ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 1, с. 94-99
УДК 532.528;534.8
ГРАНИЦЫ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АППАРАТОВ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ КАВИТАЦИИ © 2015 г. В. Ф. Юдаев
Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского
roden_67@mail.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.
Рассмотрена кавитация в камере роторных аппаратов с модуляцией потока. Предложено определение границ докавитационного и кавитационного, кавитационного и суперкавитационного режимов работы аппарата с возбуждением импульсной кавитации как основного фактора интенсификации технологических процессов. Приведены экспериментальные зависимости: критического значения числа кавитации от избыточного давления жидкости в камере роторного аппарата при его увеличении и уменьшении, что позволило обнаружить незначительный гистерезис критического значения числа кавитации; амплитуды первого кавитационного импульса давления от величины обобщенного числа кавитации при различных скоростях перекрывания модулятора роторного аппарата и температурах воды (до 99°С) при ее течении через одно отверстие статора; давления интегрального кавитационного шума от избыточного давления жидкости в камере до 2 МПа модифицированного роторного аппарата при постоянных объемных расходах жидкости через аппарат до 27 м3/ч.
Ключевые слова: докавитационный, кавитационный, суперкавитационный, режим, роторные аппараты, интенсификация, импульсное возбуждение, кавитационный эффект, мера возбуждения, критическое число кавитации, интегральный кавитационный шум.
Б01: 10.7868/8004035711406013Х
ВВЕДЕНИЕ
При нестационарном подводе энергии в обрабатываемую среду наблюдается интенсификация процессов химической технологии. Теоретическое обоснование этого явления было предпринято в работах [1—3]. В [1] исследована кинетика растворения пузырей углекислого газа в воде под воздействием ультразвука и без него. Было установлено, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при возбуждении мощного ультразвука во много раз превышает значение, которое вычислено по модели нестационарной диффузии в отсутствие конвекции. Такое же явление наблюдалось и в экспериментальных исследованиях абсорбции углекислого газа водой в роторном аппарате с модуляцией потока, когда одновременно на его входе в полость ротора подавались по двум патрубкам с регулируемой подачей вода и газ [4]. В работе [2] источником импульсной энергии являлся СВЧ-генератор для оптимизации интенсификации процесса экстрагирования. На основании теории и экспериментов определены амплитуда, период, скважность импульсов СВЧ-излучения в зависимости от формы и размера частиц. В [3] на основе экспериментального факта существования пороговой интенсивности пульсации физического воздействия, при котором интенсивность
технологического процесса начинает заметно увеличиваться, предложено теоретическое обоснование импульсного воздействия на технологический процесс. Количественной мерой воздействия является плотность мощности вводимой энергии в обрабатываемую среду. К этому же выводу пришел автор [5], который теоретически разработал новый взгляд на процессы переноса массы, импульса и энергии в сильнонеравновесных условиях турбулентного течения, когда нарушается традиционное допущение неравновесной термодинамики — условие локального равновесия, в котором рассматриваются усредненные пульсирующие параметры течения. Полученные результаты [5] наилучшим образом согласуются с известными экспериментами. В данной работе кавитация в жидкости возбуждается при растягивающих напряжениях, превышающих некоторое минимальное значение, так называемый порог кавитации [6], который определяется экспериментально и зависит не только от объективных факторов, но и от методов определения начала кавитационных эффектов. При возрастании меры возбуждения наступают кавитационные эффекты или они прекращаются в кавитирующей жидкости при ее уменьшении. Как правило, в первом случае порог кавитации больше, чем во
втором, т.е. при возникновении и при исчезновении кавитации имеет место явление гистерезиса критического числа кавитации.
Целью работы является исследование явления кавитации в роторных аппаратах с модуляцией потока в широких диапазонах изменения параметров, влияющих на периодические переходные гидромеханические процессы в модуляторе аппарата [7] и интенсификацию процессов химических производств.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Цель, для достижения которой возбуждается или подавляется кавитация, определяет и метод наблюдения кавитации. В экспериментах в качестве меры кавитационного эффекта используют различные параметры: скорость технологического процесса (эмульгирование, диспергирование, перенос субстанции), сонолюминесценция [6], интегральный кавитационный шум, его спектральные составляющие, появление субгармоники, амплитуда кавитационных импульсов давления при импульсном возбуждении кавитации; интенсивность проходящего через кавитацион-ную область или рассеиваемого ею света и др.
Параметр, значение которого определяет возбуждение или отсутствие кавитации, назовем мерой возбуждения кавитации. Разные исследователи в зависимости от решаемой задачи принимали в качестве параметра возбуждения скорость или квадрат скорости при гидродинамической кавитации; амплитуду смещения, скорости или ускорения стенки твердого излучателя в жидкость (например, электро- или магнитострикционно-го); полную потребляемую мощность излучателя; интенсивность или плотность энергии акустических волн.
В роторных аппаратах с модуляцией площади проходного сечения потока обрабатываемой среды [7] возбуждаются одновременно два типа импульсной кавитации: акустическая кавитация, которая зависит от длительности и формы (амплитуды, крутизны переднего и заднего фронта) отрицательного импульса давления жидкости р(0, излучаемого отверстием на внешней стороне статора в облучаемую камеру аппарата, где статическое давление рс = рх регулируется вентилем, который установлен в выходном патрубке из ротора, и гидродинамическая кавитация, которая возникает в модуляторе аппарата [7] так же, как импульсная [8], так как площадь проходного сечения модулятора за период модуляции (меньше 1 мс) изменяется в больших интервалах (^Щп/^Шж > > 0.025). Экспериментально они обнаруживались по осциллограммам кавитационных импульсов давления [9]. Кавитационные импульсы давления гидродинамической кавитации расположены на осциллограмме правее возбуждающего отрица-
тельного импульса давления, излучаемого модулятором. Амплитуды импульсов давления акустической кавитации расположены значительно правее импульса гидродинамической кавитации. При каждом перекрывании модулятора аппарата возникает, как правило, один кавитационный импульс гидродинамической кавитации небольшой амплитуды по сравнению с несколькими уменьшающимися амплитудами кавитационных импульсов давления при возбуждении акустической импульсной кавитации, причем период изменения кавитационных импульсов давления уменьшался с уменьшением амплитуды давления последующих импульсов. Поэтому в [7] предложено в качестве меры возбуждения принять значение обратной величины обобщенного критерия кавитации х-1. Причем если акустическая кавитация возбуждается одновременно с гидродинамической, то, как показывают теория [7] и эксперимент [10], обратная величина обобщенного критерия кавитации равна сумме обратных величин критериев гидродинамической Хьу и акустической ха кавитации:
-1 -1 , -1
X =Хиа +Ха . (1)
где
Хиё =
= 2[ + 2ст/До,стРVСО]/р[(шДя)2 + (й/^)2], (2)
Xм = 2 [р„ + 2а/^ - pvТ)]/|Рт. (3)
Зависимость кавитационного эффекта Е от меры возбуждения кавитации М = х-1 имеет вид кривой с максимумом, которую впервые экспериментально наблюдал Непайрас [11] при акустическом возбуждении кавитации твердотельным стрикционным излучателем. Авторы [12] при очень малых значениях числа акустической кавитации обнаружили суперкавитационный режим работы аппарата с магнитострикционным излучателем, снабженным трансформатором скорости. Переход в суперкавитационный режим они назвали вторым порогом кавитации, когда волновое сопротивление кавитационной области становится незначительными (меньше волнового сопротивления газа (воздуха [12])).
Зависимости интенсивности кавитационного шума, эрозии цилиндра, помещенного в трубу Вентури [13], уменьшение веса образца в гидродинамической трубе [6] от статического давления в жидкости также имеют экстремальный характер. В последнем случае при увеличении давления перед рабочей частью образца скорость его разрушения достигает максимума, а затем падает с ростом давления в зоне кавитации.
В работе [7] на основе решения уравнения динамики пузыря в газожидкостной смеси с пульсирующей объемной концентрацией свободного газа впервые теоретически получена кривая с мак-
Е
Мор М2
Рис. 1. Типичная зависимость кавитационного эффекта Е от меры возбуждения М. Отмечены области докавитационного (I), кавитационного (II) и супер-кавитационного (III) режимов работы аппарата.
симумом амплитуды кавитационного импульса давления в зависимости от логарифма критерия кавитации х.
Таким образом, во всех известных случаях кривая Е(М) (рис. 1) позволяет определить не только границу докавитационного и кавитационного режимов работы аппарата, но и технологический порог кавитации, т.е. такие значения М, при которых начинается или заканчивается заметное усиление наблюдаемого эффекта или интенсификация технологического процесса при работе аппарата в кавитационном режиме. Например, критические значения меры возбуждения и, соответственно, область рекомендуемых значений М (М1 < М < М2) логично определять по точкам перегиба графика Е(М), где d 2E/dM2 = 0. Очевидно, что при оптимальной величине критерия кавитации Мор1 значение кавитационного эффекта Е максимально.
В зависимости от наблюдаемого кавитационно-го эффекта и инструментального метода его наблюдения характерные точки кривой могут соответствовать разным значениям меры возбуждения кавитации, т.е. область рекомендуемых значений М может быть уже или шире, например, при больших давлениях в камере и объемных расходах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАС
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.