ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЖЕКТОРА-КАВИТАТОРА КАК ОДНОГО ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список литературы:

[1] Басин A.M. Ходкость и управляемость судов: учебное пособие для вузов водного транспорта / A.M. Басин. - М.: Транспорт, 1977. - 456 с.

[2] Басин A.M. Гидродинамика судна / A.M. Басин, В.Н. Анфимов. - Л.: Речной транспорт, 1961.

[3] Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля. Т. 1. / Я.И. Войткунский, Р.Я. Першиц, И.А. Титов. - Л.: Судпромигиз, 1985. -764 с.

[4] Мордвинов Б.Г. Справочник по малотоннажному судостроению / Б.Г. Мордвинов. - Ленинград: Судостроение, 1987. - 575 с.

[5] Карпов А.Б. Графики для приближенного расчета сопротивления воды движению речных судов. Доклады XIV научно-технической конференции кораблестроительного факультета / А.Б. Карпов. - Горький: Министерство высшего и средн. спец. образ. РСФСР. Горьк. Политехн. Инт им. А.А. Жданова, 1967. - 302 с.

THE «SMALL» PASSENGER VESSEL PROPULSION ESTIMATION AT THE INITIAL DESIGN STAGE

E. V. Kupaltseva, E.P. Ronnov

Key words: resistance to the vessel's movement, wetted surface, the vessel's hull shape lines

The questions concerning the vessel's towing resistance components determination at the initial design stage are considered. To determine a «small» passenger ship's wetted surface area on the analysis base Zinkovsky- Gorbatenko verified formula is toffered. It takes into account the specific ship contours.The method for determining the residual ship resistance based on the formula offered by A. B. Karpov. This methos is verified for ships with Froude number more than 0,28.

УДК 629.025: 629.069.

А.С. Курников, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУВО «ВГУВТ» Д.С. Мизгирев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Т.А. Михеева, к.т.н. ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЖЕКТОРА-КАВИТАТОРА КАК ОДНОГО ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ СИСТЕМ

Ключевые слова: кавитация, генераторы кавитации, кавитаторы гидродинамические, струйные аппараты, эжекторы, эжекторы-кавитаторы, методика расчета.

В статье рассматривается явление кавитации и его полезное использование при обработке различных технологических сред. Приведена классификация видов кавитаци-онных явлений и устройств, необходимых для их генерации. Показана целесообразность применения гидродинамических кавитаторов, в частности, эжектора-кавитатора при очистке загрязненных вод. Представлена методика проектирования данного устройства и перспективы его применения в судовых системах.

1. Общие положения

Эксплуатация судов неизбежно связана с возникновением и решением проблем охраны окружающей среды и обеспечения соответствия выбросов и сбросов загрязняющих веществ современным нормативным требованиям.

В настоящее время актуальной задачей является создание технологий очистки природных, сточных (СВ), нефтесодержащих (НВ) и балластных (БВ) вод, позволяющих обеспечить высокую эффективность обработки при одновременном снижении энергозатрат и массогабаритных показателей соответствующих судовых систем для их переработки, а также повышения автономности плавания по экологическим показателям.

Имеющееся в эксплуатации на ряде судов оборудование переработки отдельных видов отходов в большинстве случаев уже морально и физически устарело, не всегда обеспечивает выполнение требований современной регламентирующей документации, новое же является дорогостоящим при установке и в обслуживании, обладает высокой энергоемкостью и на целом ряде речных судов по различным причинам установка указанных устройств невозможна.

Анализ сложившейся ситуации по данному вопросу показывает, что модернизацию судовых систем целесообразно вести в направлении механических и физико-химических методов обработки загрязненных сред. Правильные последовательности технологических приемов обработки позволяют исключить недостатки отдельных методов достоинствами других (синергетический эффект), сократить время обработки, снизить энергозатраты и объем расходных материалов (реагентов).

Одним из путей усовершенствования является использование перспективного физико-механического способа обработки воды - кавитации.

В общем случае под кавитацией понимают явление разрыва капельной жидкости под действием растягивающих напряжений, обусловленных изменением характеристик полей скоростей и давлений, возникающих при разрежении в рассматриваемой точке жидкости. При разрыве капельной жидкости образуются полости - кавитацион-ные пузырьки (каверны), заполненные паром, газом или их смесью [13]. Каверны образуются в тех местах, где давление в жидкости р становится ниже критического ркр (часто совпадает с давлением насыщенных паров рн при данной температуре).

Благодаря высокой интенсивности вибрации и температуры в отдельной точке активно разрушаются органические соединения, коллоиды, клеточные мембраны микроорганизмов и даже уничтожаются вирусы. В связи с этим кавитационную обработку можно использовать как на стадии первичной очистки, так и для их доочистки и обеззараживания [2].

В зависимости от механизма протекания процесса в литературе выделяют следующие разновидности кавитации [1, 4, 13]:

- паровой кавитацией принято обозначать кавитационные процессы, связанные с резким ростом и схлопыванием каверны вследствие потери устойчивости равновесия зародышевого пузырька;

- газовой кавитацией называется медленный рост пузырьков, сопровождающийся диффузией газа из раствора;

- «ложной» или псевдокавитацией, называют равновесное изменение размеров пузырька без существенного влияния диффузии газа на образующиеся в потоке жидкости каверны.

По природе образования кавитационные явления делят на акустические (вызванные прохождением акустических волн) и гидродинамические (если давление снижается вследствие возрастания скоростей потока жидкости).

Классификация устройств для генерации кавитационных каверн и суперкаверн представлена на рис. 1, а их конструкция и принцип действия подробно описаны в источниках [1-6, 11, 13, 16].

Рис. 1. Классификация генераторов кавитации

Практическое применение акустической кавитации ограничено сложностью и высокой стоимостью оборудования, значительным энергопотреблением, затратами на эксплуатацию и обслуживание [5].

Предпочтителен гидродинамический способ получения кавитации, реализуемый при помощи специальных устройств (выделены на рис. 1).

Явления здесь подразделены на два основных типа [1, 5]:

- профильная кавитация, которая наблюдается на хорошо обтекаемых поверхностях элементов местных сопротивлений, возникает она из зародышей, находящихся на твердых стенках. Развившиеся на поверхности обтекаемого элемента каверны схлопываются на самом элементе или сразу за ним;

- срывная кавитация возникает в основном в вихрях за плохо обтекаемыми элементами гидравлических устройств. В этом случае кавитация развивается из ядер, находящихся как на твердой стенке, так и в потоке.

Автором [13] выделены характерные стадии развития кавитации:

- первая стадия соответствует началу появления отдельных пузырьков на входной кромке насадки, стенки, вблизи местного сопротивления;

- вторая стадия характеризуется изменением гидравлических характеристик потока (изменение пропускной способности);

- третья стадия кавитации может быть определена по началу прекращения прироста расхода при увеличении перепада давления.

Из всех перечисленных на рис. 1 конструкций применительно к судовым системам наибольший интерес представляют гидродинамические струйные аппараты -эжекторы. Данные устройства в настоящее время используются в целом ряде судовых систем как экологического назначения, так и обеспечения обитаемости: станциях

очистки СВ (СОСВ), НВ (СОНВ), БВ (СОБВ), отработавших газов (СОГ), приготовления питьевой воды (СППВ).

Эжектор по своей конструкции уже является источником кавитации [15]. Кавита-ционные процессы в нем возможно усилить за счет изменения классической конструкции диффузора - выполнить его ступенчатым с целью обеспечения условий возникновения вторичной кавитации.

Использование в перечисленных системах эжекторов-кавитаторов позволит выполнить основные требования, предъявляемые к современному судовому оборудованию, а именно обеспечить:

- компактность, обусловленную размерами судовых помещений;

- высокую эффективность процессов переработки, обеспечивающую соблюдение требований регламентирующей нормативной документации;

- малую энергоемкость рабочего процесса, т.к. для производства любого вида энергии на судне тратится дорогостоящее топливо;

- снижение количества неперерабатываемых остатков, сдаваемых на берег, и расход необходимых реагентов, влияющие на автономность плавания;

- гарантированное протекание рабочих процессов в условиях качки, вибрации, крена;

- применение при изготовлении разрешенных Правилами Российского Речного Регистра (ПРРР) материалов и технологий, обеспечивающих надежность оборудования при эксплуатации.

Согласно авторам [10] применение кавитаторов на основе струйных аппаратов обеспечивает интенсификацию и равномерность прохождения технологических процессов в жидких средах, т.к. здесь в едином устройстве одновременно осуществляются профильная и срывная гидродинамическая кавитация с инжекцией жидкого или газообразного потока. Исследования показывают, что данная конструкция позволяет решить задачу получения колебаний давления потока с частотами, распределенными в широкой полосе при минимальных затратах энергии. Важным параметром, прямо характеризующим наличие кавитации и работоспособность аппарата в составе системы, является давление всасывания [1, 10, 15]. При достижении его уровня до атмосферного происходит «срыв» инжекции, дестабилизация характеристик аппарата, что приводит к отказам в рабочем процессе всей системы.

Кроме того, важно и соотношение поступающих в аппарат рабочих сред. Исследованиями авторов [9] также выявлено, что оптимальное соотношение рабочего Qр и инжектируемого Qи потоков для гидродинамических кавитаторов должно составлять Qи/Qр = 0,1.

Также следует отметить то, что после эжектора-кавитатора необходимо создавать условия для эффективного схлопывания образующихся каверн. Для этой цели в настоящее время применяется целый ряд гидродинамических конструкций, прямо влияющих на скорость и давление жидкости в потоке. В частности, используют сетки с различным размером ячеек, профильные решетки, направляющие лопатки и т.п. [4]. Однако из всех перечисленных конструкций применительно к судовым системам наиболее целесообразно изменение направления потока на 90°. Участок с одним или более отводами возможно использовать в любой из перечисленных выше систем после струйного аппарата, т.к. его расположение в пространстве не влияет на работоспособность. Кроме того, отвод, как правило, имеется на входе в практически каждую емкость или реактор системы, что значительно упрощает работы по модернизации существующего оборудования.

2. Конструкция эжектора-кавитора

Предлагаемый эжектор-кавитатор отличается тем, что входное сопло снабжено закручивающим струенаправляющим аппаратом - турбинкой, позволяющим снизить давление всасывания, а диффузор струйного аппарата выполнен ступенчатым, причем в конце цилиндрических участков предусмотрены элементы вторичной кавитации.

Схема эжектора-кавитатора представлена на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция эжектора-кавитатора: 1 - сопло; 2 - корпус; 3 - турбинка;

4 - камера смешения; 5(1)...5(3) - ступень диффузора; 6(1)...6(2) - шайба диффузора;

А - зона вторичной кавитации; у- угол наклона направляющих лопаток турбинки;

Ф - угол расширения струи жидкости в диффузоре; а - угол сужения водогазовой струи в шайбе диффузора

Устройство работает следующим образом. Поток рабочей среды подается во входное сопло (поз. 1), внутри которого находится закручивающая струенаправляю-щая турбинка (поз. 3). Последняя сжимает входящий поток и закручивает его вдоль оси аппарата, что позволяет снизить давление всасывания и, впоследствии, понижает необходимое рабочее давление на входе в аппарат. Далее потоки рабочей и инжектируемой сред поступают через приемную камеру в камеру смешения (поз. 4), где происходит выравнивание их скоростей, сопровождающееся повышением давления. Из камеры смешения поток поступает в диффузор, где происходит дальнейший рост давления. Благодаря ступенчатой форме выходного участка диффузора (поз. 5) и наличию в конце цилиндрических участков элементов вторичной кавитации - шайб (поз. 6) осуществляется не только эффективное смешение рабочей и инжектируемой сред, но и производится диспергирование потока интенсивной вторичной гидродинамической кавитацией.

Элементы аппарата смонтированы в цилиндрическом корпусе с патрубком входа эжектируемой среды (поз. 2).

Таким образом, число, назначение и работа функциональных единиц обеспечивают полное и комплексное решение поставленной задачи.

Подобное устройство может быть использовано не только в водоподготовке, но также и в энергетике для подготовки топлив к сжиганию, кондиционировании и т.п. областях, где требуется эффективное смешение сред.

Предлагаемое решение позволит повысить эффективность смешения сред в струйном аппарате при обеспечении инжекции и диспергирования потока многоступенчатой гидродинамической кавитацией, снизить рабочее давление на входе в аппарат, упростить конструкцию и обеспечить саморегулирование устройства.

3. Расчет водовоздушного эжектора-кавитатора

3.1. Исходные данные для расчета

Основными параметрами, необходимыми для расчета аппарата явяются: Qр - объемная скорость рабочей среды, м3/с;

Qи - объемная скорость инжектируемой среды, м3/с (рекомендуемое Qи =0,1 ■Qр);

Рр - давление рабочей среды, кПа; рс - давление сжатия, кПа.

3.2. Расчет эжектора-кавитатора производим по методике [7].

3.2.1. Определяем давление всасыванияри (давление в приемной камере), кПа:

1,39

ри =-

Ои

V Ор

+1

• рс

1,39

V Ор

(1)

+1

-1

3.2.2. Находим площадь входного отверстия сопла/ из уравнения производительности устройства, м:

/с =

Ор

Ц2(рр - ри)

(2)

где ц- коэффициент скорости рабочей среды (для конусного сопла ц = (0,9...0,92)).

3.2.3. Турбинка в сопле имеет высоту (1/3.1/2) длины сопла и направляющие лопатки, расположенные под углом у= (7.14)° [12].

3.2.4. Осуществляем проверку скоростного режима аппарата, обеспечивающего возникновение первичной кавитации. Согласно авторам [6, 8, 17] он должен находиться в указанных пределах:

О

^ = / = (16...24) м/с . (3)

V с

При выполнении этого условия расчет продолжается. В случае отрицательного результата необходимо увеличить рр и повторить расчет.

3.2.5. Вычисляем отношение сечений камеры смешения и сопла:

Г/ Л

Л кс

(

= 0,877

(4)

где /кс - площадь камеры смешения, м .

3.2.6. По полученным сечениям определяем диаметры отверстий сопла dс и камеры смешения dкс, м:

ё =

4 • /

п

(5)

3.2.7. Предварительно определяем расстояние между срезом сопла и началом камеры смешения 11, м:

11 =

10•k •

(6)

где к - коэффициент. Для данной конструкции к = 4,4.

Этот параметр уточняется при стендовых испытаниях, поэтому в конструкции аппарата необходимо предусмотреть возможность его изменения в небольших пределах. 3.2.8. Находим длину камеры смешения 1кс, м:

К, = 7 • ё„„ .

(7)

2

0

с

и

и

1 Давление во всех расчетах приведено в абсолютных величинах.

4. Расчет диффузора эжектора-кавитатора

Для обеспечения возникновения вторичной кавитации в эжекторе-кавитаторе конусный диффузор заменен на ступенчатый со специальными вкладышами в виде шайб. Количество ступеней п для судовых станций, производительность которых находится в пределах (1.. .100) м3/ч, может быть принята от 3 до 7 (см. табл. 1).

Таблица 1

Производительность, м3/ч 1.10 11.25 26.50 51.75 76.100

Число ступеней 3 4 5 6 7

Минимальный диаметр диффузора равен dкс, а максимальный - внутреннему диаметру корпуса эжектора-кавитатора dк. Корпус аппарата с учетом требований к судовому оборудованию должен быть изготовлен из трубы, диаметр которой соответствует диаметрам подводящей и отводящей линий для обеспечения отсутствия промежуточных звеньев в соединении узла.

Угол расширения струи жидкости в диффузоре ф, согласно [14], рекомендуется принимать в пределах (16.24)°. Учитывая замену конусного диффузора на ступенчатый, необходимо использовать минимальный рекомендованный угол.

4.1. Длину ступенчатого диффузора 1д можно определить следующим образом, м:

1д = ^к - dкс) • (8)

а длину каждой ступени 1ст ¡, м:

1т = 1д / П , (9)

где п - число ступеней, шт.

4.2. Вычисляем диаметры каждой ступени, di, м:

d¡ = йк - йкс + di 1, (10) ' п ¡

где ' - номер ступени.

Здесь необходимо сделать пояснения. Так, например, для диаметра первой ступени di-1 = d0 = dкс; диаметр второй ступени di-1 = d1 и т.д. Диаметр последней ступени равен dк.

4.3. Толщина шайб также принимается в зависимости от производительности (см. табл. 2).

Таблица 2

Производительность, м3/ч 1.10 11.25 26.50 51.75 76.100

Толщина ступеней 5 7.8 9.10 11.12 13.15

4.4. Угол сужения водогазовой струи в шайбах диффузора а рекомендуется принимать в пределах (15.30)°.

Заключение.

Следует отметить, что ряд величин при расчете определялся по эмпирическим формулам или носит рекомендательный характер, поэтому для создания методики проектирования эжектора-кавитатора необходимо провести дополнительные исследования. К ним относятся:

- оптимальная объемная скорость инжектируемой среды для эффективной кавитации (особенно вторичной) Qи;

- отношение площадей сечений камеры смешения и сопла /кс//с;

- расстояние между срезом сопла и началом камеры смешения 1};

- угол сужения струи в шайбах диффузора а. Список литературы:

[1] Арзуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях / Э.С. Арзуманов. -М.: Энергия, 1978. - 304 с.: ил.

[2] Биркгоф Б., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны / Б. Биркгоф, Э. Сарантонелло; пер. с англ. В.П. Вахомчик, М.М. Литвинов. - М.: МИР, 1964. - 468 с.: ил.

[3] Васильев А.Л. Применение ультразвука в системах очистки воды / Айнетдинов Р.М., Васильев А.Л., Мухина Е.В. // Великие реки - 2015 Труды конгресса. - Н.Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2015. - С. 193-195.

[4] Иванов А.Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений / А.Н. Иванов. - Л.: Судостроение, 1980. - 238 с.: ил.

[5] Иванов Л.А. О применении кавитаторов (обзорная статья) / Л.А. Иванов // Энергосбережение: Энергосберегающие технологии для промышленных предприятий. - Миасс, 2008. - С. 28-38.

[6] Исаков А.Я. Кавитация в перемешивающих устройствах: монография / А.Я. Исаков, А.А. Исаков - Петропавловск-Камчатский: Камчат. ГТУ, 2006. - 206 с.

[7] Курников А.С., Бурмистров Е.Г. Щепоткин А.В. К вопросу о создании эжекторов, устойчиво работающих при высоких давлениях сжатия. - В кн.: Моделирование и анализ сложных технических систем. - Н.Новгород: ВГАВТ, 1995. - Вып. 271. - С. 143-156.

[8] Махров В.П. Гидродинамика кавитационных течений, формируемых внешними гидродинамическими особенностями / В.П. Махров. - М.: Изд-во МАИ, 2011. - 158 с.

[9] Мизгирев Д.С., Курников А.С., Катраева И.В. Использование гидродинамических кавитато-ров для обеззараживания природных и сточных вод / Д.С. Мизгирев, А.С. Курников, И.В. Катраева // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - № 4 (34)/2015. - Казань: ФГБОУ ВПО «КГАСУ». - С. 243-246.

[10] Пикаев А.К., Кабакчи С.А. Реакционная способность первичных продуктов радиолиза воды / А.К. Пикаев, С.А. Кабакчи. - М.: Энергоиздат, 1982. - 200с.: ил.

[11] Пирсол И. Кавитация / И. Пирсол; пер. с англ. Ю.Ф. Журавлева. - М.: МИР, 1975. - 98 с.: ил.

[12] Рогачев С.Г., Степанянц В.С., Курбатов Л.М. Вихревой струйный аппарат (патент на изобретение) / С.Г. Рогачев, В.С. Степанянц, Л.М. Курбатов // № 2076250 МПК F04F. Патентообладатель Рогачев С.Г. - заявл. 29.04.1994; опубл. 27.03.1997. - 7 с.

[13] Рождественский В.В. Кавитация / В.В. Рождественский. - Л.: Судостроение, 1977. - 248 с.: ил.

[14] Смыслов В.В. Гидравлика и аэродинамика: учебник для вузов. - Пер. с укр., перераб. и доп. - К.: Вища школа, 1979. - 336 с.: ил.

[15] Соколов Е.Я., Зингер И.М. Струйные аппараты / Е.Я. Соколов, И.М. Зингер. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

[16] Тихомирова Н.А. Применение кавитационной обработки в производстве белковых молочных продуктов / Н.А. Тихомирова, З.В. Волокитина, Ж.Л. Гучок, И.И. Ионова, С.Д. Шестаков, Н.В. Подхомутов // Вестник Московского государственного университета прикладной биотехнологии. - 2011. - № 1 - С. 18-22.

[17] Федоткин И.М. О возможностях получения избыточной энергии при кавитации / И.М. Фе-доткин // К.: Вища школа, 1979. - 347 с.: ил.

THE EJECTOR-CAVITATOR DESIGN OF AS ONE OF THE SHIP'S SYSTEMS ELEMENTS

A.S. Kurnikov, D.S. Mizgirev, T.A. Miheeva

Keywords: cavitation, the cavitation generators, hydrodynamic cavitator, jet devices, the ejectors, the ejectors-cavitators, the method of calculation.

The article discusses the cavitation phenomenon and its beneficial use at processing various technological environments. The cavitation phenomena types classification and devices required to generate them is given. The hydrodynamic cavitator application expediency, in particular the ejector-cavitator in the polluted waters purification. This unit design method and its application prospects in ship systems is introduced.