Вихревой (гидродинамический) источник теплоты Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

в повышении эффективности растениеводства / А. А. Жу-ченко, А. Д. Урсул. - Кишинёв; Штинуа, 1983. - 304 с.

3. Методическое пособие по агроэнергетической и экономической оценке технологий и систем кормопроизводства. / Подготовлен А. А. Михайличенко,

А. А. Кутузова, Ю. К. Новосёлов [и др.]. - М.: 1995. - 174 с.

ВИХРЕВОЙ (ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ) ИСТОЧНИК

ТЕПЛОТЫ

Н. В. Оболенский, д.т.н., профессор кафедры «Механика», НГИЭИ;

Ю. Е. Крайнов, преподаватель кафедры «Механика», НГИЭИ;

С. Б. Красиков, директор ГОУ НПО «Профессиональный лицей»

Аннотация. Разрабатываемые в рамках кавитационно-акустического воздействия технологии и оборудование могут быть использованы в различных отраслях промышленности, в частности, в пищевой промышленности при обработке сырной сыворотки.

Ключевые слова: ультразвук, кавитация, полость, каверна, нагрев.

VORTICAL (HYDRODYNAMICAL) SOURCE OF HEAT OF

N. V. Obolensky, the doctor of technical sciences, the professor of the chair «Mechanic», NGIEI;

J. E. Krajnov, the teacher of the chair «Mechanic»,

NGIEI;

S. V. Krasikov, the director GOU NPO «Professional liceum»

Annotation: technologies developed within the limits of cavitative-acoustic influence and the equipment can be used in various industries, in particular, in the food-processing industry at processing cheese whey.

Keywords: ultrasound, cavitation, a cavern, a cavity, heating.

Использование ультразвуковых колебаний высокой интенсивности позволяет ускорить многие технологические процессы, протекающие в жидких, газообразных и твердых средах. Основным фактором, инициирующим ускорение процессов в ультразвуковом поле высокой интенсивности, является кавитация - явление образования и схлопывания парогазовых пузырьков в жидкой среде, подвергаемой гидродинамическому воздействию (рис. 1).

Кав итзцноннйя зона

Рис. ение гидродинамической кавитации в

жидкой среде

Явление гидродинамической кавитации, возникает при распространении в жидкости упругих колебаний с заданной амплитудой гармонического давления и строго де-

терминировано по распределению энергии с параметрами пространства упругих колебаний.

Кавитационные реакторы конструкции Ю. С. Потапова - ЮСМАР были первыми серийно выпускаемыми и внедренными в эксплуатацию. Кроме ЮСМАР малыми сериями изготавливались и поставлялись потребителям теплогенераторы: Палевича А. Ф. (патент ЯИ 2129689 от

06.04.98 г.), Мустафаева Р. И. (патент ЯИ 2132517 от

27.06.99 г.), Калиниченко А. Б. (патент ЯИ 2223452 от 10.02.04 г.) и близкий по конструкции инжекторный термогенератор Курносова Н. Е (патент ЯИ 2177591 от 27.12.01 г.), где для ускорения жидкости вместо циклона используется тангенциальное сопло. В настоящее время нам известно 32 патента на «вихревые трубы» и 18 патентов на инжекторные/эжекторные теплогенераторы. [1].

За основу кавитационного реактора была принята Вихревая труба Ранке[1].

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = VI;, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

* - Vй- О)

где Р - гидростатическое давление набегающего потока, Па; Рэ - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па; р - плотность среды, кг/м3; V - скорость потока на входе в систему, м/с.

В зависимости от величины X можно различать четыре вида потоков [2]:

1) докавитационный - сплошной (однофазный) поток при X > 1;

2) кавитационный - (двухфазный) поток при X ~ 1;

3) плёночный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при X < 1;

4) суперкавитационный - при X < 1.

Нами на стенде ТИЭПВ-1 [3],установленном в лаборатории кафедры «Механика» ГБОУ ВПО НГИЭИ, проведены исследования вихревого (гидродинамического) теплогенератора с целью определения возможности усиления гидродинамической составляющей кавитационного воздействия в вихревой трубе, а также определения оптимальных геометрических параметров улитки и удельного расхода электроэнергии (Жуд) для нагрева 1 кг воды на 1 оС,

Вт ч/кг оС:

Жуд = (2)

гдеЖ - количество электроэнергии, потреблённоё ВТГ в течение 1 ч; Оф - усреднённое фактическое количество воды, нагретой в течение 1 ч; А1} - усреднённая разница между температурой воды на выходе из ВТГ и на входе в него в начале испытаний.

В качестве прототипа исследуемого теплогенератора был принят вихревой теплогенератор Потапова Ю. С. (рис. 2) [1].

Рис. 2. Вихревая труба: 1 - развихритель, 2 - корпус трубы, 3 - улитка

При входе в улитку (рис.3, а) поток воды закручивается в вихревом движении и, пройдя по кругу, обжимает входной поток, создавая на входе в улитку неполный гидравлический удар, в котором сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и с резким перепадом давления. Эффект сопровождается звуковым импульсом тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк.

Рис. 3. Улитка теплогенератора (а) и звуковой спектр (б) при её работе

Если степень развития кавитации такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром (рис.3,6 ^от нескольких сотен Гц до тысяч Г ц.

Известно [2], что на элементарную струйку воздействуют факторы 1...4 (см. рис.4):

1) йРх = р • dw; dP2 = | р + —РdS \dffl - давление на

V —8 )

торцевые сечения;

2) dG = р • g • • dS — масса выделенного элемента;

3) dF = т • 1% • 33 — сила сопротивления по периметру

<18686

d%;

Л\ 1т^ 1 1ы 1 1Г1 1ы

4) 1рпр = 1ш — = р ■ • а8-----сила инерции, свя-

! dt

занная с изменением во время скорости течения,

Рис. 4. Факторы, действующие на элементарную струйку

Применительно к системе гидроудара основное уравнение неустановившегося движения имеет вид:

Л_+ц + и! 'I—{_д_+.+ ± 'I + |_т. ^+Г-—^18 = 0. р-g 2g) Vр• g 2g) 8,р-g 1 g■— (3)

При этом повышение давления в улитке будет равным:

1 (4)

Р ■ I -гг- +

1 В

Е1 Ь ■ Е 2

где р - давление, р - плотность, V — скорость жидкости, Ех - модуль упругости жидкости, Е21 - модуль упругости стенок улитки, и - диаметр улитки.

Для усиления явления гидродинамической кавитации гидроудара при неустановившемся движении жидкости, нами изменена конструкция входной части реактора, используя уравнения (3) и (4), рассчитан и изготовлен опытный образец улитки (рис.5), а также проведены сравнительные испытания реактора с существующей и вновь рассчитанной улиткой.

Рис. 5. Реактор кавитационного теплообменника с набором различных улиток

Результаты испытаний отражены на рис.6 и 7.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

г, мин

Рис. 6. Зависимость температуры нагрева 20 кг воды в режиме рециркуляции

90

123456789 10 11 Ц

—♦—Стандартная модель '

т, мин

Рис. 7. Зависимость температуры нагрева в режиме отопления

Результаты исследований показатели, что изменение конструкции модели улитки привело к увеличению скорости нагрева воды при одних и тех же исходных параметрах реактора.

Кавитационный реактор - рабочая модель при работе в режиме циркуляции нагревает воду, например до 70 оС, на 4,9 %, а с рассечением потока на 9,8 % быстрее, в режиме отопления, соответственно, на 5,0 % и 14,2 %. Таким образом, изменение конструкции улитки приводит к улучшению эксплуатационных параметров кавитационного реактора.

Эффективность кавитационно-акустического воздействия в технологических процессах сельскохозяйственного производства показана в работе [5].

Применение кавитационного реактора в пищевой промышленности позволяет не просто нагревать продукты, но и использовать его как специальное технологическое оборудование. В частности, в таких технологических процессах, как пастеризация сырного рассола.

Проведённые на стенде [3, 6, 7] исследования показали, что использование кавитационной установки не требует, например, при обработке сырной сыворотки нагревать её выше 90 °С. Достаточен нагрев всего до 70 °С, т.к. уничтожение микроорганизмов в ней происходит за счет схлопывания и кавитационных пузырьков, а увеличение скорости нагрева среды позволяет экономить от 4,9 до 14,2 % расходуемой электроэнергии. К тому же такая обработка пищевых продуктов значительно меньше изменяет их физико-химические и структурно-механические свойства, а также способствует получению продукта с максимальным содержанием в нем питательных веществ и витаминов при минимальных потерях сырья.

Список литературы

1. Потапов, Ю. С. Энергия вращения. / Ю. С. Потапов Л. П., Фоминский, С. Ю. Потапов.

2. Иванов, А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений / Иванов А. Н. - Л.: Судостроение, 1980. - 237 с.

3. Осокин, В. Л. Результаты экспериментальнотеоретических исследований по разработке стенда испытаний подогревателей воды: монография /В. Л. Осокин. -Княгинино; Изд-во НГИЭИ, 2011. - 142 с.

4. Федоткин, И. М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности (теория, расчеты и конструкции кавитационных аппара-тов).Ч.1. / И. М. Федоткин, И. С. Гулый - К.: Полиграф-книга, 1997. - 940 с.

5. Крайнов, Ю. Е. Эффективность кавитационноакустического воздействия в технологических процессах сельскохозяйственного производства / Н.В. Оболенский,

В. Л. Осокин, Ю. Е. Крайнов // «Механизация и электрификация сельского хозяйства». - 2011. - № 5 - С.23.. .25.

6. Патент на полезную модель № 101835 (заявка № 2010130289). Стенд для испытаний электрических конструкций подогревателей воды / Н. В. Оболенский, В. Л. Осокин. (РФ). - 4с: ил.1. Опубл. 27.01.2011. Бюл. № 3.

7. Патент на полезную модель № 107360 (заявка

№ 2011111913). Стенд для испытаний электрических подогревателей воды / Н. В. Оболенский, В. Л. Осокин,

Ю. Е. Крайнов, С. А. Борисов, С. Б. Красиков (РФ). - 4 с: ил.1. Опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.