ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2013
УДК 532.595.7
© 2013 г. Юшков Н.Б., Шмырков О.В., Кормилицын В.И.
ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В ПРОТОЧНОМ ВОЛНОВОМ ГЕНЕРАТОРЕ С МАСЛАМИ РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТИ
Работа посвящена совершенствованию генераторов плоского типа для получения тонкодисперсных и гомогенных эмульсий из конкретных несмешивающихся жидкостей. Приведены результаты экспериментального исследования по влиянию вязкости масла и поверхностных вихрегенераторов на формирование однородной тонкодисперсной водомасляной эмульсии в проточном волновом генераторе плоского типа. Приведены новые экспериментальные данные по созданию эмульсий на конкретных компонентах несмешивающихся сред.
Приготовление тонких, однородных, стабильных эмульсий и суспензий является актуальной проблемой, остро стоящей на сегодняшний день во множестве отраслей промышленности: нефтяного комплекса, теплоэнергетики, химической промышленности, машиностроения, агропромышленного комплекса, строительства, экологии и пищевой промышленности. Существующие методы либо не обеспечивают необходимой дисперсности получаемого продукта, либо отличаются высоким энергопотреблением при низкой производительности.
На сегодняшний день перспективными устройствами для получения тонкодисперсных однородных высокостабильных эмульсий признаны смесительные генераторы, реализующие кавитационные явления [1]. Важную роль в волновой технологии, базирующейся на возбуждении нелинейных колебаний в многофазных средах, играют гидродинамические генераторы проточного типа. Среди гидродинамических генераторов проточного типа особое место занимают волновые генераторы, в плоских профилированных каналах которых установлены тела обтекания различной геометрии. В этих генераторах для возбуждения мощных колебаний и волн в обрабатываемых средах используются вихревые, высокотурбулентные отрывные потоки, а также обширные области кавитации [2—4]. В таких генераторах колебания возбуждаются проходящим потоком, т.е. обрабатываемая среда служит одновременно и рабочей средой для генераторов.
Вопросы возникновения и развития кавитации в многофазных системах при наличии влияния на эти процессы волновых полей, уровни турбулентности и завихренности потока, а также геометрия тел обтекания, определяющая характер отрыва потока с поверхности этих тел отображены в ряде теоретических и экспериментальных работ [5—13]. Анализ этих материалов показал, что для построения реальных картин течения в проточном генераторе плоского типа с различными телами обтекания и разработки на этой основе более совершенных физико-математических моделей, приведенных в литературных источниках расчетных и экспериментальных данных, оказалось недостаточно.
Рис. 1
Ъд/О, % 100 г
90 80 70 60
20
60
Рис. 4
100
V, мм2
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 — емкость с жидкостью, 2 — вихревой насос, 3 — проточный генератор, 4 — расходомер, 5 — входной вентиль, 6 — вентиль, 7 — манометр Р0, 8 — манометр Рвых, 9 — выходной вентиль, 10 — дренаж, 11 — датчик температуры, 12 — емкость добавочного компонента
. 4. Графики зависимостей суммарных относительных количеств капель от вязкости масла для различных тел обтекания: 1 — один цилиндр с насечкой до 5 мкм; 2 — один цилиндр с насечкой до 3 мкм; 3 — три цилиндра с насечкой до 3 мкм [14]; 4 — три гладких цилиндра до 3 мкм [14]; 5 — один цилиндр с насечкой без кавитации до 3 мкм
Рис.
0
Настоящая статья является продолжением традиционных исследований, проводимых в Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН под руководством академика Р.Ф. Ганиева.
Методы и средства эксперимента. Исследования плоского генератора проточного типа с телами обтекания различной геометрии проводили на гидродинамическом стенде, входящем в состав экспериментальной базы Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН. Эта установка обеспечивает большие расходы рабочей жидкости (до 500 л/мин) при давлении на выходе насоса Р0 = 1,5 МПа и позволяет моделировать натурные параметры гидродинамических процессов, реализуемых на промышленных объектах теплоэнергетики. Принципиальная схема стенда приведена на рис. 1.
Объем каждой емкости составлял 200 л. Для поддержания постоянной температуры рабочей среды (25 ± 5°) в них предусмотрена система охлаждения с помощью радиатора и охлаждающей водопроводной воды. Слив потока жидкости в емкости осуществлялся по касательной к ее внутренней стенке. Предотвращение образования воронки и попадания воздуха в насос обеспечивалось специальным устройством, установленным в емкость. Основным его элементом являлся перфорированный лист. Уровень перфорации и угол установки его навстречу втекающей струе были подобраны таким образом, чтобы происходило активное перемешивание жидкости во всем объеме и не успевала всплывать на поверхность жидкости ее легкая фракция. Модель генератора представляла собой плоский профилированный канал высотой к = 8 мм с телами обтекания диаметрами 10 мм: цилиндр и цилиндр с насечкой (рис. 2).
На данном типе генератора были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных характеристик течения, с точки зрения получения максимального волнового эффекта от кавитационных явлений [14]. Было выявлено, что установка тел обтекания цилиндр с насечкой привело к усилению схлопывания кави-тационных пузырьков, повышению турбулентности потока и увеличению дисперсности получаемой эмульсии. В работе [15] приведены результаты математического моделирования при обтекании поверхностных турбулизаторов в виде лунок различной
Рис. 2. Принципиальная схема проточного канала: 1 — тела обтекания, 2 — вогнутые лунки на поверхности канала
формы, при которых теплоотдача увеличивается до 2,5 раз за счет существенного повышения турбулентности пограничного слоя и потока в целом. Данные факты были заложены в конструкцию модернизированного канала экспериментального волнового генератора. Для повышения турбулентности набегающего потока на стенку канала были нанесены конусообразные лунки длиной равной двум диаметрам. При этом расположили их под углом 45° к направлению движения жидкости. Данные форма и расположение согласно [15] создают максимальную турбулизацию потока.
Для изучения эффективности работы генератора при приготовлении тонкодисперсных эмульсий проводили опыты по смешиванию 5% масел различной вязкости с водой в присутствии эмульгатора в количестве 0,1%. В ходе эксперимента отбирали пробы получившейся эмульсии в течение 10, 15, 20 минут от начала подачи масла на вход генератора. Капли эмульсии из каждой пробы наносили на предметное стекло. Наблюдение за дисперсностью проводилось на микроскопе Zeiss Scope А.1 с видеокамерой. Использование данного микроскопа позволяло увидеть частицы размером 1 мкм. Обработку полученных фотографий производили в программе Dropcounter. По результатам эксперимента строили зависимости количественного и массового распределения частиц масла в полученных эмульсиях.
Результаты и их обсуждение. Исследования проводили на маслах в широком диапазоне изменения кинематической вязкости, приведенной в таблице.
Ранее было получено, что установка второго ряда тел обтекания мало меняет картину течения, а только создает дополнительное гидравлическое сопротивление. В ходе экспериментальной работы использовали канал с одним телом обтекания в виде цилиндра с насечкой и наличием лунок в начале канала.
Исследования показали, что наличие режима интенсивного схлопывания кавита-ционных пузырьков привело к дополнительному дроблению капель эмульсии, что видно на рис. 3, а. Получившаяся эмульсия при чисто турбулентном течении без кавитации содержит более крупные капли, что говорит о более плохом качестве получаемой смеси (рис. 3, б).
Анализ результатов смешения масел с различной вязкостью показал, что при смешении с водой высоковязкого индустриального масла И-50А в генераторе с лунками и одним телом обтекания — цилиндр с насечкой, 89% капель достигают размера меньше 3 мкм, а 96% до 5 мкм.
Характеристики используемых масел
Индустриальное масло И-50А Подсолнечное масло Турбинное масло ТП-22с (марка 2) Трансформатор -ное масло ГК
Кинематическая
вязкость при 40° 100 60 32 9
v, мм2/с
Рис. 3. Фотографии картин распределения частиц индустриального масла в воде при обработке с кавитацией (а) и без нее (б) в генераторе с лунками и телом обтекания — цилиндр с насечкой
Уменьшение вязкости масла приводит к незначительному увеличению размеров капель, что показано на рис. 4 зависимостями 1 и 2, соответственно. Там же показаны данные по суммарному относительному числу капель эмульсии до 3 мкм для генератора с гладким каналом и двумя рядами тел обтекания — три цилиндра с насечкой (3), три гладких цилиндра (4), что говорит о большей эффективности применения одиночного тела обтекания. При безкавитационном режиме течения с одним цилиндром с насечкой (5) эмульсия получается более плохого качества.
Выводы. Нанесения лунок на поверхность рабочего канала совместно с насечкой на поверхности тела обтекания существенно повышают качество получаемой эмульсии. При этом наибольшая эффективность смешения в плоском генераторе достигается при установке только одного ряда тел в виде одиночного цилиндра.
Увеличение вязкости добавочной компоненты и наличия кавитации при создании водомасляной эмульсии приводит к увеличению концентрации более мелких капель, значение которой достигает 88 и 96% для капель меньше 3 мкм и 5 мкм, соответственно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Промтов М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов // Вестник ТГТУ. 2008. Т. 14. № 4. С. 861—869.
2. Ганиев Р.Ф., Ганиев С.Р., Касилов В.П. и др. Волновые технологии в инновационном машиностроении. М.: НИЦ "РХД", 2010. 64 с.
3. Ганиев Р.Ф. Волновые машины и технологии (Введение в волновую технологию). М.— Ижевск: НИЦ "РХД", 2008. 192 с.
4. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. 668 с.
5. Рождественский В.В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. 248 с.
6. Козырев С.П. Гидроаб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.