CC BY
4
V^W^VWW^V ТРГНЫП1 CifllFS МЛГШМРЯ AND FflIIIPMFNT WWW^^WW WVW^^WWV^^ FnR TUP ЛППП.1МПИЯТ1ИЛ I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
Научная статья
УДК 631: 532. 528.2
DOI: 10.24412/2227-9407-2023-12-20-35
Оценка влияния присутствия воздуха в рабочей жидкости на эффективность использования кавитатора
Евгений Геннадьевич Иванов1^, Игорь Леонидович Воротников2, Александр Валентинович Пасин3, Александр Валерьевич Седов4, Максим Викторович Ошурков5
1,2, з, 4,5Нижегородский государственный агротехнологический университет, г. Нижний Новгород, Россия
1 ¡уапоу.е^@таИги^
2 уогоМкоу.\@птаа. ги, https://orcid. org/0000-0001 -8444-0115
3 pasin_av@mail. ги
4 с. с. с.р. sedov@yandex. ги
5 т. oshигkov@nnsaa. ги
Аннотация
Введение. При модернизации технологических процессов в сельскохозяйственном производстве чаще и чаще используют периодическую кавитацию - кавитационные гомогенизаторы для обработки молока, устройства для предпосевной обработки семян, дезинфекции воды, приготовление искусственного молочка из зерна для отьёмышей, для изготовления пищевых продуктов: пива, высоковитаминизированного хлеба, кормов сельскохозяйственным животным. Кавитационная обработка жидких сред состоит в том, что вначале происходит накачка упругой энергии жидкостным свистком путём создания в жидкости звукового поля. В вакуумметри-ческую фазу волны жидкость разрывается на зародышах с образованием пустот. В манометрическую фазу происходит концентрация энергии за счёт их мгновенного коллапса. Однако в реальной рабочей жидкости присутствует воздух, растворённая часть которого за счёт диффузии внутрь каверны снижает эффективность коллапса. Свободный воздух образует пузырьковую пелену, что препятствует прохождению акустических волн через жидкость, уменьшает размеры кавитационных областей. Необходимо: 1 ) выявить причины и места образования газовой компоненты; 2) выработать мероприятия по удалению газа из внутреннего обьёма. Материалы и методы. Исследования проводились экспериментальными методами на лабораторной установке, а также методом численного эксперимента программным продуктом FlowVision. Установлено: 1) с возрастанием температуры растёт газоотделение, а его химический состав соответствует 32 % азота, 18 % кислорода; 2) наибольшее газоотделение происходит в осевой области вихревого течения. Предложено отводить воздух: 1) байпасной линией в транзитный поток; 2) байпасной линией в сочетании с осевым вводом транзитного потока; 3) простым отбором.
Результаты и обсуждение. Получены следующие результаты: 1. Простой отбор воздуха повышает эффективность работы кавитатора. 2. Отбор воздуха в сочетании с осевым транзитным подводом в ещё большей степени стимулирует рабочий процесс. 3. Эффективность использования байпасной линии зависит от степени её открытия, поскольку высокие расходы через неё блокируют транзитный поток и тем самым видоизменяют структуру течений в самом кавитаторе.
Заключение. Наиболее эффективное мероприятие - осевой отбор воздуха с осевым вводом транзитного потока. При использовании байпасной линии следует обеспечивать расход через неё, не превышающий 60 % от транзитного расхода.
© Иванов Е. Г., Воротников И. Л., Пасин А. В., Седов А. В., Ошурков М. В., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
20
ХХХХХХХХХХХ технологии, машины и оборудование ХХХХХХХХХХХ ХХХХХХХХХХХ для агропромышленного комплекса ХХХХХХХХХХХ
Ключевые слова: вихревой кавитатор, вода, воздух, кавитация, удаление, эффективность
Для цитирования: Иванов Е. Г., Воротников И. Л., Пасин А. В., Седов А. В., Ошурков М. В. Оценка влияния присутствия воздуха в рабочей жидкости на эффективность использования кавитатора // Вестник НГИЭИ. 2023. № 12 (151). С. 20-35. БОТ: 10.24412/2227-9407-2023-12-20-35
Evgeny G. IvanovIgor L. Vorotnikov2, Alexander V. Pasin3, Alexander V. Sedov4, Maxim V. Oshurkov5
1 2, 3 4 5 Nizhny Novgorod State Agrotechnological University, Nizhny Novgorod, Russia 1 ivanov.e.g@mail.ruS3
2vorotnikov.i@nnsaa.ru, https://orcid.org/0000-0001 -8444-0115
3 pasin_av@mail. ru
4 c. c. c.p. sedov@yandex. ru
5 m.oshurkov@nnsaa.ru
Introduction. When modernizing technological processes in agricultural production, periodic cavitation is used more and more often - cavitation homogenizers for milk processing, devices for pre-sowing seed treatment, water disinfection, preparation of artificial milk from grain for weanlings, for the production of food products: beer, highly fortified bread, agricultural feed animals. Cavitation treatment of liquid media consists in the fact that at the beginning elastic energy is pumped with a liquid whistle by creating a sound field in the liquid. During the vacuum phase of the wave, the liquid ruptures at the nuclei with the formation of voids. In the manometric phase, energy concentration occurs due to their instantaneous collapse. However, in a real working fluid there is air, the dissolved part of which, due to diffusion into the cavity, reduces the efficiency of collapse. Free air forms a bubble film, which prevents the passage of acoustic waves through the liquid and reduces the size of cavitation areas. It is necessary: 1) to identify the causes and places of formation of the gas component; 2) develop measures to remove gas from the internal volume. Materials and Methods. The research was carried out using experimental methods in a laboratory setup, as well as using a numerical experiment using the FlowVision software product. It has been established: 1) with increasing temperature, gas separation increases, and its chemical composition corresponds to 32 % nitrogen, 18 % oxygen; 2) the greatest gas separation occurs in the axial region of the vortex flow. It is proposed: 1) to bleed air through a bypass line into the transit flow; 2) bypass line in combination with axial input of transit flow; 3) simple selection. Results and discussion. The following results were obtained: 1. Simple air sampling increases the efficiency of the cavitator. 2. Air bleed in combination with axial transit supply further stimulates the work process. 3. The efficiency of using the bypass line depends on the degree of its opening, since high flow rates through it block the transit flow and thereby modify the structure of the flows in the cavitator itself.
Conclusion. The most effective measure is axial air extraction with axial input of transit flow. When using a bypass line, the flow through it should not exceed 60 % of the transit flow.
Keywords: water, cavitation, vortex cavitator, air, deletion, efficiency
For citation: Ivanov E. G., Vorotnikov I. L., Pasin A. V., Sedov A. V., Oshurkov M. V. The assessment of influence of air containing in the pressure fluid on cavitator use efficiency // Bulletin NGIEI. 2023. № 12 (151). P. 20-35. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-12-20-35
The assessment of influence of air containing in the pressure fluid on cavitator use efficiency
Abstract
Введение
Применение кавитационных технологий в сельскохозяйственном производстве расширяет
способы и средства эффективного воздействия на жидкости, на живые объекты и особенно на воду. Так, к настоящему времени, установлены следую-
Вестник НГИЭИ. 2023. № 12 (151). C. 20-35. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 12 (151). P. 20-35. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ Л МП РПIIIPMFNT WWW^^WW
WVW^^WWV^^ РПП THF AiZRn.INnilSTItlA I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
щие новые возможности с использованием этого процесса:
- стимуляция развития биологических систем при их обработке как в активных, так и в пассивных пространствах кавитатора [1];
- глубокая минерализация или опреснение растворов [2];
- активизация или замедление процессов коррозии металлов в воде;
- придание воде биологической активности
[3];
- проявление в воде информационных качеств;
- глубокая диспергация и перемешивание компонентов растворов и смесей с наделением их новыми свойствами [4];
- высокоэкономичный нагрев жидкостей (воды) [5] и т. д.
Особенностью периодической кавитации является способность относительно грубым инструментом - жидкостным свистком (рис. 1) создавать в воде тонкие нановоздействия на её микроструктуры.
а б
Рис. 1. Вихревой кавитатор: а) вид общий; б) оптически прозрачная вихревая камера (вид А) Fig. 1. Vortex cavitator: a) general view; b) optically transparent vortex chamber (type A)
Источник: разработано автором
В этом случае жидкость, входя тангенциально в вихревую камеру 1 кавитатора со скоростью У1; совершает почти полный оборот по внутренней поверхности её обечайки 8 и сливается со скоростью У2 с более поздним участком входного потока (рис. 1, б).
Взаимодействие сливающихся под острым углом конкурирующих потоков У1 и У2 порождает упругие взаимодействия, распространяющиеся в массив жидкости. Распространяясь по внутреннему, заполненному водой объёму кавитатора, фронты упругих волн отражаются от противоположного жесткого торца 2 корпуса-резонатора 3 (рис. 1, a) и, складываясь с последующими встречными фронтами, создают стоячую волну (при условии равенства длины корпуса половине длины волны). В итоге, в зоне взаимодействия сливающихся потоков и в зоне пучности стоячей волны (середина корпуса) в ваку-умметрическую фазу жидкость разрывается с образованием пустот-каверн. На этой стадии заканчивается макроскопическая часть периодической кави-
тации. На последующем этапе происходит схлопы-вание - коллапс образующихся каверн под действием сил поверхностного натяжения и внешнего давления в манометрическую фазу. При этом происходит концентрация запасённой в фазу роста каверны упругой энергии в наноразмерную точку коллапса. Превышение плотности энергии в точке коллапса сверх некоторой величины обеспечивает, во-первых, превращение её в различные формы:
- тепловую;
- потенциальную давления;
- магнитного поля;
- электрического поля;
- электромагнитную, в том числе световую и т. д. Каждая из форм энергии может развивать свои последующие процессы для соответствующих технологий.
Во-вторых, вследствие соударения при коллапсе происходит последующее асимметричное расширение каверны, что деформирует жидкость на наноуровне. Следствием последовательных коллап-
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
сов - расширений является глубокая деформация и разрушения микроструктур жидкости, а также создание новых микроструктур. В итоге происходит выделение тепла, фиксация информации, изменение свойств жидкости и т. д.
Однако в относительно продолжительную фазу образования, роста до момента сокращения каверны внутрь её объёма диффундируют растворённый воздух и жидкость в виде пара. Пополнение объёма каверны паром и газом увеличивает её конечные размеры в момент коллапса до радиуса R2, что снижает уровень концентрации энергии (рис. 2).
Jos J (■ 'лЧ S<v- f(P.) - • /JL 1
V ■•■'.• V 1 М ^---- Ло,/ /V дг VKj . Г ¿У
Рис. 2. Схема коллапса кавитационной каверны при диффузии в её объём воздуха Fig. 2. Diagram of the collapse of a cavitation cavity during diffusion of air into its volume Источник: разработано автором
Конечное давление p2 в фазе коллапса каверны исходного размера R1 от внешнего воздействия движущихся от манометрического давления pi стенок каверны на внутреннюю сферическую концентрическую преграду радиусом R2 можно оценить по Релею [6]
R3
р2 = 0,163 Р!^.
То есть величина плотности энергии уменьшается пропорционально кубу от роста конечных размеров при наполнении каверны дифундируемым воздухом.
Снижение достигаемого порога плотности энергии исключает протекание многих процессов и снижает эффективность работы жидкостного свистка - кавитатора. При этом воздух содержится в воде как в растворённом состоянии, так и в свободном.
Свободный воздух в жидкости изменяет физические характеристики воды, образует пузырьковую пелену во внутреннем объёме кавитатора, препятствует прохождению волн через неё, уменьшает размеры кавитационных областей, снижает скорость прохождения волн и их частоту. В этом случае упругая волна рассеивается за счёт многократного отражения от поверхностей раздела газ - жидкость пузырьков, нарушаются условия для образования стоячей волны в корпусе-резонаторе и тем самым исключается из рабочего процесса кавитаци-онная область в пучности стоячей волны.
По решению рассматриваемой проблемы ранее проведены следующие исследования - по поведению парогазовых пузырьков в звуковом поле авторы Мона Аль-Маннай и Н. С. Хадеев в университете Бахрейна получили асимптотическую формулу для декремента затухания их колебаний [7], поведение однородной суспензии в поле стоячих волн установлено экспериментаторами в работе [8], особенности поведения дисперсной смеси с компонентами малой плотности в вихревом потоке показаны в работе [9]. Сама структура потоков в рабочем пространстве кавитатора, знание которой позволит спрогнозировать распределение лёгкой воздушной фракции по объёму, рассмотрена в работах: по вихревой камере [10], внутри резонатора [11]. Особого внимания заслуживает центральное вихревое течение Россби, рассмотренное в работах [12; 13]. Причём, в работе [14] некорректно показано направление вращения приосевого потока. В последующем рассмотрении рабочего процесса установлено существенное влияние слияния потоков в Т-образных тройниках. Особенности этого слияния подробно изучены и изложены в работах [15; 16; 17]. Сам механизм гидродинамической акустической кавитации, а также её разновидности убедительно (физическим и численным моделированием) показан в работе [18].
На основании проведённого анализа для повышения эффективности работы кавитатора на жидкости из водопроводных систем необходимо решить следующие задачи:
- выявить причины присутствия газовой компоненты в рабочем процессе кавитатора;
- установить места наибольшего сосредоточения газовой фазы;
- выработать мероприятия по исключению воздуха из рабочего процесса кавитатора.
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT ; FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Материалы и методы
Для интегральной количественной оценки содержания газовой компоненты в рабочем процессе кавитатора проведено экспериментальное исследо-
вание методом измерения объёмов вытесненной воды образующимися пустотами (заполняющимися парами и воздухом) из исходного объёма W = 10,6 л водопроводной воды в кавитаторе (рис. 3).
Рис. 3. Закономерность роста пустот в работающем кавитаторе по мере сопутствующего нагрева воды в нём AW = f (t) при различных значениях начальной температуры t0
Fig. 3. The pattern of growth of voids in a working cavitator as the water in it is simultaneously heated AW = f (t) at different values of the initial temperature t0
Источник: разработано автором
Рис. 4. Показание газоанализатора «Color800» по химическому составу газовой компоненты рабочей жидкости после обработки на кавитаторе Fig. 4. Indication of the gas analyzer «Color800» on the chemical composition of the gas component of the working fluid after processing on a cavitator Источник: разработано автором
Кавитатор при этом работал в режиме замкнутой циркуляции, то есть при отсутствии транзитного расхода, и его работа сопровождалась со-
путствующим самопроизвольным нагревом от начальных значений температур обрабатываемой воды t0 до температуры t = 120°. Начальные значе-
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
ния температур обрабатываемой воды t0 для разных серий экспериментов варьировались от 0° до 90° и обеспечивались непосредственным заливом предварительно подогретой воды.
Для оценки химического состава газовой компоненты выделившегося из кавитатора газа произведено его исследование на газоанализаторе «Color800» в Нижегородском НИИ Высокочистых Веществ, которое показало, что газовая фаза содер-
жит 82 % азота и 18 % кислорода, то есть является воздухом (рис. 4).
Одной из возможных полостей в проточной части кавитатора является воронкообразная область на торце вихревой камеры (рис. 5), которая обусловлена центробежными силами, а её конусообразная конфигурация - структурой потоков в вихревой камере и корпусе (рис. 6).
0,000 0,050 0,100 0,150
Рис. 5. Визуализация газовой воронкообразной полости на торце вихревой камеры методом фотофиксации и числовым моделированием FlowVision
Fig. 5. Visualization of a gas funnel-shaped cavity at the end of the vortex chamber using the photofixation method and numerical modeling FlowVision Источник: разработано автором
Рис. 6. Визуализация структуры потоков (течения Россби - R) числовым моделированием FlowVision Fig. 6. Visualization of flow structure (Rossby flow - R) using numerical modeling FlowVision
Источник: разработано автором
Для повышения эффективности вихревой ка-витатор может быть снабжён байпасной линией, отводящей воздух из газовой воронки в выходной транзитный поток. Для оценки эффективности этого
мероприятия получены экспериментальные зависимости транзитного расхода qexit, содержания в нём воздуха qair, температуры рабочей жидкости А(ехц от расхода байпасной линии qb (рис. 7).
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT ; FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Рис. 7. Оценка влияния байпасной линии на рабочий процесс вихревого кавитатора -зависимости: qexit=f(qb), qmr = f(qb), &texit=f(qb) Fig. 7. Assessment of the influence of the bypass line on the working process of the vortex cavitator -dependencies: qexit=f(qb), qair=f(qb), ^texit = f(qt) Источник: разработано автором
При этом расход в байпасной линии qb определён трубкой Пито, транзитный расход qxt - мерной ёмкостью, расход воздуха из выходного патрубка qair - методом опрокинутой ёмкости в массиве воды, температура Atexit - пирометром.
Другим перспективным мероприятием по повышению эффективности вихревого кавитатора является сочетание вышерассмотренного отбора воздушной компоненты из рабочего процесса с осевым вводом транзитного потока (рис. 8).
Оценка повышения эффективности предлагаемых мероприятий производится по теплотворной способности рабочих процессов (рис. 9), а также по расчёту баланса мощности рабочего процесса (рис. 10) на основании экспериментальных данных для исходного варианта вихревого кавитатора и для двух вариантов его усовершенствования:
- осевой ввод рабочей жидкости по рис. 8 и 9;
- отбор газовой компоненты из вихревой камеры по рис. 8.
Рис. 8. Осевой вход транзитного потока Fig. 8. Axial entrance of transit flow Источник: разработано авторами на основании данных [19]
afel It*
ts
«5 55 4S
JS :s н
0
- initial -m — axU input
1 • "
V
> •
V V Vv 4
•
0 0,02 0,04 0,06
0,08
Рис. 9. Сравнение теплотворных способностей (эффективности кавитационного процесса) исходного варианта и варианта с осевым подводом рабочей жидкости по рис. 8 Fig. 9. Comparison of the calorific value (efficiency of the cavitation process) of the original version and the version with axial supply of working fluid according to Fig. 8 Источник: разработано автором
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
N, kW
12 in -'thermal X>l.„tnirnl = 9. л А И
у
8 \r * thermal
-- \ez —3 v
6 4 li f-— лhydro
—4 I, Hchamber
z 0 ( \ r к ft amber 1 ,
) 0,05 0,1 / -4-- 0,15 4;>ipur,m's'io' -5
.Axle input Initial Selection air
Рис. 10. Баланс мощности рабочего процесса исходного варианта вихревого кавитатора и двух вариантов его усовершенствования: - осевой ввод рабочей жидкости по рис. 8 и рис. 9; - отбор газовой компоненты из вихревой камеры по рис. 8 Fig. 10. Power balance of the working process of the original version of the vortex cavitator and two options for its improvement: - axial input of working fluid according to Fig. 8 and Fig.9; - selection of the gas component from the vortex chamber according to Fig. 8 Источник: разработано автором
Результаты
Поскольку в воде (обычно водопроводной), на которой работает кавитатор, содержится значительное количество воздуха, то использование его исходной [20] конструкции (рис. 1), имеющей основу вихревой трубы Ранка-Хилша, неэффективно (рис. 7, режим qb = 0). В этом случае воздух, попав-
ший в кавитатор, насыщает пространство резонатора, исключая тем самым его из волнового и кавита-ционного процессов. Во-первых, на торцовой стенке вихревой камеры (рис. 5, рис. 11) создаётся воронкообразная газовая полость, снижающая отражающую способность этого торца резонатора и исключающая создание стоячей волны.
Рис. 11. Структура водных и воздушных потоков в вихревой трубе (кавитаторе) при отсутствии байпаса qb = 0m3 ■ s-1 ■ 10-3 Fig. 11. Structure of water and air flows in a vortex tube (cavitator) in the absence of a bypass qb = 0m3 ■ s-1 ■ 10-3
Источник: разработано автором
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT ; FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Во-вторых, внутри резонатора (рис. 6) существует течение Россби (R), винтовые линии тока которого на периферии движутся в направлении выхода из кавитатора, а в приосевой области - в противоположном направлении, к входу в резонатор. В месте встречи этого осевого тока с входным потоком (точка А) приосевое течение вновь уходит на периферию, увлекая за собой воздушную фракцию, собравшуюся ранее вдоль оси от действия центробежных сил. При этом воздух в таком круговороте участвует многократно, не покидая резонатор. В результате резонатор по всему его сечению
заполняется воздушной пеленой, следовательно, волновой процесс в резонаторе прекращается. Технологические способности такой конструкции незначительны, теплотворная способность At = f(qb), как мера оценки эффективности, минимальна (рис. 7, qb = OmVMü"3).
Снабжение исходной конструкции кавитатора байпасной линией, начинающейся на торцевой стенке в центре вихревой камеры и заканчивающейся перпендикулярной врезкой в выходной транзитный патрубок обеспечивает удаление воздуха и перераспределение структуры потоков в нём (рис. 12).
Рис. 12. Структура водных и воздушных потоков в вихревой трубе (кавитаторе)
при малой степени открытия байпаса qb = 0,033m s- • 10" Fig. 12. Structure of water and air flows in a vortex tube (cavitator)
with a low degree of bypass opening qb = 0,033m3-s-1-Источник: разработано автором
10-3
Так незначительное открытие этой линии обеспечивает удаление воронкообразной приосевой воздушной полости под давлением рос = 3 bar в транзитный выходной патрубок, что улучшает условия отражения упругих волн от торца вихревой камеры.
Другой особенностью этой комплектации ка-витатора является существование Т-образного слияния двух потоков - байпасного qb с транзитным выходным qexit (рис. 13).
При такой ориентации пересекающихся патрубков имеет место запирание линейного потока ортогональным (рис. 13), степень запирания линейного потока обуславливается соотношением их расходов [16].
Это обстоятельство снижает величину транзитного выходного расхода qexit = /^ь), содержание воздуха в транзитном расходе qair = обеспечивает повышенную теплотворную способность =ь) - режим qь = 0,033ш3 8-1-10-3 (рис. 7).
При соотношении компонент qt/q^t = 0,6^0,7 наблюдается максимальная эффективность и минимум содержания свободного воздуха (режим qь = 0,066 ш38_110"3, рис. 7). В этом случае за счёт увеличенного расхода через байпас пережимается транзитный поток из резонатора на 60-70 %, что в результате обеспечивает только 30-процентное пополнение циркуляционного контура от транзитного расхода (рис. 14).
XXXXXXXXXXX технологии, машины и оборудование XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX для агропромышленного комплекса XXXXXXXXXXX
Рис. 13. Линии тока в меридиональном сечении тройника одинаковых диаметров при разных относительных расходах: (а) q = 0,3 , (b) q = 0,6 и (c) q = 0,7 Fig. 13. Streamlines in the meridional section of a tee of identical diameters at different relative costs:
(а) q = 0,3 , (b) q = 0,6 и (c) q = 0,7 [16] Источник: разработано авторами на основании данных [16]
Рис. 14. Структура водных и воздушных потоков в вихревой трубе (кавитаторе) при средней степени открытия байпаса qb = 0,066 m3- s-1 ■ 10-3 Fig. 14. Structure of water and air flows in a vortex tube (cavitator) at an average degree of bypass opening qb = 0,066 m3s-1-10-3 Источник: разработано автором
[ TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT ; FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Следовательно, малое содержание в циркуляционном объёме воздуха (свободного и растворённого) обуславливает интенсивный нагрев рабочей жидкости, повышенную эффективность процесса. Большая часть входящего расхода (60-70 %), пройдя насос, вихревую камеру попадает в байпас, почти не подвергаясь кавитационной обработке, уходит в выходной транзитный патрубок, унося с собой почти весь содержащийся в ней воздух. В результате этот байпасный поток только перекрывает выходящую из корпуса-резонатора транзитную часть, обуславливая преимущественно постоянный циркулирующий объём лишённой воздуха рабочей жидкости и повышенную теплотворную способность, а также общее снижение байпасного расхода (режим
qь = 0,066 ш38_110"3, рис. 7). Доказательством этого обстоятельства является факт, состоящий в том, что температура резонатора на 2 ^ 2,5° выше, чем температура выходящего транзитного потока. Причём точка разделения осевых потоков (точка А) с возрастанием расхода qь через байпас смещается к вихревой камере и впоследствии совсем упраздняется.
Дальнейшее открытие байпаса ^ь = = 0,121 ш3 8_110"3, рис. 7) вызывает увеличение транзитного расхода qexit, почти полное (рис. 15, а), а далее и совершенно полное заполнение байпас-ным потоком выходного транзитного патрубка ^ь = 0,177ш38-1-10-3, рис. 7), дальнейшую блокаду резонатора от выходного транзитного патрубка (рис. 15, б).
б
Рис. 15. Структура водных и воздушных потоков в вихревой трубе (кавитаторе) при повышенной степени открытия байпаса: а) qb = 0,121m3s-1-10"3, в) qb = 0,177 m3s-1-10 Fig. 15. Structure of water and air flows in a vortex tube (cavitator) with an increased
* 3 13 3 13
degree of bypass opening: а) qb = 0,121m s" 10", b) qb = 0,177 m s" 10" Источник: разработано автором
ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ] ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ]
Массообмен между транзитным потоком и структурой потоков в резонаторе снижается до минимума, поскольку входная его часть после прохождения насоса и вихревой камеры уходит преимущественно в байпас унося с собой воздух, как пришедший с этим потоком, так и выделившийся из циркуляционного потока в резонаторе в свободное состояние. Причём почти весь воздух, который собрался в приосевой области резонатора, вместе с течением Россби уходит в байпас, и его количество, участвующее в переходе на периферию резонатора минимально. В итоге повышается эффективность кавитатора, наибольшая температура поднимается с
12 до 16 градусов. Вследствие этого количество выделившегося воздуха в выходящем транзитном потоке превышает его значение даже при отсутствии байпаса.
Однако повышение байпасного расхода за счёт ещё большего открытия крана на нём в ещё большей степени перераспределяет структуру потоков в резонаторе, поскольку часть байпасного потока вследствие наличия гидравлических сопротивлений на последующих участках выходного трубопровода возвращается в циркуляционный контур (qь = 0,353 т38-1-10-3, рис. 7), вновь принося с собой воздух (рис. 16).
Рис. 16. Структура водных и воздушных потоков в вихревой трубе (кавитаторе)
при средней степени открытия байпаса qb = 0,353 m s- • 10" Fig. 16. Structure of water and air flows in a vortex tube (cavitator)
at an average degree of bypass opening qb = 0,353 m3s-1^ Источник: разработано автором
10"3
В этом случае прекращается рост транзитного расхода qюcit, увеличивается содержание воздуха в кавитаторе и выходном транзитном потоке qair, поскольку его часть qь претерпевает большее число циклов кавитационной обработки - эффективность работы кавитатора Л^ = снижается (рис. 7).
В итоге установка байпаса является эффективным мероприятием, однако при этом необходимо устранить влияние процесса взаимодействия сливающихся потоков qexit и qb Этот результат можно достигнуть, производя отбор в отдельную ёмкость, изменить угол слияния потоков и т. д.
Развитием этого мероприятия является использование коаксиального патрубка (рис. 8), кольцевой канал которого используется для сбора и отвода воздуха, а центральный канал используется
для создания струйного потока вдоль оси резонатора. Через этот канал осуществляется ввод транзитного потока qi„put. Этот осевой поток меняет структуру потоков в резонаторе, исключая течение Рос-сби, а также удаляет пористую газожидкостную смесь из приосевого пространства, что существенно повышает эффективность устройства (рис. 9).
Анализ баланса мощности (рис. 10) показывает, что для варианта отбора воздуха составляющие энергетических затрат полностью идентичны исходному варианту, но за счёт исключения влияния свободного воздуха на волновые процессы на 50 % повышается теплотворная способность кавитатора.
Для варианта с осевым вводом транзитного потока по энергетическим затратам к исходному варианту увеличены только потери в вихревой ка-
V^W^VWW^V ТРГНМП! nniFS МЛГШМРЯ Л МП РПIIIPMFNT WWW^^WW
TECHNOLOGIES, MACHINES AND EQUIPMENT
WVW^^WWV^^ FnR TUP ЛПРП.1МПИЯТР1Л I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
FOR THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
мере, однако они обеспечивают значительное увеличение теплотворной способности (на 100 %). Причём эти решения синергетивны и могут работать в сочетании.
Выводы
1. В рабочем процессе вихревого кавитатора при работе на водопроводной воде участвует воздух как в свободном состоянии, так и в растворённом.
2. Объём выделяющейся газовой фазы пропорционален температуре работы и может достигать 5 % от внутреннего объёма кавитатора.
3. Снижение эффективности рабочего процесса пропорционально объёму свободного воздуха в резонаторе.
4. Резонатор является накопителем свободного воздуха, количество которого определяется структурой потоков в нём, в частности наличием осевого течения Россби.
5. Расходное вихревое течение вдоль резонатора происходит на его периферии, причём воздух, как лёгкая фракция, на всём протяжении резонатора отжимается с периферии к центру вращения.
6. Осевое течение Россби переносит этот воздух к началу резонатора, где оно вновь растекается на большие радиусы и сливается с основным расходным потоком, в ещё большей степени насыщая его ещё раз воздухом.
7. Постоянно участвуя в круговороте:
- с периферии к центру за счёт действия центробежных сил на более тяжёлую воду;
- с центра на периферию за счёт наличия течения Россби воздух сосредотачивается в резонаторе.
8. Количество воздуха в резонаторе можно снижать:
- установкой и регулировкой байпасной линии;
- отбором газового компонента из осевой области как со стороны вихревой камеры, так и на выходе из резонатора;
- осевым вводом транзитного потока со стороны вихревой камеры.
9. При регулировке расхода в байпасной линии необходимо учитывать влияние её поперечного входа на запирание выходного транзитного патрубка.
10. Наилучший байпасный расход соответствует 60 % от выходного транзитного. При этом в резонаторе циркулирует почти постоянный обеднённый от воздуха объём воды, а большая часть транзитного после насоса и вихревой камеры уходит сразу в байпасную линию и выполняет роль отборника тепла.
Заключение
Использование кавитатора в технологических процессах сельскохозяйственного производства является актуальным и полезным мероприятием для получения продукции отличного качества с высокой производительностью. Однако при применении этого устройства следует учитывать вид используемой рабочей жидкости в конкретном технологическом процессе, содержание в ней воздуха и газов как в свободном, так и в растворённом состояниях.
При наличии газовой фазы следует производить либо предварительную дегазацию жидкости, либо в процессе работы отбирать газы с помощью рассмотренных устройств. В этом случае эффективность рабочего процесса может повыситься на 40-50 %, что обеспечит технологическую привлекательность кавитационного оборудования и его большую востребованность для сельскохозяйственного производства.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Тарасов С. С., Веселое А. П. Влияние ультразвука на морфофизиологические показатели прорастания семян гороха (Pisumsativum L.) // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2018.№ 3. С. 3-11.
2. Kulagin V. A., Sapognikova E. S., Stebeleva O. P., Kashkina L. V., ZhengZhi-Ying, Li Qian, Li Feng-Chen. Features of Influence of Cavitation Effects on the Physicochemical Properties of Water and Wastewater // Jornal of Siberian Federal University Evgineering & Technologies. 2014. № 5 (7) P. 605-614.
3. Agafonov V. V., Chavachina V. V. Cavitation germination of barley seeds for accelerated malt manufacturing // Bulletin of NNSEEI. 2016. № 8 (63). P. 55-64.
4. Sivakumar M., Tang S. Y., Tan Kh. W. Cavitation technology - A greener processing technique for the generation of pharmaceutical nanoemulsions // Ultrasonics Sonochemistry. 2014. № 21 (6). Р. 2069-2083.
5. Matsuo Sh., Matsuno Y., Fukushima Y., Mamun M., Hashimoto T., Setoguchi T., Kim H. D. Experimental Study on Temperature Separation in Vortex Chamber // Procedia Engineering. 2015. № 105. Р. 464-471.
32
ХХХХХХХХХХХ технологии, машины и оборудование ХХХХХХХХХХХ ХХХХХХХХХХХ для агропромышленного комплекса ХХХХХХХХХХХ
6. Agranat B. A., Dubrovin N. N. Fundamentals of physics and technology of ultrasound. Moscow: Graduate School, 1987. 352 p.
7. Mona All-Mannai, Hadeev N. S. On radial pulsations of soluble vapor-gas bubbles in a liquid // Fluid and gas mechanics. 2011. V. 2. Р. 131-135.
8. Kalinichenko W. A., Chashechkin U. D. Structuring and restructuring of a homogeneous suspension in a field of standing waves // Fluidandgasmechanics. 2012. V. 6. Р. 109-121.
9. Moskalev A. M. Vortex movement of dispersed mixture // Fluidandgasmechanics. 1983. V. 6. Р. 167-169.
10. Akhmetov D. G., Akhmetov T. D. Flow structure in a vortex chamber // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. V. 57. Issue 5. Р. 879-887.
11. Akhmetov D. G., Akhmetov T. D., Pavlov V. A. Flow structure in a Ranque-Hilsch Vortex Tube // Doklady-Phusics, 2018. V. 63. № 6. Р. 235-238.
12. Entov V. M., Kalashnicov W. N., Reiskiy U. D. On the parameters that determine the vortex effect // Fluidandgasmechanics. 1967. V. 3. Р. 32-38.
13. Gostincev U. A., Pohil P. F., Uspenskiy O. A. Gromeki-Beltrami flow in a semi-infinite cylindrical pipe // Fluidandgasmechanics. 1971. V. 2. Р. 117-120.
14. Rafiee S. E., SadeghiasadM. M. Three-Dimensional CFD Simulation of Fluid Flow inside a vortex Tube on Basis of an Experimental Model - The Optimization of Vortex Chamber Radius // International Journal of heat and technology, 2016. V. 34. № 2. Р. 236-244.
15. Hosseini S. M., Yuki K. Experimental investigation of flow field structure in mixing tee // Journal of Fluids Engineering. 2009. V. 131. Issue 5. https://doi.org/10.1115/L3112383
16. Costa N. P., R. MaiaM. F., Pinho F. T. Edge Effects on the Flow Characteristics in a 90 deg Tee Junction // Journal of Fluids Engineering. 2006. V. 128. Issue 6. Р. 1204-1217.
17. Qian S., Frith J., Kasahara N. Classification of Flow Patterns in Angled T-Junctions for the Evaluation of High CycleThermal Fatigue // Journal of Pressure Vessel Technology. 2015. V. 137. Issue 2. Р. 021301-021307.
18. Pendfei Wu, Lixin Bai, Weijun Lin, Xiuming Wang. Mechanism and dynamics of hydrodynamic acoustic cavitation // Jornal Ultrasonic solonochemistry. 2018. V. 49. Р. 89-96.
19. Иванов Е. Г. Патент 2517986 С1 РФ. Устройство для нагрева жидкости; заявл. 18.05.2012; опубл. 10.06.14, Бюл. № 16.
20. Потапов Ю. С. Патент 2045715 С1 РФ. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей; заявл. 26.04.93; опубл. 10.10.1995. Бюл. № 10.
Дата поступления статьи в редакцию 28.09.2023; одобрена после рецензирования 30.10.2023;
принята к публикации 02.11.2023.
Информация об авторах: Е. Г. Иванов - к.т.н. доцент, Spin-код: 5836-2145; И. Л. Воротников - д.э.н., профессор, Spin-код: 2187-7277; А. В. Пасин - д.т.н., профессор, Spin-код: 5927-9630; А. В. Седов - магистрант;
М. В. Ошурков - к.т.н., доцент, Spin-код: 6958-3622.
Заявленный вклад авторов: Иванов Е. Г. - научное руководство, подготовка текста.
Воротников И. Л. - общее руководство проектом, анализ и дополнение текста статьи. Пасин А. В. - поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках. Седов А. В. - вёрстка и форматирование работы.
Ошурков М. В. - сбор данных и доказательств, проведение экспериментов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 12 (151). C. 20-35. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 12 (151). P. 20-35. ISSN 2227-9407 (Print)
V^W^VWW^V ТРГНМП1 nniFS МЛГШМРЯ Л МП FHIIIPMFMT www^^ww WVW^^WWV^^ FnQ THF ЛПРП-1МП11ЯТР1Л I ГПМР1 rvV^^VWW^^WW
REFERENCES
1. Tarasov S. S., Veselov A. P. Vliyanie ul'trazvuka na morfofiziologicheskie pokazateli prorastaniya semyan goroha (Pisumsativum L.) [The effect of ultrasound on morphophysiological parameters of the germination of pea seeds (Pisum sativum L.)], Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Estestvennye nauki [Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. The Volga region. Natural sciences], 2018, No. 3, pp. 3-11.
2. Kulagin V.A., Sapognikova, E.S., Stebeleva, O.P., Kashkina, L.V., ZhengZhi-Ying, Li Qian, Li Feng-Chen. Features of Influence of Cavitation Effects on the Physicochemical Properties of Water and Wastewater, Jornal of Siberian Federal University Evgineering & Technologies, 2014, No. 5 (7), pp. 605-614.
3. Agafonov V. V., Chavachina V. V. Cavitation germination of barley seeds for accelerated malt manufacturing, Bulletin of NNSEEI, 2016, No. 8 (63), pp. 55-64.
4. Sivakumar M., Tang S. Y., Tan Kh. W. Cavitation technology - A greener processing technique for the generation of pharmaceutical nanoemulsions, Ultrasonics Sonochemistry, 2014, No. 21 (6), pp. 2069-2083.
5. Matsuo Sh., Matsuno Y., Fukushima Y., Mamun M., Hashimoto T., Setoguchi T., Kim H. D. Experimental Study on Temperature Separation in Vortex Chamber, Procedia Engineering, 2015, No. 105, pp. 464-471.
6. Agranat B. A., Dubrovin N. N. Fundamentals of physics and technology of ultrasound, Moscow: Graduate School, 1987, 352 p.
7. Mona All-Mannai, Hadeev N. S. On radial pulsations of soluble vapor-gas bubbles in a liquid, Fluid and gas mechanics, 2011, Vol. 2. pp. 131-135.
8. Kalinichenko W. A., Chashechkin U. D. Structuring and restructuring of a homogeneous suspension in a field of standing waves, Fluidandgasmechanics, 2012, Vol. 6, pp. 109-121.
9. Moskalev A. M. Vortex movement of dispersed mixture, Fluidandgasmechanics, 1983, Vol. 6, pp. 167-169.
10. Akhmetov D. G., Akhmetov T. D. Flow structure in a vortex chamber, Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2016, Vol. 57, Issue 5, pp. 879-887.
11. Akhmetov D. G., Akhmetov T. D., Pavlov V. A. Flow structure in a Ranque-Hilsch Vortex Tube, Doklady-Phusics, 2018, Vol. 63, No. 6, pp. 235-238.
12. Entov V. M., Kalashnicov W. N., Reiskiy U. D. On the parameters that determine the vortex effect, Fluidandgasmechanics, 1967, Vol. 3, pp. 32-38.
13. Gostincev U. A., Pohil P. F., Uspenskiy O. A. Gromeki-Beltrami flow in a semi-infinite cylindrical pipe, Fluidandgasmechanics, 1971, Vol. 2, pp. 117-120.
14. Rafiee S. E., Sadeghiasad M. M. Three-Dimensional CFD Simulation of Fluid Flow inside a vortex Tube on Basis of an Experimental Model - The Optimization of Vortex Chamber Radius, International Journal of heat and technology, 2016, Vol. 34, No. 2, pp. 236-244.
15. Hosseini S. M., Yuki K. Experimental investigation of flow field structure in mixing tee, Journal of Fluids Engineering, 2009, Vol. 131, Issue 5, https://doi.org/10.111571.3112383
16. Costa N. P., R. Maia M. F., Pinho F. T. Edge Effects on the Flow Characteristics in a 90 deg Tee Junction, Journal of Fluids Engineering, 2006, Vol. 128, Issue 6, pp. 1204-1217.
17. Qian S., Frith J., Kasahara N. Classification of Flow Patterns in Angled T-Junctions for the Evaluation of High CycleThermal Fatigue, Journal of Pressure Vessel Technology, 2015, Vol. 137, Issue 2, pp. 021301-021307.
18. Pendfei Wu, Lixin Bai, Weijun Lin, Xiuming Wang. Mechanism and dynamics of hydrodynamic acoustic cavitation, Jornal Ultrasonic solonochemistry, 2018, Vol. 49, pp. 89-96.
19. Ivanov E. G. Patent 2517986 S1 RF. Ustrojstvo dlya nagreva zhidkosti [Liquid heating device], zayavl. 18.05.2012, opubl. 10.06.14, Byul. No. 16.
20. Potapov Yu. S. Patent 2045715 S1 RF. Teplogenerator i ustrojstvo dlya nagreva zhidkostej [Heat generator and device for heating liquids], zayavl. 26.04.93, opubl. 10.10.1995, Byul. No. 10.
The article was submitted 28.09.2023; approved after reviewing 30.10.2023; accepted for publication 02.11.2023.
xxxxxxxxxxx технологии, машины и оборудование ххххххххххх ххххххххххх для агропромышленного комплекса ххххххххххх
Information about the authors: E. G. Ivanov - Ph. D. (Engineering), Spin-code: 5836-2145; I. L. Vorotnikov - Dr. Sci. (Economy), Spin-code: 2187-7277; A. V. Pasin - Dr. Sci. (Engineering), Spin-code: 5927-9630; A. V. Sedov - master's student;
M. V. Oshurkov - Ph. D. (Engineering), Spin-code: 6958-3622.
^^r^utton of the authors: Ivanov E. G. - research supervision, writing of the draft.
Vorotnikov I. L. - managed the research project, analyzing and supplementing the text. Pasin A. V. - search for analytical materials in Russian and international sources. Sedov A. V. - made the layout and the formatting of the article. Oshurkov M. V. - collecting data and evidence, implementation of experiments.
The authors declare no conflict of interest
