Т М Вітенько - Дослідження впливу гідродинамічних характеристик на ефективність кавітаційної обробки - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 532.528

Тетяна Миколаївна Вітенько, канд. техн. наук, Тернопільський національний технічний університет імені І. Пулюя

Гащин Ольга Романівна, канд. техн. наук, Тернопільський інститут соціальних та інформаційних технологій

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ГІДРОДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ЕФЕКТИВНІСТЬ КАВІТАЦІЙНОЇ ОБРОБКИ

В роботе представлены результаты комплексных исследований, позволяющих оценить влияние гидродинамических характеристик кавитационных устройств на эффективность оброботки технологических сред. На примере изменения рН дистилированной воды экспериментально подтверждено оптимальное значение стадий кавитации для статических устройств. Представленные результаты раскрывают зависимость механизма изменения скорости окисления KJ, измельчения NaCl и CaSO42H2O в диапазоне чисел Рейнольдса от 1,5105 до 6105. На основе анализа полученных данных установлено, что интенсивность гидромеханического и физико-химического воздействия кавитации на системы в устройствах динамического типа выше по сравнению с устройствами статического типа.

This investigation presents the results of integrated studies evaluating the influence of hydrodynamic characteristics of cavitational devices on the efficiency of technical fluids processing. The optimal value of cavitation stages for the static devices is experimentally acknowledged by the example of the pH change in distilled water. The obtained results show the dependence of KJ oxidation speed change mechanism, breakage of NaCl and CaSO42H2O in the range of Reynolds' numbers from 1,510s to 6105. On the basis of the obtained data analysis it is determined that the intensity of hydromechanical and physico-chemical influence of cavitation on the systems of dynamic type devices is higher in comparison to the static type devices.

Фізичні явища, що супроводжують кавітацію і викликають сильну руйнівну чи інтенсифікуючу дію, не залежно від різноманіття механізмів і форм прояву, об'єднує загальна закономірність. Вони виникають у рідких середовищах за швидкої зміни зовнішнього тиску і супроводжуються інтенсивним ростом і наступним стисненням утворених парогазових бульбашок, які визначають локальну динамічну дію на поверхні чи на дисперсії (якщо такі є наявні у рідині). Відмінною ознакою цих явищ є просторово-часова локалізація енергії, що дає можливість при порівняно низькому рівні енергії створювати направлені імпульси великої потужності [1].

Фактори, які впливають на інтенсивність кавітаційної дії умовно можна поділити на три групи. Насамперед це параметри, що пов'язані з технологічними особливостями процесу. До інших факторів, що можуть впливати на ефективність кавітаційної дії, як правило відносять конструктивні особливості кавітуючих пристроїв та властивості оброблюваного середовища. Необхідно відмітити, що всі ці фактори мають синергічний вплив на оброблюване середовище [2,3,4].

У монографії [5] визначено механізм взаємодії режимних та гідродинамічних параметрів процесу. Відмічено, що число Струхаля яке пов'язує довжину каверни 4, частоту її пульсації fn, і швидкість потоку vx, (Sh =lk f Jvx) залишається майже постійним, при утворенні суперкаверни (0,21-0,31). Змінюючи швидкість обтікання

2 v (Re), число кавітації = 2■ (px-pklp-v x) ), число Фруда (Fr =  . x    ) і ступінь

загромадження dk/D (де D внутрішній діаметр робочої ділянки у якій встановлений кавітатор з діаметром dk), можна керувати довжиною каверни lk і частотою її пульсацій. Форма кавітатора також визначає розвиток каверни певної форми [6,7]. У роботі [8] належне місце надається розмірам кавітатора та зазору між ним і стінкою камери. Згідно результатыв поданих авторами [9] можна вибирати оптимальні режими роботи змінюючи місце розташування кавітатора. Ефективність впливу кавітації також характеризується кратністю або часом оброблення . Оптимальна тривалість оброблення індивідуальна для кожного середовища і визначається експериментально.

Дослідження наведені у роботі [10] засвідчили, що технологічний ефект може бути визначений за швидкістю кумулятивних мікроструминок (при несиметричному сплескуванні каверн) v к. Автори [ 10] відзначають, що найбільший кумулятивний

ефект мають кавітаційні бульбашки розмірами 200-300мкм, коли мають місце м'які режими кавітації при швидкості кумулятивних струминок не більше 150-500м/с. Для прискорення хімічних реакцій в рідких середовищах, подрібнення твердих частинок при активації водо-вапнякової суспензії, стерилізації живильної води для дифузії рекомендують використовувати режими жорсткої кавітації з великою енергією сплескування бульбашок (швидкість кумулятивних мікроструминок vk >1000м/с). У роботі [11] на основі математичного узагальнення експериментальних даних отримано рівняння для оцінки v k .

Технологічний ефект також залежить від енергії сплескування бульбашок. Під час руйнування бульбашки відбувається трансформація накопиченої потенційної енергії рідини, що оточує бульбашку у кінетичну [5]. Цей процес завершується в момент руйнування бульбашки. За умови t—0 корисна потужність W буде виділятись у вигляді імпульсу, що залежить від часу колапсу бульбашки [11].

Інтенсивність кавітаційної дії на технологічне середовище залежить від об'єму парогазової фази та її характеристик. Дослідженнями щодо довжини кавітаційної каверни і зокрема її геометрії займались автори [12-14]. У роботі [13] запропоновано рівняння для визначення довжини каверни. Авторами [14] запропоновано визначати форму і довжину каверни за допомогою її профілю.

Використовуючи математичні залежності наведені у роботах [11-14] можна визначити стадію кавітації Я залежно від гідродинамічних характеристик течії. Цей параметр суттєво впливає на структуру поля бульбашок. Для Я =1,2 джерелом бульбашок є ядра кавітації, а їхній розмір залежить від величини і часу ефективної дії на ядра розтягуючих напруг [11]. Для Я =2,5 джерелом бульбашок є приєднані каверни. Під час їхнього відривання виникають хвилі тиску, що викликають коливання і розпад попередніх каверн. У цьому випадку розміри каверн будуть залежати від частоти і амплітуди коливань.

Стадія кавітації пов'язана з числом кавітації. Для динамічних кавітаційних пристроїв авторами [15] одержано рівняння для визначення критичного числа кавітації. Результати досліджень [10] засвідчили, що при о=0,005-0,1 і Я =6-10, швидкість кумулятивних мікроструминок становить v ==10-30м/с, а діаметр бульбашок d6=600-1000мкм. За умови о=0,1-0,5 і Я =2,5-4, dб=300-500мкм. При о =3-5 і Я =0,7-1,5, у хвостовій частині каверни помітна зворотна струминка, що попадає на межу каверни. В такому режимі діаметр бульбашок dб=100-200мкм.

Метою роботи було дослідження впливу гідродинамічних характеристик оброблення на ефективність кавітаційного впливу на технологічні середовища.

Випробування проводили на стендах статичного і динамічного типів, їхні конструкції подані у роботі [16], а гідродинамічні характеристики наведено у таблицях 1, 2.

Таблиця 1

Гідродинамічні характеристики кавітаційного пристрою динамічного типу

Швидкість обертання крильчатки (n), с-1

50

83

125

Питома об'ємна споживана енергія (є), Вт/дм3

47

64

100

Число Рейнольдса модифіковане (Яем)

2,5-105

4-105

6-105

Число кавітації (о)

1,6

0,9

0,3

Вакуум на лопаті крильчатки* (Рроз), кПа

5

20

25

* Відстань від передньої кромки 8 мм.

Таблиця 2

Гідродинамічні характеристики кавітаційного пристрою статичного типу

Витрата рідини (Q), м3/год

9

11

12

Швидкість руху рідини в зазорі, (и) м/с

16,6

20

25

Питома споживана енергія (є), Вт/дм3

28

36

42

Число Рейнольдса на вході у робочу ділянку (Re)

1,5105

1,8105

2,2-105

Число кавітації (о)

1,6

0,6

0,4

Вакуум за перешкодою (рроз), кПа

10

20

30

Оцінку ефективності кавітаційного оброблення проводили за зміною рН середовища, ступенем подрібненості твердої фази, окисненням йодистого калію. Результати зміни рН дистильованої води під час її кавітаційного оброблення у пристрої статичного типу подано в таблиці 3.

Отримані дані засвідчили, що зі збільшенням значення числа Рейнольдса ефективність кавітаційної обробки покращується. Водночас, результати обробки заумов Я =1 і Я =3,5 мало відрізняються. Така закономірність спостерігається для всіх досліджуваних значень Re. Це обумовлено тим, що при значеннях А=1 формується бульбашкова кавітація, а при Я =3,5 - змішана. За таких умов інтенсивність ударно-хвильового впливу на середовище є однаковою [1]. Найбільша ступінь впливу на середовище спостерігається при стадії кавітації Я =2,8.

Таблиця 3

Результати експериментальних досліджень щодо зміни рН дистильованої води

Re

Я

400c

800c

1200c

 

 

ApH

ApH

ApH

1,5-105

1,5

0,3

0,55

0,65

 

2,8

0,41

0,62

0,78

 

3,5

0,34

0,5

0,6

1,8-105

1,5

0,4

0,55

0,85

 

2,8

0,45

0,6

0,98

 

3,5

0,38

0,52

0,82

2,2-105

1,5

0,4

0,65

0,95

 

2,8

0,47

0,74

1,08

 

3,5

0,4

0,6

0,9

Порівнянням одержаних результатів (таблиця 3) з результатами роботи [15] було встановлено, що 30с оброблення у механічній мішалці за кавітаційних режимів та співмірній споживаній енергії відповідає 5-кратне проходження води через робочу ділянку статичного пристрою.

Результати досліджень тестової реакції окиснення йодистого калію під час оброблення у кавітаційних пристроях наведено на рисунках 1, 2. Хімічна реакція 2KJ + 2OH = J2 + 2KOH відбувається завдяки утворенню гідроксильних радикалів у парогазовому об'ємі кавітаційних бульбашок за умов високих локальних тисків і температур у фазі їхнього стиснення. Експериментально було підтверджено, що під час оброблення 1%-ного розчину йодистого калію KJ в умовах кавітаційного режиму виділяється молекулярний йод (рис. 1). Найбільші концентрації J2 досліджуються за Re=6'105 у пристрої динамічного типу. Це можна пояснити порівнянням розмірів парогазової фази і умов сплескування бульбашок.

Насамперед розглянемо умови сплескування парогазової фази. Відомо, що час сплескування бульбашки залежить від її розміру і визначається за рівнянням Релея [17]. Зі зменшенням радіуса бульбашки скорочується час її сплескування і підвищується інтенсивність кавітаційної дії на середовище до певної межі. Це підтверджується результатами досліджень [18], де було встановлено, що зі збільшенням значення числа Рейнольдса від Re=2,5'105 до Re=6'105, зменшенням числа кавітації від о=1,6 до о=0,3

3 3

діаметр бульбашок зменшується від d0=1,2'10- м до d0=0,6'10- м. З другого боку, досліджуються вищі локальні температури і тиски всередині кавітаційних бульбашок, що створює кращі умови для утворення радикалів у парогазовій фазі. Крім того,чисельними експериментальними дослідженнями підтверджено, що максимум величини ударного тиску, який генерується кавітаційною бульбашкою, досліджується за умови 0,2<g<0,3 [19]. З подальшим зменшенням числа кавітації спостерігається утворення дрібних бульбашок (які зливаються у каверни) і бульбашок великих розмірів (більша частина яких пульсує не сплескуючись). Внаслідок цього у воду надходить менша кількість радикалів гідроксилу, які і є причиною окиснення йодистого калію.

3,50E-07 3,00E-07 2,50E-07 2,00E-07 1,50E-07

1,00E-07 5,00E-08

0,00E+00

моль'дм3

C'10 7 моль'дм

 

 

/

1

 

/

 

 

7

 

2

• У

/

 

 

/

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Re

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2

0 •

 

 

 

 

 

 

 

1

2

\

 

 

 

 

4

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, хв

0

200000 400000

600000

800000

0       10      20      30      40      50 60

Рис.   1  - Зміна концентрації йоду  за 40хв        Рис.  2 - Зміна концентрації йоду під час

оброблення 1% KJ у кавітаційних пристроях за умови оброблення 1% KJ у кавітаційних пристроях за

t=15°C:  1 - статичний пристрій; 2 - динамічний умови 1=150<С °=1,6: 1 - динамічний пристрій; 2 -

пристрій статичний пристрій

з

Закономірності зміни концентрації молекулярного йоду з часом оброблення розчину йодистого калію у пристрої статичного типу мають аналогічний характер, спостерігається збільшення швидкості утворення J2 зі збільшенням числа Рейнольдса. Різниця між отриманими результатами полягає в тому, що під час оброблення 1% KJ у пристрої статичного типу спостерігаються менші концентрації молекулярного йоду (рис. 2). Така різниця результатів пояснюється умовами кавітаційного перемішування. У пристрої динамічного типу за наявності вільної поверхні відбувається захоплення газової фази в рідину поряд із дегазацією, внаслідок руйнування кавітаційних парогазових порожнин. Тому кількість розчиненого кисню у воді є більшою, порівняно з її утворенням у пристрої статичного типу, де система є ізольованою від доступу повітря ззовні, і хімічні процеси лімітуються початковим вмістом кисню та інтенсивною дегазацією.

У наступних дослідженнях вивчали вплив режимів оброблення на ефективність процесу подрібнення. Ступінь подрібнення оцінювали за зміною дисперсного складу частинок d40 =2,5мм NaCl під час його оброблення у концентрованому розчині натрію хлориду.   Розподіли  частинок   фракції  твердої   фази  з   початковими розмірами

-3

d0=2,5'10- м у пристроях динамічного і статичного типів з часом змінювалися. Спостерігалось поступове зменшення їхніх розмірів (рис. 3).

f(d),2'

1

0,8 0,6 0,4 0,2

0

0

 

 

A

 

1

4

 

/ V

 

 

5

\

J \

2

 

\

 

 

3

 

 

f /

 

\

 

 

/

4

 

 

4 d,мм5

а)

f(d)

1,2

0,9 0,6 0,3 0

4

 

IX

2

 

 

5

 

 

_________

3

 

\

m

Щ

 

 

 

 

f))

 

L

 

 

б)

5 d,мм6

Рис. 3 - Густина розподілу твердої фази NaCl, початкових розмірів d0=2,5'10-3м (крива 1) за 80с обробки у концентрованому розчині NaCl а) динамічний пристрій: 2 - Re=2,5'105; 3 - Re=3'105; 4 -Re=4'105; 5 - Re=6'105; б) статичний пристрій: 2 - Re=0,5'105; 3 - Re=0,8'105; 4 - Re=1,5'105; 5 -Re=2,2'105

1

0

1

2

3

4

1

2

3

Порівняння зміни усереднених розмірів твердої фракції з часом, що визначали за

_ n

рівнянням d = ^ dtFmi підтверджує, що процес подрібнення інтенсивніше відбувається

у пристрої динамічного типу. За 80с оброблення у пристрої динамічного типу подрібнюється 53,6% фракції розмірами 2,5мм, а у пристрої статичного типу за той самий час подрібнюється лише 42% (це у 1,3 рази менше). Отже, інтенсивність гідромеханічного впливу кавітаційних ефектів у пристрої динамічного типу вища.

Аналогічні дослідження проведено з природнім гіпсом CaSO4-2H2O. За 60с оброблення, у пристрої динамічного типу, за умови о =1,6 подрібнюється 1% частинок

-3

найбільшої фракції (d0=2,5'10- м), а за 300с -13%; за умови о =0,95 - 15%, о =0,6 -21%, о =0,3 - 36%. Найбільший ефект подрібнення спостерігається за режимів, що характеризуються числами Рейнольдса Re>4-105 і значеннями числа кавітації 0,3<о <0,6.

Висновки. Гідродинамічна кавітація є одним із найперспективніших методів інтенсифікації технологічних процесів. Представлені в даній роботі результати досліджень показали, що ефективність кавітаційної обробки у всіх технологічних процесах залежить від гідродинамічних параметрів оброблення, тому режими роботи пристроїв необхідно обирати виходячи із вимог технології та енергетичних характеристик пристроїв.

Література:

1.     Матиящук А.М. Інтенсифікація процесів очищення дифузійного соку цукрового виробництва із застосуванням кавітації : автореф. дис. на здобуття наук. ступеняканд. техн. наук : спец. 05.18.12 "Процеси і апарати харчових виробництв" / А.М. Матиящук — К., 2000. — 32 с.

2. Немчин А.Ф. Суперкавитирующие аппараты: Обзорная информация / А.Ф. Немчин, Г.И. Сергеев, А.С. Мачинский. — М. : ЦНИИТЭИНефтехим, 1990. — Вып. 1. — 52 с.

3. Касиянчук В.Д. Разработка и исследование кавитационных агрегатов для диспергирования растительного сырья, деаэрации полуфабрикатов: автореф. дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук / В.Д. Касиянчук. - К. : КТИПП, 1988. -

- 23 с.

4. Козюк О.В. Взаимосвязь эрозионной и технологической активности гидродинамической кавитации / Козюк О.В., Некоз А.И. // Проблемы трения и изнашивания / Респ. межвед. науч.-техн. сб. — 1990. — Вып. 38. — С. 17—29.

5. Долинский А.А. Тепломассообмен и гидродинамика в парожидкостных дисперсных средах. Теплофизические основы дискретно-импульсного ввода энергии / Долинский А.А., Иваницкий Г.К. К. : "Наукова думка" - 2008. — 381с.

6. Перник, А.Л. Проблемы кавитации / А.Л. Перник. - Л.: Судостроение, 1966. -

439с.

7. Кнепп Р. Кавитация / Кнепп Р., Дейли Дж., Хэмлит Ф.; пер с англ. - М. : Мир,

1974. -- 687 с.

8. Мачинский А.С. Кавитационные аппараты: Обзорная информация / А.С. Мачинский, О.В. Козюк, Д.Н. Шишлов. М., ЦНИИТЭИНефтехим. — 1990. —

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Т М Вітенько - Дослідження впливу гідродинамічних характеристик на ефективність кавітаційної обробки

Т М Вітенько - Ресурсозберігаючі аспекти застосування кавітаційних пристроїв у технологічних процесах