплофизики, и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными. Выводы достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на Краевой НПК «Пути повышения эффективности научных исследований и укрепление связи науки с производством» (Красноярск, 1978), II Всесоюзной НТК «Технические средства освоения океана» (Ленинград, 1978), Всесоюзной НТК по прикладной гидромеханике (Киев, 1979), XV Всесоюзной НТК «Экспериментальные исследования нестационарных процессов в гидродинамике судна» (Севастополь, І980), I Всесоюзной НТК по энергетике океана (Владивосток, 1983), III Республиканской НТК «Проблемы гидромеханики в освоении океана» (Киев, 1984), V Всесоюзном НТС «Пути реализации продовольственной программы на Крайнем Севере» (Москва, 1984), Fifth Nail tional Congress on Theoretical and Applied Mechanics (Bulgaria, Varna, 1985), V Семинаре преподавателей и научных сотрудников кафедр и групп теплофи-зического профиля вузов Сибири и Дальнего Востока (Кемерово, 1986), III и IV Всесоюзной школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Красноярск, 1987; Чебоксары, 1989), Всесоюзной НТК «Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение» (Ленинград, 1987), Всесоюзной НТК «Совершенствование средств и методов экспериментальной гидромеханики» (Ленинград, 1988), Донских экологических чтениях (Ростов-на-Дону, 1988), V Всесоюзном НТС по уплотнительной технике (Сумы, 1988), II Школе молодых ученых «Численные методы механики сплошной среды» (Красноярск, 1989), VIII Всесоюзной НТК «Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса» (Сумы, 1989), Всесоюзной НТК «Проектирование, производство и эксплуатация жидкостно-газовых систем» (Киев, 1989), Всесоюзной НТК «Проблемы экологии и ресурсосбережения. Экоресурс-I» (Черновцы, 1990), XIII Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Чебоксары, 1990), II Всесоюзной НТК «Автоматизация биотехнологических производств» (Тушино, 1990), Всесоюзном семинаре «Повышение эффективности тягодутье-вого оборудования для энергетики и машиностроения» (Красноярск, 1991), International SYMKOM 91 и SYMKOM1 99 (Poland, Lodz, 1991; 1999), Всесоюзной НТК «Биотехнология и биофизика микробных популяций» (Алма-Ата, 1991), I и III Международном симпозиуме «Физические проблемы экологии природопользования и ресурсосбережения» (Ижевск, 1992; 1997), Республиканской НТК «Актуальные проблемы механизации дорожного строительства» (С.-Петербург, 1992), I Международной конференции по экранопланам (Иркутск, 1993), I и II Межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры» (Красноярск, 1996; 1999), IX Международной конференции (С.-Петербург, 1996), НПК «Достижения науки и техники -развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997), XI Международной НТК по компрессорной технике (Казань, 1998), Всероссий ской НТК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1998; 1999; 2000; 2001; 2002; 2003; 2004), I, II и III Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001), НПК «Проблемы отходов производства и потребления. Пути их решения в Красноярске» (Красноярск, 1999), II Международной НПК «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (Смоленск, 1999), Всероссийской НПК «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000), I и II Всероссийской НПК «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2000; 2001), I, II, III и IV Всероссийской НПК по проблемам энергоресурсосбережения (Красноярск, 2000; 2001; 20002; 2003), научно-практическом семинаре «Разработка механизмов взаимодействия различных субъектов городского сообщества для обеспечения экологической безопасности городской среды» (Красноярск, 2001), XII Международной НТК по компрессоро-строению (Казань, 2001) и др.
Отдельные результаты работы экспонировались на Международной ярмарке в Югославии (Загреб, 1989), на международных выставках в Китае (Харбин, 1991) и Польше (Лодзь, 1991; 1999), на Всероссийской выставке с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001) и выставке «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997; 2000; 2002; 2003).
Работа выполнялась в рамках научных исследований по Всесоюзным и Всероссийским программам: «Мировой океан» (1981—86 гг.), «Энергетика океана» (1985 г.), «Продовольственная программа» (1986-90 гг.), «Сибирь» (1985-87 гг.), а также Международному проекту TACIS по энергосбережению (1998-2000 гг.) и Программе Красноярского краевого экологического фонда (1999-2001 гг.).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экс периментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80—90 % результатов исследований.
Автор выражает искреннюю признательность докт. техн. наук, профес сору В. М. Ивченко!, инициировавшему развитие данного научного направления; академику Г. В. Логвиновичу; докт. физ.-мат. наук, профессорам В. К. Андрееву, В. И. Быкову, В. М. Журавлеву, В. П. Карликову и В. С. Славину за постоянное внимание и поддержку исследований; докт. техн. наук, профессору Ю. В. Демидову, совместные исследования с которым способствовали формированию изложенных в диссертации положений.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 119 трудах, в том числе в пяти монографиях, шести учебных пособиях, и содержатся в 11 отчетах о научно-исследовательских работах, научным руководителем которых был автор.
Развитие теоретических методов повышения эффективности кавитационных аппаратов
Современные производственные технологии связаны с тремя основными процессами: катализом и интенсивным перемешиванием; диспергированием (механическим, химическим и биологическим); воздействием повышенных давлений и температур.
В последнее время начинает широко внедряться процесс «активации», который способствует повышению эффективности (и по производительности и по снижению затратна 30 %) [121].
От трети до половины всех затрат энергия в различных технологиях идет на механическое диспергирование. Весьма сильную диспергацию дает химический способ - растворение. Наиболее распространенным растворителем является вода или водные растворы щелочей и кислот. При этом применение активированной воды [82, 147, 263, 302, 387, 389] наиболее перспективно.
Использование кавитационных эффектов способствует одновременному мелкому механическому диспергированию и микроперемешиванию, активации водородных связей молекул воды и ее «омолаживанию» (разбиению больших цепочек молекул воды на более мелкие - одиночные молекулы активированной «праводы» [263, 302, 387, 389]. Кавитационная обработка дает устойчивые результаты, в то время как известные способы активации воды (омагничивание, таяние льда, нагрев, облучение лазером или ультразвуком и др.) в опытах значительно варьировались и были трудновоспроизводимы [82, 147, 263]. По современным воззрениям [326, 134] кавитационная обработка технологических продуктов в жидкостях, прежде всего в воде (активация; размол, перемешивание и дефлокуляция, диспергирование и эмульгирование), а также повышение скоростей химических реакций при катализе возможна за счет следующих сопутствующих кавитации гидродинамических процессов; - возникновения интенсивных полей давления ( 1000 атм) и волн разряжения-сжатия, возникающих при пульсациях парогазовых каверн и микропузырьков или в начальной стадии их смыкания [387, 389]; - кинетического воздействия кумулятивных ультраструек (0 30—70 мкм, со скоростью в 100-200 м/с и более), появляющихся в асимметричном поле давления в заключительной стадии схлопывания каверны (например, около твердой стенки) перед ее разрушением и дроблением на более мелкие полости и микропузырьки [307]; - образования в потоке за телом или каверной турбулентных зон, заполненных вихрями и смыкающимися микропузырьками инфразвукового и ультразвукового диапазона частот [126, 134]. В свою очередь собственно кавитационная полость может быть создана путем ее роста из «зародышевых» центров — «ядер» кавитации при понижении давления или повышении температуры [293, 307]; в следе за телами или лопастями различных суперкавитирующих механизмов (типа твердых кавитаторов -дисков или конусов, жидких кавитаторов при выбросе струи газа или той же жидкости навстречу потоку; за клинообразными лопастями осевых и центробежных насосов, роторов и дисков) [352]. Расчету некоторых из них посвящены диссертации [93, 254, 305, 137, 138 и др.], выполненные в КПИ на основе развитой в работе [123] общей теории. Метод кавитационно-гидродинамической обработки водных растворов, полуфабрикатов, расплавов и других жидкостей применяется в следующих случаях: измельчение полимеров, других высокомолекулярных соединений и глинозема [387, 389]; смешение и активация полиэфирных [387, 389] и других смол [305]; биодиспергация и активация микробиологических продуктов [387, 389] и питательной среды для взращивания бактерий [302]; увеличения метания икринок и выращивания мальков рыб [387, 389]; повышение выхода металла из руд до 100 % [302]; активация СаО и SiO при изготовлении в автоклаве силикаль-цитных кирпичей и других более крупных изделий [302]; при подготовке там-понажных смесей для буровых установок [121]. Имеются обнадеживающие ре зультаты по борьбе с накипеобразованием (безнакипная работа до 100 часов) за счет кавитационных режимов течения («пузырьковых» режимов кипения в сильно недогретых жидкостях). Можно предохранить молоко от закисання в течение недели, если его предварительно на 1-2 минуты подвергнуть кавитаци-онной обработке [91]. Анализ состава капель при эмульгировании масла кави-тирующим диском (при а = 0,7—0,2) показывает [121], что из них около 80 % имеют размеры порядка 1 мкм (10 6 м). Это обусловлено в основном воздействием кумулятивных струек при смыкании паро-газовых мйкролузырьков в следе за каверной. Оставшиеся 20 % имеют размеры до десятка микрон. Они образуются за счет вторичного турбулентного микроперемешивания, возникающего после разрушения и развала микропузырька на более мелкие составные части. Следует также упомянуть о медико-биологических аспектах влияния пузырьковой кавитации [324]: - экстрагирование ферментов с малым молекулярным весом; - удаление вирусов из ткани, пораженной инфекцией (с увеличением интенсивности кавитации рост организмов стимулируется, затем стабилизируется и прекращается); - образование перекиси водорода, оказывающей стерилизующее действие; - кавитация крови, наносящая повреждение клапанам сердца, а также вызывающая утолщение стенок артерий и их разрушение, стимулирующая тем самым развитие атеросклероза и тромбофлебита («кесонная» болезнь у водолазов и космонавтов при резком сбросе внешнего давления также приводит «вскипанию» крови). В этих и подобных им случаях характерная длина течения и частиц имеет порядок от 0,1 до 10 мкм и потому требует дополнительного рассмотрения специфического применения механики сплошной среды, так называемой микродинамики (с учетом броуновского движения и электрокинетики) [121]. Метод кавитационно-гидродинамической обработки водных растворов полуфабрикатов, расплавов и других жидкостей может найти применение и в других, ещё неизвестных технологиях, следовательно: 1. Необходимы исследования по качественному и количественному определении (на молекулярном уровне) и дозировке при конкретном применении активированной воды и др. жидкостей, а также разработка принципов для инструментальной её фиксации в лабораторных и экспресс-промышленных условиях, построениях, например, на физических эффектах. 2. Не менее важно уметь рассчитывать на ЭВМ кавитационные и многофазные течения жидкостей, включая установление кинетических уравнений (о связи кавитационных полей с технологическими показателями конкретного производства).
Задача сопряжения для пузырька в жидкости. Физическая модель кавитирующей жидкости
Эти зависимости качественно согласуются с экспериментальными [333]. Однако приведенные выше выкладки и рассуждения в большей степени описывают поведение одиночных пузырьков. В лучшем случае используются интегральные зависимости, например (1.13)—(1.15), когда оценивается конечный результат на основе механистических представлений о совместном воздействии групп пузырьков. Но здесь нельзя обойтись арифметическим суммированием действия отдельных пузырьков даже в рамках модели сферической симметрии при их схлопывании. На самом деле пузырьки в динамике влияют друг на друга, теряя свою сферическую форму, как показано ранее: охлопывание одного влияет на коллапс остальных. При быстром сжатии и коллапсе пузырька возникают деформации, теряется устойчивость пузырьков и они распадаются на более мелкие [72, 274, 447 и др.].
Хотя анализ коллапса сферической каверны в несжимаемых жидкостях дает приблизительно верную картину большей части процесса, на конечной стадии схлопывания и при повторном образовании пузырька этот анализ перестает давать правильные качественные результаты, которые являются важными при определении разрушающих воздействий кавитации.
Для сжимаемых жидкостей исследования Хиклинга и Плессета [286] схлопывания и повторного образования каверны численными методами можно рассматривать как точные. Здесь частично были использованы работы Гилмора, основанные на приближении Кирквуда-Бете, очень близкие к точным решениям. По данным различных исследователей, максимальное давление внутри пузырька достигает от 20 до 100 МПа (в зависимости от принятых граничных условий). Причем давление в ударной волне "затухает по геометрическому закону обратно пропорционально расстоянию от центра пузырька. При несферическом схлопывании пузырька с образованием кумулятивной ультраструйки давление удара возможно получить из уравнения гидравлического удара: pa + psas где р и а плотность и скорость звука; V0— скорость струи. Индекс s относится к материалу поверхности, о которую ударяется струя. Расчеты без учета теплообмена, без учета пространственно-временного распределения температуры в сжимающемся пузырьке и прилегающей к нему области не дают полной картины процесса и не позволяют построить достоверную и полную модель образования ударных волн, физического механизма их возникновения. Максимальная скорость стенки пузырька R меньше скорости звука при учете теплообмена (не более 600 м/с), и образование ударных волн, наблюдаемое экспериментально, трудно объяснить. Расчеты, приведенные в работах М. А. Мар-гулиса, показали, что на конечном этапе схлопывания осуществляется повышение температуры в пузырьке со скоростью Т 10" К/с [279]; при этом испарение через свободную поверхность жидкости и через стенки гетерогенных зародышей кавитации должно быть незначительным. Импульсный нагрев метастабильной жидко-сти, близкий к предельному («10 К/с), может привести к так называемому фазовому взрыву жидкости. Можно предположить, что ударные волны при кавитации обусловлены фазовым взрывом жидкости, перегретой до сверхкритических пара метров в кавитационном пузырьке. Такого рода перегрев может осуществляться и при электрическом разряде в кавитационном пузырьке. Судя по временным параметрам возникновения соновспышек (примерно 2 не), импульсный перегрев может осуществляться со скоростью Т « 10й К/с даже при повышении эффективной температуры всего на 200 К [274]. Анализ и расчеты Мерча [286], проведенные для динамики схлопывания групп (скопления, ансамбля) кавитационных пузырьков, показали, что совместное схлопывание повышает энергию каверн, расположенных вблизи центра скопления, на порядок величины. Направленные внутрь взрывные волны, образующиеся при одновременном схлопывании слоя каверн, могут привести к увеличению давления на порядок величины, по сравнению с давлением, возникающим при схлопывании одиночной каверны вблизи стенки. Энергия схлопывания и ее направленность определяются конфигурацией ансамбля кавитационных пузырьков. Рассмотрим действие кавитационных пузырьков для организации различных технологических процессов [30, 131]. Особое значение имеет случай диспергирования частиц, имеющих достаточно малые размеры, сопоставимые с размерами молекул или межмолекулярными расстояниями несущей фазы. Частицы таких размеров будут увлекаться движущейся жидкостью с большой легкостью, на их перемещение будет оказывать влияние механизм броуновского движения, т. е. такие тела в первом приближении будут вести себя как частицы жидкости. Вероятно, здесь основную роль в измельчении движения должны играть механизмы ударного воздействия групп пузырьков при их коллективном схлопывании, а также механизмы воздействия, изложенные выше.
По-видимому, описать все возможные схемы взаимодействий схлопы-вающихся микропузырьков и дисперсной фазы не представляется возможным. Имеет смысл остановиться на наиболее очевидных (см. таблицу 1.1), предпола гая, что равновероятно существование множества других схем и их всевозможных комбинаций [219]. В таблице 1.1 отмеченные схемы можно рассматривать как элементарные «трибологические ячейки» взаимодействия кавитационных микропузырьков и дисперсной фазы; сферическая форма частиц дисперсной фазы - только первое приближение к реальной форме, которая в общем случае произвольна.
Крупномасштабный стенд для эрозионных исследований
Конструкции, схемы и технические параметры различных смесителей и аэраторов достаточно подробно описаны в [30, 37, 131, 304 и др.].
Скоростные аэраторы нового типа. Проведенный литературно-патентный поиск и анализ имеющихся материалов показывает, что необходимые аэраторы с расходом до 100 л/с при объемной концентрации газовой фракции в 50-75 % с требуемыми размерами микропузырьков (R 0Л мм) отсутствуют. Механизмы, применяемые в химических технологиях и других областях науки и производства, совершенно не пригодны для поставленных целей по аэрации пограничного слоя тел, движущихся в воде с большими скоростями (15-30 м/с и более).
Для создания пузырьковых газожидкостных смесей были приняты следующие схемы скоростных аэраторов нового типа: 1. С кавитаторами в проточной части; 2. С газопроницаемыми стенками; 3. С супервентилируемым насосом; 4. С системой сопл и перемешивающей «шарошкой» и др. [30, 131, 143, 304,387,389,395]. Проточно-кавитационные реакторы. Основное отличие кавитацион-ных аппаратов, используемых в различных технологиях, состоит в способе возбуждения кавитации в среде жидкого технологического сырья (однородных жидкостях, смеси жидких полуфабрикатов, крупнодисперсных суспензиях и др.).
Существует целый класс устройств, в которых кавитационные явления генерируют, облучая жидкость акустическими волнами ультразвуковых частот [343]. Работа устройств другого типа основана на гидродинамическом способе возбуждения кавитации, заключающемся в создании каверн за обтекаемыми телами в потоке жидкости, К их числу относятся аппараты с лопастными кави-тирующими крыльчатками [131], вращение которых в жидкой среде создаст ка-витационное поле пульсирующих давлений (несколько тысяч атмосфер), оказывающих на жидкость силовое воздействие, и различные кавитационные мельницы с кавитирующими механизмами на базе центробежных насосов [131]. В этих аппаратах кавитирующие элементы совмещают в CQ5Q функции кавернообразующих тел и рабочих частей насосной установки, вращение которых приводит жидкость в движение.
Явление гидродинамической кавитации лежит в основе принципа действия проточно-кавитационных реакторов различных конструкций, в которых рабочую часть составляет набор установленных в проточной камере кавитаторов (дисков, конусов, сфер, стержней и др,). При обтекании кавитаторов потоком жидкости за ними образуются пузырьковые каверны, в области которых происходит кавитационная обработка технологического сырья. Применение кавита-ционных реакторов с кавитаторами простой геометрии обладает рядом отличительных особенностей: более разработанной теорией расчета параметров кави-тационного течения в проточной камере, возможностью регулирования интенсивности кавитационного поля, надежностью в эксплуатации, низкой трудоемкостью изготовления.
Работа кавитационных аппаратов основана на использовании энергии кавитационных пузырьков, выделяющейся при их пульсации по симметричной схеме с образованием полей пульсирующих давлений (4—10 тыс. атм); асимметричном схлопывании каверн с образованием ударных кумулятивных микро-струек (скорость 100-500 м/с, давление 1-2 тыс. атм).
Кроме того,- в кавитационном воздействии на жидкость определенную роль играют эффекты, сопровождающие явление кавитации: образование за обтекаемыми телами турбулентных зон, заполненных смыкающимися пузырьками, в которых происходит интенсивное микропере-мешивание технологических реагентов; температурные пульсации парогаза в пузырьках (до 1-2 тыс. С), вызываемые их расширением-сжатием; фазовые переходы, протекающие на поверхности кавитационных пузырьков; электризация пузырьков на границе между жидкой и газовой средами. Отмеченные эффекты интенсивно проявляются в пузырьковой кавитации. Поэтому наиболее оптимальные технологические параметры обработки жидкостей в проточно-кавитационных реакторах соответствуют пузырьковым режимам кавитационных течений. Для этих режимов характерно появление за телами коротких каверн, полностью заполненных периодически образующимися вихрями с кавитационными пузырьками [47]. Использование пузырьковой кавитации в технологических целях силового воздействия на жидкости обосновано исследованиями акустических характеристик гидродинамической кавитации. Как известно, пульсации кавитационных пузырьков сопровождаются генерацией акустических колебаний (кавитационный шум) [121], мощность которых зависит от интенсивности пульсации давлений в кавитационном поле. Результаты ряда экспериментальных работ указывают на связь между уровнем кавитационного шума и удлинением каверны Lk =Lk/dT? где Lk - длина каверны; dT - характерный поперечный размер тела [307]. Максимальное значение этой зависимости соответствует пузырьковому режиму кавитационного течения с удлинением каверны Lk = 2. Общим элементом в конструкциях различных проточно-кавитационньгх реакторов является установленный в проточной камере аппарата кавитатор (или набор кавитаторов). Количество кавитаторов, их геометрия, конструкция, степень подвижности и некоторые другие параметры представляют собой отличительные особенности реакторов и определяются решением конкретных технологических задач: снижение энергоемкости реактора, регулирование интенсивности кавитациопного поля, увеличение степени силового кавитационного воздействия и др.
В наиболее простых конструкциях гидродинамических кавитационных реакторов используют цельнометаллические кавитаторы, выполненные в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями навстречу потоку жидкости [91, 93, 131]. Кавитаторы устанавливают в рабочей камере неподвижно и располагают рядами по концентрическим окружностям, образующим в камере пространственную решетку (рисунок 1.6).
Влияние различных факторов на влажностнодисперсные характеристики обводненных топочных мазутов, ВМЭ и процесс их сжигания
Необходимо отметить, однако, что все аппараты с вакуумным регулированием кавитационното поля имеют общий недостаток: возможность засоса обрабатываемой жидкости в вакуумную линию и, как следствие этого, снижение эффективности работы или выход из строя системы регулирования, что особенно очевидно в случае обработки вязких волокнистых материалов.
Регулирование интенсивности кавитационного поля может также производиться перемещением кавитатора вдоль проточной камеры. На этом принпипе основана работа реактора [131] (рисунок 1.12). В его конструкции имеется стержень, установленный соосно с проточной камерой, способный перемешаться по оси. На конце стержня закреплен кавитатор, обращенный меньшим основанием в сторону входной части камеры. С помощью стержня, вращающегося по винтовой нарезке, кавитатор устанавливают в таком месте между проточной камерой и диффузором, в котором обеспечивается получение максимального количества кавитационных пузырьков. Введение в конструкцию такого реактора элементов, увеличивающих ширину кавитационного поля, может существенно повысить эффективность его работы.
С целью регулирования энергии кавитационного воздействия в некоторых конструкциях проточно-кавитационных реакторов используют полые цилиндрические кавитаторы, выполненные из упругого материала [131]. Оси цилиндрических кавитаторов лежат в плоскости поперечного сечения проточного участка (рисунок 1.13), При движении жидкости вдоль реактора полый кавитатор деформируется под действием динамического движения потока. Увеличение скорости течения жидкости приводит к деформации кавитатора с удлинением его по направлению потока, уменьшению скорости потока к восстановлению его цилиндрической формы. При деформации кавитатора изменяются площадь живого сечения потока и гидродинамическое сопротивление обтекаемого тела, что оказывает влияние на геометрические параметры каверны.
Автоматическое регулирование энергии кавитационного поля за счет использования упругих кавитаторов является существенным преимуществом реакторов подобного типа. Основная сложность их расчета состоит в определении надежной зависимости между упругими свойствами материала кавитатора и гидродинамическими характеристиками сдеформированного тела, которая позволяла бы получать в проточной камере каверны оптимального удлинения.
Все описанные выше проточи о-кав нтационные реакторы работают на основе гидродинамического способа возбуждения кавитационных явлений. При этом интенсификация кавитационного воздействия на жидкость осуществляется в них за счет введения в конструкцию проточной камеры дополнительных ка-вернообразующих элементов. Однако существуют варианты повышения энергии кавитационного поля в рабочей камере, основанные на сочетании различных способов возбуждения кавитации. Например, интенсификация кавитационной обработки достигается дополнительным вибрационным воздействием на поток жидкости. С этой целью реактор соединяется с основной напорной магистралью посредством гибких трубопроводов и монтируется на упругоэластичной опоре. Повышение активности кавитационного воздействия на жидкость в таком устройстве происходит за счет использования эффекта резонансных колебаний корпуса реактора от вибрационных составляющих пульсации давлений в кавитаци-онном поле. Вибрация установки вызывает пристеночные кавитационные эффекты и способствует повышению градиента давления в зоне кавитации.
Применяемые в настоящее время проточно-кавитационные реакторы имеют специфические особенности конструкции. Этот тип кавитационных аппаратов может быть представлен в виде классификационной схемы (рисунок 1.14), в которой указаны основные модификации проточно-кавитационных аппаратов. Совершенствование конструкций реакторов позволит продолжить их классификацию. Новые разработки в этой области связаны прежде всего с расширением границ применимости кавитационной технологии. Распространенность жидких материалов в современном производстве делает эту тенденцию достаточно перспективной. Оптимизация конструкций гидродинамических кавитационных реакторов возможна, например, на основе анализа кавитационных течений в проточной камере аппарата с последующим учетом его результатов в стадии проектировочных работ. Существующие методы проектирования проточно-кавитационных реакторов в большинстве случаев основаны на предположении неизменности параметров потока жидкости вдоль всей рабочей камеры реактора, В частности, предполагается отсутствие сжимаемости среды. Последнее неизбежно приводит к отклонениям характеристик кавитационного обтекания кавитаторов от оптимальных технологических значений с уменьшением эффективности работы устройства.
Например, при обтекании кавитаторов первой ступени реактора (рисунок 1.6) происходит насыщение потока пузырьками газа, что существенно увеличивает его сжимаемость (число Маха может достигать значений 0,3-0,5). Вследствие этого картина кавитационного обтекания кавитаторов последующих ступеней значительно изменяется. Удлинение каверны возрастает, отклоняясь от оптимальных значений. Чтобы получить за кавитаторами вдоль всей рабочей камеры каверны с необходимым удлинением, нужно решить задачу разработки методики проектирования реактора, учитывающей реальные свойства потока.
Экспериментальные исследования кавитационного обтекания диска, проводимые авторами на кавитационной трубе (dpy = 70 мм) в лаборатории гидродинамики больших скоростей КПИ [93], показали, что значениям удлинения каверны LK/dT = 2 (при загромождении сечения потока на 18,6 %) соответствуют числа кавитации уы = 2,75, Протяженность кавитации в этом случае приближенно описывается эмпирической зависимостью
