К.ф.н. Красико А.Н. , Лосицкая Л.Г.

Национальный технический университет Украины «КПИ», физико-математический факультет, кафедра общей и экспериментальной физики.

ИЗУЧЕНИЕ КАВИТАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Химия и химические технологии/6.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий.

Введение

Проблема поиска новых источников энергии становится все более актуальной. Одним из направлений развития современной энергетики является разработка технологий и оборудования для производства экологически чистых биологических топлив и, в частности, так называемого, биодизеля. Биодизель имеет целый ряд преимуществ перед традиционным углеводородным топливом:, более высокие значения цитанового числа, «биологическая безвредность», незначительное количество выбросов СО₂ в атмосферу, малое содержание серы, высокую температуру воспламенения, а также хорошие смазочные характеристики, что влияет на увеличение срока службы двигателя и [1].

На сегодняшний день, в процессе производства биотоплива, с целью ускорения химической реакции, можно применить технологические решения основанные на явлении кавитации [2]. В частности, проведение процесса эмульгирования смеси растительных масел на основе использования кавитационных процессов.

В промышленном масштабе, наиболее приоритетным целями является большой объём и дешевизна получаемой смеси. Большой объём можно обеспечивать высокой скоростью перемешивания эмульсии. А низкая стоимость должна обеспечиваться малыми потреблениями энергии и низкой стоимостью оборудования. При создания эмульсии с помощью механических колебаний, можно использовать гидродинамические, пьезоэлектрические или магнитострикционные излучатели. Для этих целей целесообразно использовать гидродинамический излучатель [3].

С целью уменьшения энергетических затрат на создания эмульсии с помощью кавитации, рассматривается использование статическое давление, так как для его создания не требуется использование дополнительной энергии, а уровень кавитационного воздействия возрастает.

Кавитация

Процесс развития одиночной кавитационной полости проходит через три стадии.

На первой стадии происходит расширение кавитационной полости из начального парогазового зародыша (всегда находящихся в жидкости в большом количестве), обусловленное понижением давления (фаза растяжения) в жидкости при воздействии отрицательной фазы звукового давления. Этот процесс определяется разностью значений переменного звукового давления Р_зв(t) и постоянного статического давления Р_ст.

На второй стадии происходит процесс захлопывания образовавшейся кавитационной полости при воздействии положительной фазы звукового давления (фаза сжатия). Этот процесс определяется суммой значений переменного звукового давления и постоянного статического давления. В результате процесс захлопывания кавитационной полости происходит со скоростью движения стенки полости примерно 250 м/сек. При этом парогазовая смесь, всегда находящаяся внутри полости, сжимается при нормальных условиях до давления 3000 атм., а температура внутри кавитационной полости достигает значения 6000 град. Кельвина.

На третьей стадии начинается процесс вторичного расширения кавитационной полости за счет того, что парогазовая смесь, сжатая до нескольких тысяч атмосфер заставляет кавитационную полость стремительно расширяться со скоростью 250 м/сек. Эту стадию можно отождествить с точечным взрывом. На этой стадии влияние переменного звукового давления и постоянного статического давления можно не учитывать, так как указанные давления практически не влияют на процесс вторичного расширения кавитационной полости.

Статическое и звуковое давление переходит в кинетическую энергию, движущихся с большой скоростью к центру полости, близлежащих слоев жидкости. На последнем этапе второй стадии кинетическая энергия жидкости, переходит в потенциальную энергию парогазовой смеси, находящейся в кавитационной полости, при этом потенциальная энергия парогазовой смеси достигает максимальной величины. На третьей стадии при вторичном расширении кавитационной полости энергия сжатого газа и пара отдается обратно в жидкость.

Таким образом получается, что если только рассматривать вторую стадию развития кавитационной полости, то чем выше статическое давление, тем это лучше для повышения кавитационного воздействия. Однако если обратиться к рассмотрению первой стадии развития полости то получается, что тем выше статическое давление, тем меньше разность значений переменного звукового давления и постоянного статического давления. А при статическом давлении равном звуковому упомянутая разность давлений вообще равна нулю и парогазовый кавитационный зародыш расширяться не будет, и явление кавитации будет отсутствовать.

Проведенными исследованиями было установлено, что существует некоторое критическое значение статического давления, ниже которого с повышением статического давления эффективность кавитации растет, а выше которого падает. Это критическое значение достигается тогда, когда величина статического давления достигнет значения 40% от величины амплитуды звукового давления.

Величина амплитуды звукового давления в жидкости прямо пропорционально амплитуде колебаний торца излучателя:

где

- амплитуда звукового давления;

- плотность жидкости ;

- скорость звука в жидкости;

- циклическая частота колебаний;

- амплитуда колебаний излучателя.

Для воды при частоте колебаний излучателя 20 кГц величина звукового давления при измерении амплитуды колебаний излучателя в микронах (мкм) равна Pзв= 1.8A атм., а оптимальная величина статического давления, при которой кавитационное воздействие максимально будет составлять Pст= 0.72A атм [3].

Для жидкостей с иным по сравнению с водой акустическим сопротивлением () оптимальная величина статического давления будет равна

где - акустическое сопротивление для воды.

Гидродинамический излучатель

Работа гидродинамического излучателя основана на генерировании возмущений в жидкой среде в виде некоторого поля скоростей и давлений при взаимодействии вытекающей из сопла струи с препятствием определенной формы и размеров, либо при принудительном периодическом прерывании струи. Эти возмущения оказывают обратное действие на основание струи у сопла, способствуя установлению автоколебательного режима.

Для повышения статичного давления целесообразно использовать оболочку, и при этом размер сопла и выходного отверстия должен быть таким, что бы создавать нужное давление.

Рис. 1. Гидродинамический излучатель в оболочке.

Основные конструктивные элементы такой излучающей системы - соосные сопло 1 и отражатель 2 с лункой на торце (рис. 1). После натекания на лунку струя разворачивается, формируя осесимметричную струю-оболочку, которую можно считать жестко защемленной на торце отражателя и свободно опирающейся на торец сопла. При натекании на наружную кромку сопла наблюдается раздвоение струи-оболочки: часть потока жидкости уходит в окружающее пространство, а часть за счет эффекта Бернулли отклоняется к оси, образуя вихрь 3, имеющий тороидальную форму. Оболочка имеет специфическую форму при которой создается второй вихрь тороидальной формы 3. Внутри вихря создается развитая кавитационная область. По мере увеличения концентрации кавитационных пузырьков в зоне 3 растет давление, деформирующее свободный край упругой струи-оболочки. Синфазное схлопывание кавитационных пузырьков порождает акустические волны высокой интенсивности. В качестве нагнетающей системы может быть выбран - насос, обеспечивающий необходимые для работы расход и скорость истечения жидкости [4].

Выводы

1. При использовании рабочей жидкости с акустическим сопротивлением выше воды максимум кавитационного воздействия будет при более высоких значениях статического давления.

2. Использование оболочки в гидродинамическом излучателе увеличивает кавитационное воздействие.

Литература

1. Луговской А. Ф. Мовчанюк А. В. Пыжиков Ю. А. Назарова О. И. Ультразвуковой фильтр для технологии производства биотоплива //Вібрації в техніці та технологіях . – № 1 (61). – 2011. – С.139-145

2. Луговской А.Ф. Ультразвуковая кавитация в современных технологиях / А. Ф. Луговской, Н. В. Чухраев. - К. : ВПЦ «Київ. унт», 2007. - 244 с. 6

3. Пешков А.В. Выбор оптимального источника механических колебаний при создании эмульсии // Конференція молодих вчених «Електроніка-2013» - С.115 – 117.

4. Ф.А.Бронин. Ультразвуковой реактор устройство и принцип работы [Электронный ресурс]: компания ООО "ТНЦ Техносоник" 2010-2014г. – Режим доступа: http://www.b6404.narod.ru/pr.html

5. Дудзинский Ю. М., Маничева Н. В., Назаренко О. А. Оптимизация параметров широко-полосного акустического излучателя в условиях избыточных статических давлений // Акуст. вiсн.– 2001.– 4, N 2.– С. 38–46.