CC BY
155
УДК 625.26:532.528
Ю. А. ЖУЛАЙ, А. С. ВОРОШИЛОВ (Институт транспортных систем и технологий НАН Украины «Трансмаг»)
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАВИТАЦИЯ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Наведено приклади використання гiдродинамiчноl кавггацп в промислових технологiчних процесах, що дозволяе значно знизити питомi енергетичш витрати. Для автоматизовано! установки очищення вiзкiв ваго-нiв наведено результати визначення енерги удару рiдини, що впливае на очищення поверхонь, стацюнарно-го й пульсуючого струменiв. Показано, що використання пульсуючих струменiв тдвищено! руйшвно! здат-ностi, отриманих за кавитацшним генератором, може в кшька разiв пiдвищити ефективнiсть установки.
Приведены примеры использования гидродинамической кавитации в промышленных технологических процессах, что позволяет значительно снизить удельные энергетические затраты. Для автоматизированной установки очистки тележек вагонов представлены результаты определения энергии удара жидкости, воздействующей на очищаемую поверхность, стационарной и пульсирующей струй. Показано, что использование пульсирующих струй повышенной разрушительной способности, полученных за кавитационным генератором, может в несколько раз повысить эффективность установки.
Applications of hydrodynamic cavitation in industrial engineering processes which enables to attain a considerable decrease in specific loss of power are exemplified. The results of finding the power of the liquid impact action upon the surface being cleaned by steady-state and pulsating jets for an automated unit are represented. It has been shown that the use of pulsating jets of increased destructive power obtained from a cavitation generator is capable of increasing the unit efficiency several times as compared with traditional methods.
Постановка проблемы и ее связь с научно-техническими задачами
Повышение энергоэффективности любого предприятия является одной из важных задач его производственно-хозяйственной деятельности. Особенно остро эта проблема встала перед руководителями хозяйствующего субъекта в условиях роста цен на энергоносители и приближения их к мировым. В связи с этим реализация энергосберегающих технологий в производстве, в том числе и на железнодорожном транспорте, является актуальной задачей.
Для снижения потребления энергоресурсов и планирования внедрения энергосберегающих технологий каждое предприятие должно располагать средствами для их реализации и информацией об:
- основных потерях энергии и их причинах;
- энергоэффективных технологиях и оборудовании;
- сроках окупаемости и технико-экономическом обосновании конкретных энергосберегающих мероприятий.
Анализ последних исследований и публикаций по использованию гидродинамической кавитации в промышленных технологиях
В работе [1] описаны примеры практического использования гидродинамической кавитации для получения позитивных результатов по интенсификации различных технологических процессов:
- в металлургии - для удаления вторичной окалины пульсирующими струями повышенной разрушительной способности при горячей прокатке колес железнодорожных вагонов;
- в химической промышленности - для эмульгирования жидкостей и диспергирования с использованием режимов периодически-срывной кавитации в потоке суспензии;
- в горнодобывающей отрасли - для интенсификации процессов бурения наложением вибронагрузки на породоразрушающий инструмент.
В качестве примера в табл. 1 приведены технические характеристики кавитационной установки и традиционных технологических процессов производства водоэмульсионных красок (бисерные и шаровые мельницы). Из этих данных видно, что использование гидродинамической кавитации позволило снизить удельные энергозатраты в 10 и 20 раз по сравнению с шаровыми и бисерными мельницами (соответственно).
Решение этих задач связано с получением дискретно-импульсной энергии большой мощности в потоке жидкости при помощи кавита-ционного генератора [2], создающего высокоамплитудные колебания в диапазоне звуковых частот. Генератор преобразует стационарное течение жидкости в пульсирующее. Оно достигается только за счет соответствующей геометрии специального гидравлического канала, а не за счет использования каких-либо движущихся частей или дополнительных источников энергии.
Таблица 1
Технические характеристики кавитационной установки и традиционного оборудования для технологических процессов производства водоэмульсионных красок
Показатели Кавитационная установка Бисерные мельницы Шаровые мельницы
1. Стоимость бисера за 1 т, руб. - 870,000 -
2. Стоимость бисера в год, руб. - 19140,000 -
3. Расход бисера в год, т - 22,000 -
4. Стоимость шаров за 1 т, руб. - - 594,40
5. Стоимость шаров в год, руб. - - 7250,00
6. Расход шаров в год, т - - 12,20
7. Годовой объем производства краски, т 167200,0 22050,000 15750,00
8. Стоимость оборудования, руб. 4500,0 173042,000 38760,00
9. Производительность оборудования, т/ч 24,0 3,815 2,49
10. Энергоемкость оборудования, кВт-ч/т 2,5 56,800 24,80
Гидравлический канал представляет собой трубку Вентури специальной геометрии [2], в которой при определенном диапазоне соотношений давления на выходе Р2 к давлению на входе Р1 (равном « 0,01...0,8) реализуется периодически срывное кавитационное течение. При этом наблюдается периодический рост оседлой кавитационной каверны в критической и диффузорной части трубки Вентури до определенных максимальных размеров, затем ее отрыв и схлопывание в зоне повышенного давления в диффузоре, либо в трубопроводе за генератором. Отличительной особенностью такого течения является стабильность частоты отрыва каверн большого объема и их схлопыва-ние в потоке, а не на стенке канала.
Исследованию условий повышения эффективности генерации высокоамплитудных кави-тационных автоколебаний давления жидкости посвящен ряд работ [3-7], выполненных в Институте технической механики НАН Украины, в которых установлено, что для обеспечения больших амплитуд колебаний давления жидкости в трубопроводе за кавитационным генератором, выполненном в виде трубки Вентури, необходимо чтобы угол раскрытия диффузора составлял 20 и более градусов, и отношение диаметра выходного сечения диффузора Б к диаметру критического сечения критики dкр равнялось «4. В этом случае максимальные значения импульсов давления жидкости за генератором превышают среднее значение давления на входе в него в « 1,5.. .3 раза.
В работе [8] рассмотрен пример использования гидродинамической кавитации в технологическом процессе очистки морских судов от обрастаний (характерный линейный размер 2040 см), состоящих из отложения солей, водорослей и ракушек, старой краски и ржавчины. В этом случае на используемой стандартной гидравлической установке <^ОМА-АТиМАТ» в гидропистолет был вмонтирован кавитацион-ный генератор колебаний жидкости. В результате проведения натурных испытаний были сделаны выводы: при одном и том же давлении на входе в гидропистолет и том же подпорном сопле очистка поверхности пульсирующей струей имеет большую (2.3 раза) производительность, чем стационарной струей.
Пульсирующая струя (рис. 1) имеет больший диаметр и распыл, чем стационарная, ее ядро сохраняется на расстоянии от подпорного сопла до 5 м (для стационарной - два метра). Это говорит о том, что энергия порций жидкости, вылетающей из сопла, и всей пульсирующей струи, больше чем стационарной струи. Кроме того, больший распыл струи означает больший захват обрабатываемой поверхности, а следовательно, производительность очистки выше.
Рис. 1. Фрагмент киносъемки пульсирующего потока жидкости
В работах [8; 9] предложено использовать гидродинамическую кавитацию для очистки поверхностей бандажей колес и рельс железнодорожного транспорта от загрязнений с целью улучшения их сцепления. Схема такого способа очистки приведена в работе [9].
Несмотря на некоторую «экзотичность» предложенного технического решения, особенно с использованием этого устройства в зимний период, на взгляд авторов, его применение значительно понизило бы затраты на операции, связанные с заготовкой, сортировкой, подготовкой и подачей песка на электровозы. В то же время, использование песка современным подвижным составом приводит к повышению сопротивляемости движения, засорению балластного слоя, а также к возможной потере контакта колес локомотива с рельсами, что чрезвычайно опасно.
Технологии, основанные на использовании пульсирующих струй жидкости повышенной разрушительной способности, могут применяться для очистки конструктивных элементов вагонов и локомотивов, их колесных пар, рам тележек, корпусов букс, наружных и внутренних поверхностей котлов цистерн и т. д. от отложений, загрязнений, старой краски и ржавчины при плановом ремонте и модернизации.
Устройства для создания таких струй просты в изготовлении и эксплуатации и имеют срок службы от 2000 до 5000 часов. Они могут быть созданы путем доработки существующих гидроустановок, поскольку не имеют подвижных частей и не требуют дополнительных источников энергии.
В связи с вышеизложенным несомненный интерес представляет определение сравнительных оценочных характеристик стационарных и импульсных струй и их удельных энергетических характеристик (энергия импульса) при проведении работ по очистке различных поверхностей железнодорожных вагонов и локомотивов при выполнении ремонтных работ и модернизации.
Сравнительная оценка энергетических характеристик стационарной и пульсирующей струй. Для определения и сравнительного анализа энергетических характеристик стационарных и пульсирующих струй в качестве объекта исследования использовалась автоматизированная установка производства станкостроительного завода «В. ХЕГЕНШЕЙДТ КГ» (Германия) для очистки тележек вагонов (рис. 2) со следующими техническими характеристиками:
- ширина тележки - макс. 3 150 мм;
- высота тележки - макс. 1 100 мм;
- длина тележки - любая;
- давление воды - около 4,0 МПа;
- производительность насоса высокого давления - около 30 м3/ч;
- мощность приводного двигателя насоса -около 55 кВт;
- производительность установки (при длине тележки в 5 м) около 25 тележек за 8 часов;
- общий вес установки - около 8 500 кг.
Установка очищает железнодорожные тележки с колесными парами и без них, с полным проходом очищаемых тележек. Тележки очищаются холодной (в случае необходимости подогретой водой) без химических добавок от пыли, масла и поврежденной краски.
Рис. 2. Установка для очистки тележек:
1 - кабина; 2 - трубчатая рама; 3 - вращающаяся головка со струйными соплами; 4 - транспортная цепь;
5 - рельсовый путь
Установка состоит из кабины 1, обшитой оцинкованным металлом, с эластичными прозрачными воротами, изготовленными из прочной на истирание пластмассы. Обмывочная камера, находящаяся в середине кабины, снабжена жестко смонтированной трубчатой рамой 2, через которую вода подводится к вращающимся головкам со струйными соплами 3. Головки со струйными соплами приводятся в действие смонтированными вне кабины электродвигателями посредством необслуживаемой цепной передачи. Насосный агрегат, подающий воду к струйным соплам, расположен вне кабины и может питаться как от системы водоснабжения, так и от очистительной установки оборотного водоснабжения. Тележки передвигаются как вперед, так и назад с помощью транспортной цепи 4, находящейся посредине рельсов 5.
Доработку установки для создания пульсирующих струй повышенной разрушительной способности, можно осуществить путем установки кавитационного генератора колебаний жидкости на входе в трубчатую раму.
Исходными данными для расчета генератора является давление подачи воды р = 4,0 МПа и расход Q = 30 м3/ч.
Площадь критического сечения кавитаци-онного генератора определяется по формуле
К =
А кр
а
^2Яу(( -Рк)
(1)
где Gг - секундный весовой расход жидкости (равный 8,33 кг/с); Цг - коэффициент расхода генератора (принимается равным 0,96); я = 981 см/с2 - ускорение свободного падения; у = 0,001 кг/см3 - удельный вес воды; Рк - давление в ка-витационной каверне принимается равным давлению насыщенных паров воды - 0,0024 МПа.
Площадь проходного сечения генератора, определенная по формуле (1), составляет 0,97 см2, а диаметр критического сечения ёкр = 11,0 мм.
Остальные геометрические параметры генератора выбираются в соответствии с [2] и приведены на рис. 3.
1
3
Рис. 3. Кавитационный генератор:
1 - входной трубопровод; 2 - генератор р = 11 мм;
Р = 20° ; В = 4^кр ; £ = 0,6.. ; 3 - выходной трубопровод
На рис. 4 приведены расчетные зависимости [1] ожидаемых размахов и частоты колебаний жидкости, создаваемых генератором, который предлагается установить при доработке установки для очистки тележек.
/ Гц ДР2 , МПа 1200
800
200
120 100 80 60 40 20 0
/
I /
и
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Р2/Р1
Рис. 4. Расчетные зависимости ожидаемых размаха и частоты колебаний жидкости на выходе из генератора:
(-) - ДР2; (----) - /
Из представленных результатов видно, что при правильном подборе суммарной проходной площади сопел, обеспечивающих значения подпора в диапазоне Р2 =(0,15.0,25)Р1, давление на выходе из сопел в импульсе в среднем превышает давление, создаваемое насосом, в 2,5.2,7 раза.
Формулу, связывающую параметры генератора колебаний и коллектора с соплами, можно получить, приравняв расходы через генератор колебаний и через все сопла [10].
Расход через генератор колебаний равен
= Цг-М2 Я •УДРг,
(2)
где ДРг - перепад давления на генераторе колебаний.
Суммарный расход через сопла коллектора
^Еф = п • = п•Цф • Рф42 я-у-Дрф, (3)
где п - количество сопел в коллекторе; Цф, Кф -
коэффициент расхода и площадь проходного сечения сопла; ДРф - перепад давления на сопле.
Приравнивая (2) и (3), получили
Цг • Ккр •4ДРг = п•Цф • РфТДрф. (4)
Принимая во внимание, что
ДРг = Р - Рк , ДРф = Р2 - Ра ,
где Ра - атмосферное давление.
С учетом того, что Рк ^ Р0) и Ра ^ Р0) приближенно можно записать, что
ДРг - Р1, ДРф - Р2 - Р0 Т ,
Р2
где т = —-— параметр кавитации. Р1
С учетом сделанных допущений выражение (4) приводится к виду
Цг ркр лЩ> = пЦф ,
Цг Ркр = пЦф
или
пКф
Цг
к
кр
Цф^
(5)
Выражение (5) весьма полезно для анализа системы «генератор-коллектор», сравнения расчетных и экспериментальных данных и т. п.
0
В табл. 2 приведены характеристики источника энергии и технологические характеристики: для стационарной струи - определенные по параметрам установки для очистки тележек; для пульсирующей струи - рассчитанные по формулам (1) и (6). Скорость истечения пульсирующей струи определялась по среднеинтегральному значению пульсации давления, а энергия удара за время действия импульса, А? = 1/3 Т (который определялся экспериментально и для т = 0,2 составлял « 1/3 периода колебания).
Таблица 2
Сравнительные оценочные характеристики стационарной и пульсирующей струй жидкости
установки для очистки тележек вагонов
Показатели Стационарная струя Пульсирующая струя
Характеристики источника энергии
давление подачи 4,0 МПа 4,0 МПа
производительность насоса 30 м3/ч 30 м3/ч
мощность приводного двигателя 55 кВт 55 кВт
Технологические характеристики
критическое сечение генератора - 1110-3 м
максимальное давление в трубопровод- 4,0 МПа 10,8 МПа (в импульсе)
ном коллекторе
проходное сечение сопла 0,122■Ю-4 м 0,191 ■ 10-4 м
длительность импульса - 8,3 ■Ю-4 с
расход через сопло 0,694 кг/с 1,26 кг/с
скорость струи 56,9 м/с 66,0 м/с
энергия удара 1,86 Дж 4,56 Дж
Из выражения (5) проходная площадь одного сопла трубчатого коллектора определяется как
Рф = • ^ . (6)
■Цф л/т
Коэффициенты расхода генератора и сопел желательно определять проливками экспериментальных образцов, и по данным про-ливок уточняются проходные сечения генератора и сопел.
Основным параметром воздействия жидкости на очищаемую поверхность является энергия удара. Для пульсирующей струи энергия удара составляет 4,56 Дж, а для стационарной -1,86 Дж, т. е. энергия удара пульсирующей струи в 2,5 раза выше, чем энергия удара при стационарном истечении жидкости.
В работе [8] указывалось, что очистка поверхности пульсирующими струями повышенной разрушительной способности имеют большую производительность при одних и тех же характеристиках источника энергии. Также установлено, что ядро пульсирующей струи сохраняется на расстоянии в « 2,5 раза большем по сравнению со стационарной струей. Следует также отметить, что воздействие импульсной нагрузки приводит к уменьшению внутреннего трения и росту скорости деформации разрушаемого слоя, а следовательно, и к росту темпов очистки при прочих равных условиях.
Таким образом, использование генератора кавитационных колебаний понизит удельные энергозатраты в 2,5 и более раз за счет комплексного воздействия: увеличения энергии импульса, скорости деформации и уменьшения внутреннего трения при циклическом нагруже-нии разрушаемого слоя.
Выводы
Приведенные доводы обосновывают целесообразность и перспективность использования гидродинамической кавитации в технологических процессах по чистке различных поверхностей при ремонте и модернизации элементов подвижного состава железной дороги.
Показано, что применение пульсирующих струй повышенной разрушительной способности позволит снизить удельные энергозатраты в 2,5 и более раз за счет комплексного воздействия -увеличения энергии импульса и уменьшению
сопротивляемости разрушаемого слоя при циклическом нагружении с высокими частотами.
Устройства для создания таких струй просты в изготовлении и эксплуатации. Они могут быть созданы путем простой доработки существующих гидроустановок, поскольку не имеют подвижных частей и не требуют дополнительных источников энергии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pilipenko V. V. Cavitation self-oscillations intensify technological processes / V. V. Pilipenko, I. K. Man'ko, V. A. Zadontsev // Proceedings of a Fluid Dynamics Panel Workshop. - K. : Ukraine. Report 827, 1998, - P. 32 (1)-32 (4).
2. А. с. 1232299 (СССР) «Генератор колебаний давления жидкости». Пилипенко В. В., Задон-цев В. А., Манько И. К., Жулай Ю. А. и Дзоз Н. А. Зарегистрировано 22.01.1986 г.
3. Пилипенко В. В. Исследование высокочастотных кавитационных автоколебаний в гидравлической системе с трубкой Вентури / В. В. Пили-пенко, В. А. Задонцев, И. К. Манько и др. // Ка-витационные автоколебания в насосных системах, ч. 2. - К.: Наук. думка, 1976. - С. 103-113.
4. Манько И. К. Визуальные исследования кавита-ционных автоколебаний в гидравлической системе с прозрачной трубкой Вентури // Кавитаци-онные автоколебания в насосных системах. ч. 2. -К.: Наук. думка, 1976. - С. 113-118.
5. Манько И. К. Влияние угла диффузора трубки Вентури на частоту и уровень максимальных значений давления высокочастотных кавитационных автоколебаний // Кавитационные автоколебания и динамика гидравлических систем. - К.: Наук. думка. 1977. - С. 34-38.
6. Бурылов С. В. Условия повышения эффективности генерации высокоамплитудных кавитацион-ных автоколебаний давления жидкости / С. В. Бурылов, Ю. А. Жулай // Зимняя школа по механике сплошных сред: Тез. докладов. - Пермь. 2003. - № 13. - С. 63.
7. Жулай Ю. А. Некоторые результаты исследований тонкой пульсирующей струи / Ю. А. Жулай, И. К. Манько, Л. И. Уварова // Кавитационные колебания и динамика двухфазных систем: Сб. науч. тр. - К.: Наук. думка, 1985. - С. 97-102.
8. Ю. А. Жулай. Возможность очистки путевой структуры пульсирующими кавитирующими струями воды при движении подвижного состава / Ю. А. Жулай, Н. А. Дзоз, В. А. Задонцев, и др. // Вестник Днепропетр. нац. ун-та ж.-д. трансп. им. акад. В. Лазаряна. - Д., 2005. - Вып. 8. - С. 151-155.
9. Жулай Ю. А. Об использовании гидродинамической кавитации в технологических процессах / Ю. А. Жулай, В. А. Задонцев, Ю. В. Демин // Залiзничний транспорт Украши, - 2005. - № 3. (50), - С. 44-48.
10. Пилипенко В. В. Кавитационные автоколебания. - К.: Наук. думка, 1989. - 316 с.
Поступила в редколлегию 20.06.2006.
