CC BY
138
УДК 532.528
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ КАВИТАЦИИ
В.М. Червяков1, В.Ф. Юдаев2, Ю.В. Воробьев1, В.А. Алексеев3, Л.В. Чичева-Филатова2, Н.И. Акулов2
Кафедра «Теория механизмов машин и деталей машин», ТГТУ (1); кафедра «Процессы и аппараты пищевых производств»,
Московский государственный университет технологий и управления (2); кафедра физики, Южно-Уральский государственный университет,
г. Челябинск (3)
Ключевые слова и фразы: акустическая кавитация; гидродинамическая кавитация; кавитационная эрозия; кавитационный эффект; критерии кавитации; мера возбуждения кавитации; порог кавитации.
Аннотация: На основании теоретических и экспериментальных исследований кавитационных явлений предложено определение границ областей докавита-ционного, кавитационного и суперкавитационного режимов работы аппаратов.
Под кавитацией обычно понимают образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненный паром, газом или их смесью [1]. Кавитация известна главным образом своими вредными последствиями, такими как ухудшение характеристик гидромашин, эрозия и шум. Имеется целый ряд исследований, посвященных кавитационной эрозии. В ряде работ доказывается наличие тесной связи между кавитационной эрозией и интенсивностью кавитации, например в [2 - 4]. Показано, что максимальная эрозия и максимум кавитационного шума находятся в одной и той же узкой полосе чисел кавитации. В целях борьбы с этими вредными явлениями принимают конструктивные меры по ограничению режимов работы, которые позволяют избежать возникновения кавитационных явлений. Однако, в настоящее время все чаще специально возбуждают кавитацию для тех или иных полезных целей.
Кавитация является одним из важнейших факторов, способствующих интенсификации различных химико-технологических процессов, например - диспергирования, растворения, получения тонкодисперсных пигментов, в фармацевтической и пищевой промышленностях и т.п. [5 - 7].
Различают кавитацию акустическую, возникающую в жидкой среде при прохождении звуковой волны большой интенсивности, и гидродинамическую, обусловленную резким локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения.
Акустическая кавитация представляет собой эффективный механизм концентрации энергии. Во время кавитации относительно низкая средняя плотность энергии звукового поля трансформируется в очень высокую плотность энергии, связанную с захлопывающимся пузырьком. Концентрация энергии в очень малых объемах и объясняет высокую эффективность применения акустической кавитации для интенсификации процессов химической технологии [8].
Гидродинамическая кавитация менее эффективна при воздействии на обрабатываемую среду, однако устройства для ее искусственного возбуждения отличаются простотой и надежностью.
Момент возникновения, процесс развития акустической и гидродинамической кавитации характеризуется числами акустической и гидродинамической кавитации соответственно. Обе эти величины зависят от многих параметров, характеризующих как состояние жидкости - газосодержание, наличие зародышей кавитации, температуры, так и внешние условия - гидростатическое давление, скорость потока, частота звукового поля и т. д.
Известно, что кавитация в жидкости возбуждается при растягивающих напряжениях, превышающих некоторое минимальное значение, так называемый порог кавитации [9]. Порог кавитации определяется экспериментально и зависит не только от объективных факторов, но и от методов определения начала кавитационных эффектов при возрастании меры возбуждения или прекращения кавитационных эффектов в кавитирующей жидкости при уменьшении меры возбуждения. Как правило, в первом случае порог кавитации больше, чем во втором, то есть при кавитации имеет место явление гистерезиса [10].
Цель, для достижения которой возбуждается или подавляется кавитация, определяет и метод наблюдения кавитации. В экспериментах в качестве меры кавитационного эффекта (Э) используют различные факторы: скорость технологического процесса, сонолюминесценцию, интегральный кавитационный шум, его спектральные составляющие, появление субгармоники, амплитуду кавитационных импульсов давления при импульсном возбуждении кавитации; интенсивность света, который рассеивается или проходит через кавитационную область и др.
В качестве фактора, значение которого определяет наличие или отсутствие кавитации - назовем его мерой возбуждения кавитации (М) - разные исследователи принимали: скорость или квадрат скорости при гидродинамической кавитации; амплитуду смещения, скорости или ускорения стенки твердотельного излучателя в жидкость (например, электро- или магнитострикционного); потребляемую мощность излучателя; интенсивность или плотность энергии акустических волн. В [11] предложено в качестве меры возбуждения принять значение критерия кавитации %, а точнее - его обратную величину %-1. Причем, если акустическая кавитация возбуждается одновременно с гидродинамической, то, как показывают теория [11] и эксперимент [12], обратная величина обобщенного критерия кавитации равна сумме обратных величин критериев гидродинамической %г и акустической %а кавитации:
С- = С4 + Ха4
Зависимость кавитационного эффекта Э от меры возбуждения кавитации М = Х-1 имеет вид кривой с максимумом, которую впервые экспериментально наблюдал Непайрас [13] при акустическом возбуждении кавитации. Авторы работы [14] при очень малых значениях числа акустической кавитации обнаружили су-перкавитационный режим работы аппарата с магнитострикционным излучателем, снабженным трансформатором скорости. Переход в суперкавитационный режим они назвали вторым порогом кавитации, когда волновое сопротивление кавитационной области становится на несколько порядков меньше волнового сопротивления жидкости.
Зависимости интенсивности кавитационного шума, эрозии цилиндра, помещенного в трубу Вентури [15], уменьшение веса образца в гидродинамической трубе [9] от статического давления в жидкости также имеют экстремальный характер. В последнем случае при увеличении давления перед рабочей частью об-
разца скорость разрушения достигает максимума, а затем падает с ростом давления в зоне кавитации.
В исследовании [16] приведены экспериментальные данные о влиянии статического давления на интенсивность кавитации возбуждаемой в роторном аппарате. Зависимость величины кавитационных импульсов давления от статического давления также имеет четко выраженный максимум. Аналогичные результаты получены в работе [17].
В работе [11] на основе решения уравнения динамики пузыря в газожидкостной смеси с пульсирующей объемной концентрацией свободного газа впервые теоретически получена кривая с максимумом амплитуды кавитационного импульса давления в зависимости от логарифма критерия кавитации %.
Таким образом, во всех известных случаях кривая Э(М) (см. рис.) позволяет определить не только границу докавитационного и кавитационного режимов работы аппарата, но и технологический порог кавитации, то есть 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 Э(М). Очевидно, что при оптимальной величине критерия кавитации Мопт значение кавитационного эффекта максимально.
В зависимости от наблюдаемого кавитационного эффекта характерные точки кривой могут соответствовать разным значениям меры возбуждения кавитации, то есть область рекомендуемых значений М может быть уже или шире. Предложенный метод определения границ режимов работы аппарата и оптимальной меры воздействия по кривой Э(М) является объективным и количественным, хотя местоположение характерных точек на кривой зависит от метода измерения и от физической величины, принятой за меру кавитационного эффекта.
Рис. Типичная зависимость кавитационного эффекта Э от меры возбуждения М.
Области режимов работы аппарата: I - докавитационного; II - кавитационного;
III - суперкавитационного
1 Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под ред. И.П. Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
2 Рамамурти, А. С. Степенная зависимость кавитационной эрозии и шума от скорости потока / А. С. Рамамурти, П. Бхаскаран // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1979. - Т. 101, № 1. - С. 188 - 195.
3 Шаин, Д.Л. Шум и эрозионное действие авторезонансных кавитирующих струй / Д. Л. Шаин, П. Курбьер // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1988. - Т. 110, № 3. - С. 317 - 328.
4 Ильичев, В.И. О соотношении акустических шумов и эрозии в гидродинамической кавитации / В.И. Ильичев, Г.Н. Кузнецов // ДАН СССР. - 1968. -Т. 179, Вып. 4. - С. 809 - 812.
5 Балабышко, А. М. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности / А.М. Балабышко, В.Ф. Юдаев. - М.: Недра, 1992. -176 с.
6 Балабышко, А. М. Гидромеханическое диспергирование / А. М. Балабыш-ко, А.И. Зимин, В.П. Ружицкий. - М.: Наука, 1998. - 331 с.
7 Caviting and structured jets for mechanical bits to increase drilling Rate / V.E. Johnson, D.L. Jr. Chahine, W.T. Lindermuth, A.F. Conn, G.S. Frederick, G.J. Gia-chiro, // ASME Journal of energy resources technology. - 1984. - V. 106. - Рр. 282 - 294.
8 Физическая акустика / под ред. У. Мэзона. Методы и приборы ультразвуковых исследований. - М.: Мир, 1967. - С. 7-138.
9 Кнэпп, Р. Кавитация / Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. - М.: Мир, 1974. -436 с.
10 Холл, Ж.В. Кавитационный гистерезис / Ж.В. Холл, А.Л. Тристер // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1966. - Т. 88, №1. - С. 159 - 171.
11 Юдаев, В.Ф. Гидромеханические процессы в роторных аппаратах с модуляцией проходного сечения обрабатываемой среды / В.Ф. Юдаев // ТОХТ. -1994. - Т. 28, № 6. - С. 581 - 590.
12 Юдаев, В.Ф. Об акустической кавитации в гидродинамических сиренах /
B.Ф. Юдаев // Акустика и ультразвуковая техника. - Киев: Техника, 1983. -
C. 13 - 18.
13 Neppiras, E.A. Acoustik cavitation / E.A. Neppiras // Phys. reports. - 1989. -V.3. - Рр. 159 - 251.
14 Монахов, В.Н. К вопросу о втором пороге кавитации в воде / В.Н. Монахов, С.Л. Пешковский, А.Д. Яковлев, А.С. Першин // Акуст. журн. - 1975. - Т. 21. -№ 3. - С. 432 - 436.
15 Чандрасекхара, Д.В. Влияние давления на длину каверны и кавитационное разрушение за круглыми цилиндрами в трубе Вентури / Д. В. Чандрасекхара, Б.Ц. Сиамала Рао // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1973. - Т. 95, № 2. - С. 95 - 103.
16 Червяков, В. М. Растворение твердого в жидкости и диспергирование жидкостей в роторном аппарате с модуляцией потока: Автореф. дис. на ... канд. техн. наук: 05. 17. 08 / В.М Червяков. - М., 1982. - 16 с.
17 Промтов, М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика : монография / М. А. Промтов. - М.: Машиностроение-1, 2001. - 260 с.
Operation Modes of Technological Equipment Using Cavitation Stimulation
V.M. Chervyakov1, V.F. Yudaev2, Yu.V. Vorobyov1, V.A. Alekseev3,
L.V. Chicheva-Filatova2, N.I. Akulov2
Department “Theory of Machine Mechanisms and Machine Parts ”, TSTU (1);
Department “Processes and Apparatuses of Food Industry ”,
Moscow State University of Technologies and Management (2);
Department of Physics, South Ural State University, Chelyabinsk (3)
Key words and phrases: acoustic cavitation; hydrodynamic cavitation; cavitation erosion; cavitation critera; cavitation limit; the measure of cavitation stimulation; cavitation effect.
Abstract: On the basis of theoretical and experimental research the determination of area borders of pre-cavitation, cavitation and super-cavitation operation modes of apparatuses is proposed.
Arbeitsablauf der technologischen Anlagen mit der Kavitationserregung
Zusammenfassung: Auf Grund der theoretischen und experimentellen Untersuchungen der Kavitationserscheinungen ist die Grenzenbestimmung von Bereichen des Vorkavitations-, Kavitations- und Superkavitationsarbeitsablaufes von Apparaten vorgeschlagen.
Régimes du fonctionnement de l’équipement technologique avec l’excitation de la cavitation
Résumé: A la base des études théoriques et expérimentales des phénomènes de cavitation est proposée la définition des limites des domaines des régimes d’avant la cavitation, de cavitation et de supercavitation dans le fonctionnement des appareils.
