Конструкция кавитаторы: Отличия кавитаторов, их применение в гидродинамических установках УКГ

Содержание

Отличия кавитаторов, их применение в гидродинамических установках УКГ

Тяжелые фракции нефти обладают высокой вязкостью, содержат растворенные газы, твердые включения, продукты окисления, воду, балластные вещества, большое количество углеводородов парафинового типа. Кроме того, качество мазутов сильно снижается от длительного хранения. Они насыщаются водой, веществами органического происхождения, окисляются. Это несколько ограничивает применение мазутов в качестве топлива, особенно в условиях жестких требований к содержанию вредных веществ в выбросах.

Главными проблемами теплоэнергетических предприятий, использующих в качестве топлива тяжелые углеводороды, являются низкая энергетическая эффективность мазутов, высокое содержание токсичных продуктов в выбросах, сильный износ тепловых установок при сжигании черных нефтепродуктов. Разработки решений ведутся в двух направлениях:

  • Усовершенствование котельных агрегатов и печей.
  • Улучшение характеристик топлива, увеличение его теплотворной способности и снижения примесей.

Для повышения интенсивности процесса горения топлива используется распыление мазута через форсунки специальной конструкции под высоким давлением. Это позволяет увеличить теплоотдачу и снизить количество выбросов. Серьезными недостатками такого оборудования являются его высокая стоимость, необходимость часто менять фильтры, дороговизна технического обслуживания и ремонта. Многочисленные испытания энергетических установок выявили зависимость износа горелок и других узлов от качества топлива.

Таким образом, обработка мазутов является наиболее перспективным направлением в области повышения эффективности теплоэнергетики предприятий. Процесс подготовки топлива должен решать следующие задачи:

  • Увеличить энергетическую ценность мазутов.
  • Снизить содержание веществ, снижающих срок службы печей и котлов, а также уменьшить токсичность продуктов горения.

Кавитационная обработка мазутов позволяет успешно решить эти задачи. При схлопывании разряженных пузырей возникает ударная волна, которая разбивает цепочки молекул, веществ, содержащихся в топливе, разрушает его физико-химическую структуру. После такой обработки возрастает количество низкомолекулярных соединений и образуется новая структура. В результате химических реакций снижается количество примесей, содержащих серу и фосфор.

Виды кавитаторов

Существует несколько видов кавитаторов, имеющих разную конструкцию и принцип действия:

  • Ультразвуковые или магнитострикторы. Явление кавитации возникает под действием ультразвуковых колебаний мембраны этого устройства.
  • Пассивные. Эти установки содержат трубы разного диаметра и резервуары, где происходит завихрение потока.
  • Активные. Эти устройства свою очередь делятся на лопастные и гидродинамические. Первые состоят из рабочего колеса и статора. Эффект кавитации возникает благодаря вращению подвижной части установки. В гидродинамических установках полости разряжения образуются посредством резкого изменения скорости потока.

Ультразвуковые устройства имеют малую производительность и очень высокую цену. Они также весьма дороги в обслуживании. Использовать ультразвуковые кавитаторы для обработки нефтепродуктов экономически нецелесообразно. Основная сфера применения установок такого типа – парфюмерно-косметическая и фармацевтическая промышленность.

Пассивные или установки ФЬЮСОНИК – имеют простую конструкцию и невысокую стоимость. Кроме этого, к достоинствам аппаратов этого типа следует отнести:

  • Способность выдерживать высокую температуру и давление.
  • Отсутствие необходимости осуществлять замену узлов установки.

При всех преимуществах пассивные кавитаторы имеют ряд серьезных недостатков, ограничивающих их применение, таких как:

  • Невозможность настройки параметров в зависимости от вязкости и других свойств нефтепродуктов.
  • Крупный размер частиц эмульсий. Обработка на аппарате ФЬЮСОНИК не позволяет получать смеси мелкодисперсной структуры. Минимальный размер частиц составляет 10 мкг.
  • Продолжительность обработки. Кавитация возникает только в камерах аппарата, для получения продукции необходимого качества требуется несколько раз пропускать жидкость через кавитатор.
  • Образование отложений на внутренних стенках установки. Это приводит к ухудшению гидродинамических характеристик аппарата и ухудшению качества получаемого продукта.

Рабочим органом лопастных кавитаторов являются колеса с лопатками определенного размера и профиля. Области разряжения возникают благодаря их вращению. Такие аппараты эффективней пассивных, однако, имеют свои недостатки:

  • Быстрый износ лопастей, которые постоянно подвергаются кавитационным ударам.
  • Образование полостей с отрицательным давлением происходит только за лопастями крыльчатки.

Гидродинамические кавитаторы состоят из подвижного и неподвижного корпусов, статора, приводного электродвигателя, подшипников. В роторе и статоре выполнены отверстия. При вращении подвижной части аппарата возникают периодически открывающиеся и закрывающиеся окна. Кавитационные пузыри возникают при резкой остановке потока при закрытии окна. Установки такого типа имеют следующие недостатки:

  • Необходимость частой замены ротора и статора, которые изнашиваются от воздействия ударной волны.
  • Наличие зазора между ротором и статором.

Зазор между вращающейся и неподвижной частями установки является основным недостатком гидродинамических аппаратов. Через него возникает свободный ток жидкости, что препятствует возникновению условий для кавитации во всем объеме нефтепродуктов. Минимально возможный зазор – 0,1 мм. Однако при изменении размеров ротора и статора под влиянием высокой температуры возможно трение подвижной части о внутренние стенки статора.

Кавитаторы, производимые нашим производственным объединением, лишены обычных недостатков гидродинамических аппаратов. Они обладают следующими преимуществами:

  • Наличие уплотнителей уникальной конструкции, позволяющих уменьшить зазор между ротором и статором до минимально возможного.
  • Возможность замены рабочих частей без демонтажа кавитатора.
  • Возможность регулировки зазора между ротором и статором с учетом температурного расширения узлов установки и их износа.

Изменение промежутка между вращающейся частью установки возможно благодаря перемещению статора в корпусе аппарата по направляющим посредством регулировочного винта.

1. Статор, 2. Ротор, 3. Корпус излучателя, 4. Крышка корпуса, 5. Корпус неподвижный, 6. Корпус подвижный, 7. Вал, 8. Подшипник.

Работа установок гидродинамического типа осуществляется следующим образом. Жидкость подается в аппарат под определением давлением. Подвижная часть установки с отверстиями определенного размера и профиля вращается в неподвижном статоре, который имеет окна той же формы и размеров. При совпадении отверстий жидкость проходит через них со скоростью, определяемой величиной напора подающего насосного агрегата.

При закрытии окна поток резко изменяет скорость. За счет инерции жидкость растягивается, внутри нее резко падает давление. При его снижении вещества, растворенные в ней, вскипают и переходят в газообразное состояние. Благодаря этому, в жидкости образуются микрополости разряжения. Далее сила инерции, атмосферного давления и давления разряжения в кавитационном пузыре уравниваются. Эта фаза называется точкой равновесия, ее продолжительность исчисляется миллисекундами.

а,б,в рост кавитационной полости, уменьшение силы инерции, г – равновесие

Далее при ослабевании инерции давление разряжения внутри пузырьков начинает превышать равновесные значения, происходит интенсивное схлопывание образовавшихся полостей. В это время отверстия ротора и статора снова совмещаются, что приводит к усилению интенсивности процесса схлопывания. Благодаря встрече разнонаправленных потоков, образованных током жидкости через окно, и схлопыванием кавитационных микропузырей, возникает гидроудар, который способствует дроблению крупных молекул и разрыву структурных связей между частицами жидкости. В результате такой обработки получается жидкость, имеющая другую структуру. Кроме того, кавитация способствуют выделению растворенных газов и протеканию химических реакций, что снижает содержание нежелательных примесей.

а,б,в – схлопывание кавитационной полости рост скорости потока, г — гидроудар

Во время кавитационной обработки вода разбивается на поляризованные микрочастицы размером 1-3 мкм (мицеллы). К заряженным частицам воды притягиваются углеводородные молекулы с разноименным зарядом. За счет равномерного распределения частиц воды в мазуте и сил притяжения образуется эмульсия с устойчивой структурой, не подверженная разрушению при низких температурах и длительном хранении.

При сжигании водоэмульсионного топлива происходят следующие процессы:

Вода, содержащаяся в эмульсии, вскипает при попадании в топку. Мицеллы начинают резко расширяться. Испарению воды препятствуют налипшие на микрочастицу углеводородные соединения. В определенный момент микрокапли взрываются и распыляют частицы мазута в зоне сжигания. Это эквивалентно распылению топлива под высоким давлением. За счет многократного увеличения площади соприкосновения мазута и воздуха, процесс его сгорания протекает более интенсивно, что существенно увеличивает количество выделяемого тепла, снижает содержание токсичных веществ, а также позволяет уменьшить температуру отходящих продуктов горения.

Таким образом, использование такого топлива позволяет отказаться от дорогостоящих энергетических установок с системой распыления мазута под значительным избыточным давлением.

Результаты замеров показали, что при содержании воды до 40% теплотворная способность топлива практически не изменяется. Разница между количеством энергии выделяемого при сжигании топлива с содержанием воды 40% и 10% составляет всего 1 %.

Применение топлива, получаемого на наших установках, позволяет:

  • Снизить расход мазута до 30%. Водо-мазутные смеси выделяют примерно такое же количество тепла, что и чистые мазуты.
  • Снизить расходы на содержание котельных. За счет снижения температуры газов, поступающих в дымоход, а также веществ, вызывающих коррозию узлов котельных агрегатов, износ энергетических установок происходит намного медленнее.
  • Уменьшить плату за ущерб экологии. Выплаты за ущерб окружающей среде – обязательное требование Российского законодательства. Снижение количества опасных веществ в выбросах позволяет сделать перерасчет этих выплат и существенно сократить расходы.

Содержание серы в продуктах сгорания падает 2,8 раз, оксидов азота – в 4,3, угарного газа – в 23,4. Кроме того, снижается концентрация смол и чистого углерода.

Кроме производства экологичного топлива с высокой теплотворной способностью для котлов и других агрегатов по производству тепловой энергии, наши установки используются:

  • Для увеличения октанового числа бензинов.
  • Для снижения содержания парафинов в нефти, увлечение содержания в ней легких низкомолекулярных фракций.
  • Для производства многокомпонентных ГСМ.
  • Для получение зимней солярки из летнего ДТ,
  • Для снижения содержания серы и других нежелательных примесей в ДТ.
  • Для производства мазутов и утилизации нефтешламов совместно с загрязненной водой.

В целом, экономический эффект от внедрения оборудования нашего производства на теплоэнергетических предприятиях может составлять до 30%. Основной причиной тому, является полное сгорание топлива и как следствие увеличение теплоотдачи. Уменьшение затрат зависит от типа используемых на предприятии котлов, химического состава исходных компонентов. Но, что с уверенностью мы можем гарантировать, это 7-8% реальной экономии. Увеличение экономической эффективности нефтепроводов, предприятий по производству вторсырья, нефтеперерабатывающей отрасли — является первостепенной задачей. Наше предприятие производит широкий модельный ряд кавитационных гидродинамических установок, которые различаются производительностью и комплектацией для различных отраслей промышленности и производств.

Гомогенизаторы, кавитаторы | ИННОТОПЛИВО

Назначение

Кавитаторы представляют собой устройства для высокоинтенсивной обработки жидкого топлива – нефти, мазута, топливных суспензий. Обработка жидкостей в кавитаторах приводит к образованию кавитационных пузырьков (каверн), внутри которых в момент схлопывания формируется давление до 100МПа. Благодаря столь высокому давлению внутри жидкости формируются ультразвуковые волны, которые приводят к образованию в углеводородном сырье “активированных” частиц: ионов и радикалов. В результате образования “активированных” частиц снижается вязкость углеводородного топлива, происходит микроизмельчение твёрдых включений, обрабатываемая жидкость тщательно перемешивается.

Учитывая все проявления кавитации, кавитационные аппараты применяются для следующих целей:

  • снижение вязкости нефти и нефтепродуктов – мазута, дизельного топлива и др.
  • гомогенизация обводнённого топлива – частицы воды равномерно смешиваются с нефтью/мазутом, образуя стабильную эффективно сжигаемую водотопливную эмульсию
  • топливоподготовка жидкого топлива перед сжиганием – за счёт мелкодиспергированных частиц и снижения вязкости процесс горения существенно улучшается
  • другие применения.

Типы кавитаторов

Механические кавитаторы бывают двух типов – роторные и статические (проточные). Наша компания производит и поставляет оба типа кавитаторов.
  • Кавитаторы роторного типа, Роторно-Импульсные Аппараты РИА, в большинстве случаев применяются там, где возможно обеспечить циркуляцию жидкости. Практика показала, что наилучший эффект от достигается через 3…5 циклов обработки в РИА.
  • Статические кавитаторы в большинстве случаев позволяют ограничиться одним циклом обработки и, следовательно, могут быть включены в линию.

Роторно-импулсьный аппарат

Роторно-импульсный аппарат (РИА) является кавитатором роторного типа и предназначен для обработки проходящих через него жидкостей, паст и суспензий. Эффект кавитации в РИА образуется за счёт прохождения жидкости под давлением через ротор и статор, у которых имеются прорези (отверстия). Из-за быстрого чередования моментов совпадения и несовпадения отверстий в роторе и статоре, в жидкости чередуются моменты высокого и низкого давления.

РИА также может быть использован как самостоятельное оборудование для обработки таких систем, как жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело. Основная функция, выполняемая РИА, – гомогенизация проходящей через него жидкости, эмульсии или суспензии. Топливо, прошедшее через РИА, становится однородным (гомогенным), что улучшает процесс его горения.

РИА выпускаются в стандартной комплектации в модификациях РИА-150-ВУТ, РИА-200-ВУТ, РИА-250-ВУТ. В зависимости от решаемой задачи, комплектация РИА и используемые материалы могут быть изменены по требованию Заказчика.

Технические характеристики стандартных роторных импульсных аппаратов:

Параметр

РИА-150-ВУТ

РИА-200-ВУТРИА-250-ВУТ
Диаметр ротора, мм

150

200

250

Количество каналов в роторе, статоре

18

24

36

Ширина каналов ротора, статора, мм

2 – 3

2 – 3

3

Производительность, м3/ч (на воде)

3 – 5

5 – 10

25 – 30

Мощность электродвигателя, кВт

2,0 – 3,0

5,0 – 7,5

15-18,5

Частота вращения, об/мин

3000

3000

3000

Напряжение, В

380

380

380

Возможно индивидуальное исполнение из нержавеющих материалов, с дополнительными устройствами КИПиА, обвязкой и т.д.

 

РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КАВИТАТОРА С ТОРОИДАЛЬНОЙ КАМЕРОЙ СМЕШЕНИЯ

Полная библиографическая ссылка: Курников А. С. РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КАВИТАТОРА С ТОРОИДАЛЬНОЙ КАМЕРОЙ СМЕШЕНИЯ / Александр Серафимович Курников, Дмитрий Сергеевич Мизгирев, Екатерина Алексеевна Черепкова // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2015. — №4(32). — C. 60-65. DOI: 10.21821/2309-5180-2015-7-4-60-65


РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КАВИТАТОРА С ТОРОИДАЛЬНОЙ КАМЕРОЙ СМЕШЕНИЯ

Аннотация

Одним из прогрессивных и эффективных процессов очистки жидкостей в последнее время является кавитация, которую можно получить искусственно в специальных аппаратах-кавитаторах. В статье предложена конструкция гидродинамического кавитатора с тороидальной камерой, как наиболее компактная и энергосберегающая. Указаны методы оценки эффективности кавитации: визуальный, акустический, фотоэлектрический, гидродинамический, химический, механический, технологический и радиоактивный. Проведен анализ существующих методов, который показал, что наиболее простым и в то же время достаточно точным является акустический. Выполнена оптимизация конструкции кавитатора по пяти факторам, к которым относятся: Ψ — эксцентриситет входного сопла, мм; L — расстояние между соплом и диффузором, мм; F /F — отношение площадей выходного отверстия к входному камеры смешения; Δр — перепад давлений, кПа; Т — температура воды, °С. В результате экспериментальных исследований на специально разработанном стенде была получена математическая модель работы кавитаторов производительностью 1-13 м3/ч. Обработаны результаты методом корреляционно регрессионного анализа. На основании математической модели были определены оптимальные характеристики кавитаторов.

Ключевые слова

кавитатор, тороидальная камера смешения, плавательный бассейн

Читать полный текст статьи:  PDF

Список литературы

Хитерхеева Н. С. Кавитационные аппараты: монография / Н. С. Хитерхеева. — Улан-Удэ: Изд-во Бурятского гос. ун-та, 2009. — 157 с.
Исаков А. Я. Кавитация в перемешивающих устройствах: монография / А. Я. Исаков, А. А. Исаков. — Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2006. — 206 с.
Махров В. П. Гидродинамика кавитационных течений, формируемых внешними гидродинамическими особенностями / В. П. Махров. — М.: Изд-во МАИ, 2011. — 158 с.
Рязанцев А. А. Окисление нитрофенола в воде с использованием гидродинамической кавитации / А. А. Рязанцев, Н. Б. Васильева, А. А. Батоева // Химия в интересах устойчивого развития. — Новосибирск, 2007. — Т. 15. — № 6. — С. 715-720.
Федоткин И. М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности: в 2 ч. / И. М. Федоткин, И. С. Гулый. — Киев: ОКО, 2000. — Ч. 1. — 898 с.
Синтех [Электронный ресурс] // Ртутные лампы среднего давления НОК/НТК/НТQ. — Режим доступа: http://sentech-medical.ru/files/tuv-lamps.pdf (дата обращения: 15.03.2015).
Витенько Т. Н. Механизм активизирующего действия гидродинамической кавитации на воду / Т. Н. Витенько, Я. М. Гумницкий // Химия и технология воды. — 2007. — Т. 29. — № 5. — С. 422-432.
Черепкова Е. А. Основы проектирования плавательных бассейнов на судах / Е. А. Черепкова, А. С. Курников // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. — 2013. — № 1 (20). — С. 107-115.
Проектирование, строительство и эксплуатация жилых зданий, предприятий коммунально-бытового обслуживания, учреждений образования, культуры, отдыха, спорта. Плавательные бассейны. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды. Контроль качества: СанПиН 2.1.2.1188- 03.2.1.2. — Введ. 1.06.2003.- М.: ИИЦ Минздрава России, 2003.-15 с.
Решняк В. И. Регулирование эксплуатационного и аварийного загрязнения окружающей среды на объектах водного транспорта / В. И. Решняк, З. Юзвяк, А. Г. Щуров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2013. — № 1. — С. 85-90.

Об авторах

Курников Александр Серафимович

ФБОУ ВПО «ВГУВТ»

Мизгирев Дмитрий Сергеевич

ФБОУ ВПО «ВГУВТ»

Черепкова Екатерина Алексеевна

ФБОУ ВПО «ВГУВТ»

Обзорная статья о применении кавитаторов

Основными факторами, определяющими ценность топлива является его теплотворная способность, определяемая количеством тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы топлива, физическими свойствами рабочего тела, содержанием вредных примесей в продуктах сгорания. Одним из наиболее радикальных средств повышения эффективности работы теплоэнергетических установок является улучшение качественных характеристик топлива, позволяющих интенсифицировать процесс горения, получить от единицы массы топлива большее количество энергии. Особенно при использовании в дизельных двигателях и в котлоагрегатах использующих высоковязкие мазуты, получаемые из остаточных фракций нефтепереработки.

Улучшение энергетических и экологических показателей теплоэнергетических комплексов в основном достигается посредством усовершенствования процессов горения топлива. В мазуте, как конечном продукте нефтепереработки, сосредотачиваются наиболее тяжелые фракции углеводородов, продукты термического крекинга, окисления, полимеризации, коксования; балласт-негорючая часть, состоящая из минеральной массы, металлов, золы, механических примесей. В процессе крекинга остаточные фракции обедняются водородом, что приводит с снижению теплотворной способности, жаропроизводительности мазута. Качество мазута ухудшается во время транспортировки, при длительном хранении в емкостях мазут окисляется, полимеризуется, насыщается биологическими организмами, обводняется; вследствие химических реакций углеводороды мазута превращаются в твердые, выпадающие в осадок продукты.

Опыт эксплуатации котлоагрегатов на тяжелых сортах топлива показал полную зависимость их долговечной, надежной и эффективной. работы от качества подготовки топлива к сгоранию. Соединения, входящие в состав остаточных нефтяных топлив, асфальтенов, смол, желеобразных сгущений, имеют длинные, развитые молекулярные цепи, с невысокой стабильностью связей С- С, которые могут быть разорваны под воздействием высокочастотных колебаний и за счет массообменных процессов между слоями обрабатываемой среды.
После разрушении высокочастотными акустическими колебаниями длинных углеводородных молекул, образовавшиеся легкие активные радикалы интенсивно перемешиваются вихревым потоком в объеме обрабатываемой среды, вступают в реакцию с молекулами остаточных углеводородных фракций

Обзор Кавитаторов

В настоящее время в мире появилось множество устройств, позволяющих возбудить в жидкости процесс кавитации (образования полостей с отрицательным давлением). Все расчеты и практика показывают, что от величины кавитационной полости зависит скорость схлопывания, а значит и степень воздействия на жидкости, находящиеся в зоне схлопывания. Способов возбуждения кавитации в жидкостях всего четыре.

  • С помощью ультразвуковых колебаний мембраны магнитостриктора. В зоне разряжения волны, образующейся от колебания мембраны тоже происходит образование кавитационных процессов.
  • С помощью проточных труб с переменным сечением или специальными камерами завихрения (фьюсоник). Принцип таков, что при резком падении давления на границе перехода образуются кавитационные полости.
  • С помощью вращения в протекающем потоке ротора (крыльчатки) определенного профиля.
  • С помощью резкого разрыва потока жидкости механическим путем.

1. Магнитострикторы

Самым дорогостоящим и малопроизводительным является магнитостриктор из-за очень дорогостоящей электронно-силовой части, возбуждающей мембрану. В Японии и Швейцарии такие приборы применяют в фармацевтическом и парфюмерно-косметическом производстве. Стоимость таких устройств, с производительностью до 0,5 м3/час, может доходить до 2 000 000 Евро. Но при малой производительности и высокой стоимости такие устройства и малонадежны, и дороги в эксплуатации и ремонте.

2. Кавитаторы типа ФЬЮСОНИК

Такой аппарат представляет собой трубу переменного сечения, без движущихся частей, без двигателя и электроники. Такие аппараты производят наиболее слабое воздействие на обрабатываемую жидкость, за счет того, что:

  • кавитация возникает не во всем объеме, жидкости
  • невозможность постоянного поддержания оптимального режима работы — в зависимости от температуры, давления, вязкости и др. физико-химических параметров обрабатываемой жидкости
  • добиться наиболее полного разрежения потока практически невозможно
  • возможен эффект налипания мазута, что резко сказывается на качества и производительности
  • требуется многократная обработка одного и того же объема жидкости для того, чтобы добиться более-менее однородной эмульсии.
  • — большая дисперсность ВМЭ — 10 микрон

Эти недостатки не компенсируются такими преимуществами как:

  • не содержит быстро изнашиваемых деталей, сальников, узлов вращения, не требуют обслуживания
  • не критичны к температуре и выдерживают большое давление мазута и высокую температуру (до 20 атм. и до 150 град).
  • более дешевые в изготовлении

Устройство некоторых кавитаторов типа Фьюсоник



         

 

                                       

Одна из разновидностей кавитаторов такого типа, это кавитаторы где ультразвуковые колебания в потоке жидкости возбуждаются вибрирующем в потоке с большой частотой телом. 

3. Лопастные кавитаторы

Представляют собой трубу в которой протекает жидкость, в жидкости вращается крыльчатка определенного профиля. Кавитация возникает за счет разрежения потока за лопастью. Кавитация более интенсивная по сравнению с кавитаторами типа ФЬЮСОНИК за счет многократности возникновения кавитации в единице объема.

— добиться наиболее полного разрежения потока практически невозможно
— кавитация возникает не во всем объеме, жидкости

4. Сирены гидродинамические

Представляют собой корпус с установленными в нем входным и выходным патрубками, в корпусе установлены концентрические ротор и статор с выполненными в них окнами. За счет того, что окна в статоре периодически открываются и закрываются происходит периодическое прерывание ВСЕГО потока жидкости, количество и размер окон подобраны таким образом, что происходит обработка ВСЕЙ жидкости.

Недостаток таких кавитаторов:
— абразивный износ рабочих поверхностей ротора и статора, в следствии чего требуется периодическая их замена,
— Невозможность технологически выполнить зазор между ротором и статором менее 0,1 мм.
Принцип работы рассмотрен ниже на примере нашего кавитатора.

5. Наши кавитаторы – дальнейшее развитие Гидродинамических сирен

Главная отличительная черта наших установок это конструкция рабочих частей (статора и ротора).

  Конструкция 
других производителей Наша конструкция

Наша конструкция позволяет без проблем выводить износ рабочих частей и регулировать зазор между статором и ротором без демонтажа установки.
Другие конструкции не позволяют ликвидировать износ в зазоре. Приходится менять сразу пару статор и ротор, что очень дорого и требует много времени.
Уплотнительный узел на наших установках кардинально отличается от других конструкций.

Регулировка зазора ∆ между статором и ротором.

От величины зазора ∆ между статором и ротором зависит интенсивность кавитационных процессов возникающих в каналах статора. В идеале, этого зазора не должно вообще существовать, чтобы не допустить перетеканий в зазоре.
Во время работы аппарата происходит изменение температуры рабочих частей и вала, что ведет к изменению величины зазора, что в свою очередь может привести к затиранию статора и ротора.
Данная конструкция позволяет оперативно производить регулировку зазора непосредственно на разогретой в процессе работы установке, и настраивать минимальный зазор.
1. Статор
2. Ротор
3. Корпус излучателя
4. Крышка корпуса
5. Корпус неподвижный
6. Корпус подвижный
7. Вал
8. Подшипник

  Регулировка зазора производится за счет перемещения подвижного корпуса в неподвижном по посадочным поверхностям посредством резьбы, нарезанной в корпусах. 

Принцип работы.

Поток жидкости при обработке проходит через вращающийся ротор и неподвижный статор установки.
Ротор, выполняет роль затвора, периодически прерывая поток, чем меньше зазор между ротором и статором, тем более герметичен затвор, интенсивнее обработка.
Основные процессы происходят в статоре.
Рассмотрим на примере изображений.

1. При совпадении окон ротора и статора поток движется через них с определенной скоростью. Скорость зависит от начального давления перед ротором (давления насоса).
2. При перекрытии ротором окна статора.
Происходит резкий разрыв потока. Но т.к. жидкость обладает массой то она не останавливается мгновенно, она продолжает свое движение растягиваясь. За счет этого снижается давление внутри ее. Происходит вскипание растворенных внутри жидкости газов и образование т.н. кавитационной полости. В определенный момент силы инерции жидкости сравниваются с результирующей силой атмосферного давления и силой разряжения внутри кавитационной полости


а,б,в рост кавитационной полости, уменьшение силы инерции, в – равновесие

 

  3. За точкой равновесия начинает происходить следующие процессы:
Сила инерции уменьшается до 0 (за счет торможения жидкости разрежением в кавитационной полости) и т.к. нет дополнительного подпора, то отрицательное давление внутри полости начинает превышать результирующую силу и происходит процесс схлопывания кавитационной полости (пузыря). Т.к. жидкость плохо сжимается и плохо растягивается, то при прекращении действия внешних сил (сил инерции), процесс схлопывания происходит очень интенсивно.


4. В момент завершения процесса схлопывания кавитационной полости происходит очередное совпадение окон ротора и статора и в полость ротора поступает очередная порция жидкости, тем самым в некоторой степени увеличивая скорость схлопывания. Дополнительно, в момент окончательного закрытия кавитационной полости встречаются 2 фронта жидкости: фронт схлопывания кавитационной полости и фронт движущейся жидкости, происходит гидроудар, дополнительно усиливающий интенсивность обработки.
а,б,в – схлопывание кавитационной полости рост скорости потока, г — гидроудар.

Во время приготовления эмульсии вода разбивается на капли размером 1-3 мкм, капли воды равномерно распределяются по всему объему топлива и становятся диполем. На этот диполь происходит налипание фрагментов углеводородных молекул и образуются мицеллы (шарик с каплей воды внутри). Именно наличие мицелл и объясняет стойкость эмульсии к расслоению. Капли воды не соединяются в более крупные из за наличия углеводородной оболочки, а оболочка не сходит с капли из за наличия в ней заряда.
В момент впрыска такой эмульсии в зону горения происходит следующее:
Мицелла попавшая в зону горения начинает нагреваться, температуры кипения воды и мазута существенно отличаются (воды 100 0С мазута порядка 300 0С), вода резко вскипает, мазут в это время остается пока еще в жидком состоянии и препятствует испарению капель воды. При достижении внутри мицеллы критического давления происходит микровзрыв (водяной пар разрывает свою оболочку и распыляет ее). Происходит многократное увеличение площади соприкосновения топлива с кислородом воздуха, это приводит к тому же эффекту что и распыление топлива при давлении на форсунках в 150-300 кг/см2. Вот и весь секрет процесса, вся экономия происходит только за счет более полного сгорания исходного мазута. И чем хуже настроен котел, чем хуже исходное топливо, тем больше получается экономия. И это не означает, что если в эмульсии содержание воды будет 10 %, то это прямо пропорционально ведет к экономии топлива в 10 %. В зависимости от множества факторов этот экономический эффект может составить 8-9 % и 18-20 % и 24-34 %. Эти данные из многолетнего опыта внедрения наших установок. Мы гарантируем экономию топлива 7-8 %, но это не значит, что она не может составить и 15 и 18 и 25 %. Еще раз повторюсь она зависит от множества факторов (настройки котла, горелок, качества исходного топлива, его калорийности и обводненности, температуры). Но одно могу сказать точно, эмульсия с содержанием даже 40 % воды будет гореть, что совершенно невозможно, в том случае, если вода будет просто водой составе топлива.
Кроме того во время горения эмульсии снижается температура отходящих газов (без снижения температуры в топке и производительности котла), это говорит об увеличении КПД самого котла.

Гидроакустические роторные кавитаторы, процессы и технологии. Краткий каталог

1 Гидроакустические роторные кавитаторы, процессы и технологии. Краткий каталог УДК А. К. Курочкин к.т.н., разработчик конструкций аппаратов и технологий КАВ, руководитель проектов «Термакат» А. А. Курочкин директор ООО «Виста-Термакат» Многие поколения исследователей, создающих новые продукты, так или иначе решают главную технологическую задачу для своих процессов найти оптимальное аппаратурно-технологическое и экономически целесообразное решение для достижения поставленных целей. Большое различие технологических процессов, большое разнообразие сочетаний участвующих фаз и изменений фазового состояния реакционных сред, как правило, в каждом конкретном случае требуют оптимальных аппаратурных решений и методов интенсификации технологий. Одним из высокоэффективных интенсифицирующих методов физического воздействия на течение промышленных технологических процессов является кавитация. Х имические и технологические эффекты кавитации обусловлены множественными физическими и гидродинамическими процессами, сопровождающими ее. В научных исследованиях кавитационный метод интенсификации процессов представлен весьма широко и с весьма заманчивыми перспективами практического применения. Наиболее перспективными и универсальными в качестве генераторов кавитации по технологической применимости в абсолютном большинстве процессов являются гидроакустические роторные кавитаторы (ГРК), которые в перекачиваемой жидкой технологической среде одновременно генерируют в ней и кавитацию. Разработкой конструкций роторных гидроакустических кавитаторов мы занимаемся более 30 лет. В разные годы и для различных технологических процессов создаваемые нами кавитационные аппараты (более 50 патентов) мы называли: кавитационноакустические насосы (КАН), роторные гидроакустические излучатели (РГАИ), аппараты гидроакустического воздействия (АГВ), нанодисперсные кавитаторы (НДК) и др. Фото 1. Гидроакустический роторный кавитатор целевого технологического назначения: кавитационно-акустический насос-эмульгатор буровых растворов В данной статье рассматриваются материалы по разработке гидроакустических роторных кавитаторов под обобщенным названием ГРК (фото 1). На стыке наук физики акустических и гидродинамических волновых процессов, нестационарной гидродинамики, химической кинетики сложилось новое научное направление технология кавитационно-акустического воздействия. Основные факторы, определяющие технологическую эффективность гидродинамических роторных излучателей (кавитационноакустических насосов), являются: высокие гидродинамические градиенты, высокоамплитудная и высокочастотная пульсация давлений, собственно явление кавитации и сопутствующие ее эффекты. Кавитация, создаваемая путем гидродинамического генерирования интенсивных акустических волн (фото 2), является основным фактором высокопотенциального энергетического воздействия на технологические процессы. Жидкость, перекачиваемая генераторами кавитации, одновременно является и технологической средой, воспринимающей это воздействие /2019 (69) СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ

2 1. Кавитация в роторных генераторах Основным достоинством кавитаторов роторного типа является возможность генерирования кавитации (фото 2) высокой интенсивности, по уровню воздействия приближающихся к ультразвуковой кавитации. К другим их преимуществам относятся: дешевизна получаемой акустической энергии, простота эксплуатации, возможность достичь высокой производительности. Коэффициент полезного действия гидродинамических излучателей на три порядка выше, чем магнитострикционных и электромагнитных излучателей. Существенно, что для роторных гидродинамических кавитаторов характерен широкий диапазон производительностей, как и для центорбежных насосов. Следует отметить также, что гидродинамические роторные излучатели являются наиболее технологичными применительно к химическим гомо- и гетерофазным процессам их можно располагать непосредственно в рабочих аппаратах и подключать онлайн в технологические трубопроводы. Производительностью ГРК и интенсивностью генерируемой кавитации можно управлять с помощью частотных генераторов, питающих электропривод кавитаторов, их работу легко автоматизировать. Как бы не назывались роторные диспергаторы: гидродинамические роторные кавитаторы (ГРК), гидроакустические аппараты роторного типа (ГАРТ), роторнопульсационные аппараты (РПА), сирены гидродинамичекие (СГД), роторные аппараты модуляции потока (РАМП), диспергаторы ИКА (Ультра-туракс), гомогенизаторы (Супратон) и ряд других российских и зарубежных разработок, по технологической сущности их можно объединить в единый класс аппаратов. Основным принципом работы таких аппаратов является прокачивание жидкой среды вращающимся ротором и генерирование пульсаций течения жидкости за счет конструкторской совокупности периодически перекрывающихся каналов во вращающемся роторе и статичном статоре. Фото 2. Кавитация в воде генерируемая погружным ГРК На данный момент времени можно насчитать несколько сотен запатентованных аппаратов роторного типа, и все они предназначены для интенсификации тех или иных технологических процессов. Не во всех аппаратах генерируется кавитация, в некоторых процессах она и не нужна. Однако, для гетерофазных технологий особенно эффективны аппараты, которые генерируют интенсивную кавитацию, в конструкции которых заложены глубокие знания физических явлений кавитации. Роторным кавитаторам присуща бифункциональность: с одной стороны поток жидкости, перекачиваемый ротором, выступает в роли генератора пульсаций жидкости, с другой стороны поток жидкости является объектом, на который направлено пульсационное воздействие. При определенной интенсивности пульсационных колебаний жидкости в ней провоцируется генерирование кавитации. Необходимая интенсивность кавитации зависит от многих аппаратурно-технологических факторов: физико-химических свойств перекачиваемой среды, технологических задач и режимов процесса, конструкторских решений аппарата-кавитатора, технологического оформления процесса. Найти оптимальные аппаратурно-технологические решения для наиболее эффективного проведения заданного процессинга с минимальными экономическими затратами в этом заключен основной принцип создания аппаратов-кавитаторов целевого технологического назначения. При работе гидродинамических кавитаторов роторного типа при той или иной интенсивности периодически перекрывающихся каналов, в рабочей полости аппарата формируется широкополосное поле колебаний давления, спектр которого обусловлен динамическими характеристиками и конструкторскими особенностями аппарата. Основными процессами, ответственными за генерирование акустических колебаний роторными аппаратами, в настоящее время считают: пульсации потока, возникающие при совмещении и перекрытии подвижных и неподвижных каналов, возникновение пондеромоторных сил, колебание механических элементов на собственной частоте, акустический резонанс генерируемых частот в камерах генератора, ну и, конечно, кавитационные явления. Характер пульсационных явлений в гидроакустических излучателях определяется закономерностями последовательного совмещения и перекрывания каналов ротора и статора. В общем виде для числа каналов ротора (ZР) и статора (ZС) число одновременно совпадающих каналов изменяется по закону, задаваемому соотношением целых чисел Zp/ZС. СФЕРАНЕФТЬИГАЗ.РФ 103

3 Место возникновения пульсаций давления связано с координатами совпадающих каналов и изменяется в соответствии с перемещением мест совпадения. Механизм перемещения мест совпадения каналов относительно координат звуковой камеры назван нами стробированием импульсов давления. Этот принцип стробирования импульсов давления заложен нами в основу конструирования аппаратов целевого технологического назначения, позволяющих целенаправленно управлять частотно-амплитудным спектром генерируемого акустического поля и заданной интенсивностью кавитации. Основными факторами, обуславливающими технологический эффект ГРК, являются интенсивность генерируемой кавитации и частота пульсаций гидродинамических потоков, продолжительность импульса давления и производительность роторного аппарата. Прежде всего учитывают физико-химические свойства обрабатываемых сред и технологическую задачу технологической операции, затем рассчитывают генератор кавитации. Удельную энергию генерируемых колебаний задают геометрическими параметрами конструкции, такими, как величина зазора между ротором и статором, длина пробега по дуге с взаимно перекрытыми каналами, соотношение ширины каналов в роторе и статоре. Общее число каналов в роторе и статоре, число одновременно совпадающих каналов, механизм стробирования импульсов (закон перемещения совмещающихся каналов), диаметр ротора, скорость его вращения в основном предопределяют расходно-напорные характеристики роторного кавитатора. Рис. 1. Спектр шума интенсивной кавитации погружного ГРК Соотношение числа каналов в роторе и статоре аппарата, радиус камеры статора, число оборотов ротора задают частотные характеристики генерируемого поля и определяют резонансные явления. При достижении определенного уровня интенсивности звукового давления (для разных сред и технологических задач уровень интенсивности различный) развивается гидродинамическая кавитация, влияние которой на технологический процесс становится превалирующим. Разработка аппаратов гидроакустического воздействия ведется по принципу модульного проектирования. В качестве базового элемента, приводящего ротор ГРК во вращение, необходимо отдать предпочтение быстровращающимся электроприводам. Мощность электродвигателя рассчитывается под технологические задачи перекачивания обрабатываемых сред и генерирования в них кавитации. Одним из основных конструктивных элементов ГРК является узел уплотнения. Надо отметить, что даже самые сложные и надежные торцевые узлы уплотнений, созданные для быстровращающихся валов роторных насосов, не выдерживают длительного воздействия высокочастотной пульсации и кавитации обрабатываемых эмульсионно-суспензионных сред. Для кавитаторов работающих в непрерывных технологических процессах следует выбирать герметичные магнитные приводы. Требуемую конструкцию и тип аппарата гидроакустического воздействия целевого назначения получают, совмещая работу центробежного импеллера с гидроакустическим роторным излучателем кавитации того или иного механизма стробирования импульсов давления. 2. Интенсификация гетерофазных процессов и технологий Гетерогенные технологические процессы составляют подавляющее большинство в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других промышленных отраслях. Диффузионные ограничения процессов влияют на их длительность, определяют выход и качество целевых продуктов. Исследователи экспериментально показали, что при схлопывании кавитационных пузырьков может происходить разогрев газов и паров, диффундирующих в пузырек, до высоких температур (более 1000ºC), а также развиваться высокие давления (более 100 МПа). Длительность таких процессов весьма мала менее 10 мкс, поэтому эффективность кавитации в значительной степени зависит от количества одновременно генерируемых кавитационных пузырьков. Общепринято, что высокоэнергетичные процессы, такие как эрозия, химические реакции и сонолюминесценция, являются следствием акустической кавитации [2, 3]. Под акустической кавитацией понимается разрыв сплошности жидкой среды с образованием газовых пузырьков, последующее быстрое сжатие (схлопывание, коллапс) которых и является причиной физико-химических эффектов /2019 (69) СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ

4 С другой стороны, многие акустические эффекты (коалесценция, дегазация, звукокапиллярный эффект) наблюдаются и при отсутствии фазы схлопывания кавитационного пузырька, за счет его резонансных движений. На стыке таких классических дисциплин, как акустика и химия, сформировалось и развивается новое направление в науке, называемое звукохимией (sonochemistry). На это указывают многочисленные публикации в ведущих научных журналах мира «The Journal of Physical Chemistry», «Industrial & Engineering Chemistry Research», а также в отечественных «Акустическом журнале» и «Журнале физической химии»[1 11]. Во всемирной сети Internet созданы многочисленные web-узлы, посвященные проблемам звукохимии и др. Звукохимия (сонохимия, раздел химии, который изучает взаимодействие мощных акустических волн и возникающие при этом химические и физико-химические эффекты, исследует кинетику и механизм звукохимических реакций, происходящих в объеме звукового поля [3, 4]. Интерес к звукохимии вызван широкими технологическими перспективами, которые дает применение акустического воздействия на химический процесс. Во многих обзорах сообщается об ускорении некоторых химических реакций под воздействием акустических волн в десятки и даже сотни тысяч раз, причем при комнатной температуре и без давления, в то время как традиционное проведение технологического процесса требует значительных температур и давлений. В литературе описано множество эффектных исследований применения акустической кавитации для интенсификации химикотехнологических процессов. В нефтехимической технологии с помощью ультразвука получен ряд интересных результатов: усовершенствован процесс получения кокса, проведена интенсификация процесса деасфальтизации высококипящих нефтяных остатков, показано образование низкокипящих продуктов при воздействии ультразвука на вакуумный газойль, а также высококипящие нефтяные остатки [5]. Применение ультразвука в процессе нефтедобычи предотвращает кристаллизацию парафинов нефти и закупоривание нефтепровода. Кавитационно-акустическое воздействие рассматривается как энергосберегающий фактор в технологических процессах [6]. Недостаточность проработки теоретических основ звукохимии, например применительно к нефтепереработке, скорее всего можно связать с физическими особенностями кавитации в нефтяных углеводородных средах. Существующие в настоящее время теоретические разработки по звукохимическим реакциям подразделяются на две основные группы гипотез тепловые и электрические. В основе первых лежат представления об адиабатическом сжатии газового пузырька в жидкости при возникновении акустической кавитации, при котором достигаются высокие температуры и давления газа в пузырьке. Вторая группа гипотез исходит из предположения о возникновении электрического пробоя газа в кавитационном пузырьке, что и является причиной химических превращений. Ни одна из этих групп не в состоянии в настоящее время описать всю совокупность экспериментальных данных не только количественно, но даже качественно, поскольку кавитационные явления протекают в многокомпонентных углеводородных смесях. Одни углеводороды подвергаются деструкции с образованием более легких парои газообразных компонентов, которые тушат кавитацию, другие углеводороды конденсируются и уплотняются и также изменяют параметры кавитации. В зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов можно выделить следующие основные химические превращения в поле ультразвуковых волн: 1. Окислительно-восстановительные реакции, которые осуществляются в водных растворах между растворенными веществами и продуктами ультразвукового расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания (при этом механизм действия ультразвука является косвенным). 2. Реакция между растворенными газами и веществами с высоким давлением пара внутри кавитационных пузырьков (эти реакции не могут осуществляться в растворе под воздействием радикальных продуктов расщепления воды). 3. Цепные реакции в растворе, которые инициируются нерадикальными продуктами расщепления воды, а какимлибо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационном пузырьке. 4. Реакция с участием макромолекул, например, деструкция молекул полимеров и инициированная ею полимеризация, которые могут идти и при отсутствии кавитации, в различных органических растворителях, при высоких давлениях, когда остальные реакции подавляются; для этих реакций важны не только кавитационные процессы и связанные с ними ударные волны и кумулятивные струи, но и возникающие при прохождении ультразвука через раствор полимера механические силы, разрушающие макромолекулы 5. Звукохимические реакции в неводных системах. Хотя в этих процессах может участвовать вода, основным растворителем или реагирующим веществом являются органические жидкости. В последние годы звукохимические превращения в неводных системах интенсивно исследуются, и ежегодно публикуется большое число оригинальных и обобщающих статей по этой проблеме. 6. Инициирование взрыва в жидких и твердых взрывчатых веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение ударных волн и высоких локальных температур при схлопывании кавитационных пузырьков. Изучение механизма детонации взрывчатых веществ при гидростатическом давлении 104 МПа показало, что сдвиговые напряжения, если они не сопровождаются высокой температурой, не вызывают детонации, и инициирование взрывчатых веществ всегда связано с возникновением СФЕРАНЕФТЬИГАЗ.РФ 105

5 локальных разогревов размером см (это достаточно близко к размерам кавитационных пузырьков), которые выполняют роль начальных центров термического воспламенения. Под термином «кавитационноакустическая технология» (КАтехнология) понимается совокупность аппаратурного и технологического оформления промышленных процессов, в которых основную роль играют эффекты, связанные со знакопеременным давлением в среде, т.е. с гидродинамической кавитацией. Для промышленного применения акустической кавитации в процессах нефтехимии, где преобладают большие единичные объемы перекачиваемых сред, требуются генераторы кавитации высокой звуковой мощности. Мощные кавитационные поля можно создавать гидродинамическими излучателями. Перспективной альтернативой ультразвуковым излучателям стали гидродинамические роторные кавитаторы, единичная производительность которых может достигать 6000м 3 /час. [7]. Разработаны методы управления динамикой кавитационного газового пузырька в технологических процессах, основанные на понимании механизмов взаимодействия жидкость/газ и управлении характером движения кавитационных пузырьков (расширение, схлопывание, пульсирующее сжатие-расширение, слияние) и их колебательными скоростями. Методы кавитационноакустического воздействия особенно эффективны для интенсификации процессов химических или массообменных процессов в реагирующих системах жидкость-газ, жидкость-жидкость, жидкость-твердое вещество. Наибольшие эффекты достигаются в процессах химического синтеза лимитированных диффузионными ограничениями. Кавитация эти кинетические ограничения снимает или даже исключает. Эмульгирование, диспергирование, гомогенизация, перемешивание, испарение и конденсация, дегазация и сатурация это основные стадии в технологических процессах в различных отраслях промышленности: нефтепереработке, нефтехимии, химии, фармацевтике, микробиологии, пищевой, лакокрасочной и других отраслях могут быть интенсифицированы с применением кавитационно-акустического воздействия. Применение кавитационно-акустических аппаратов целевого технологического назначения позволяет ускорить и повысить селективность процесса, упростить технологию, снизить энергозатраты и металлоемкость. При создании новых и совершенствовании существующих технологических процессов необходимо опираться на фундаментальные научные знания о кавитационных явлениях и их воздействии на жидкие среды. В методологии исследований в области гидроакустической технологии заложены основы физики кавитационных явлений, кинетики и механизмов воздействия кавитации, разработаны принципы конструирования роторных генераторов, инженерно-аппаратурного оформления новых технологических процессов. Положительные результаты опытно-конструкторских и промышленных разработок аппаратов и технологий кавитационно-акустического воздействия рекомендованы к широкому внедрению в технологических процессах: стерилизации оборотных технологических вод, высокотемпературной конверсии тяжелых углеводородов и высокопарафинистого нефтяного сырья в дизельные дистилляты с получением в остатке маловязких остаточных топлив либо неокисленных дорожных битумов, производство серобитумных композиций, дегазация остаточного сероводорода из чистой товарной серы, эмульгирование буровых растворов, диспергирование гербицидов, синтез триазинов, дегидрохлорирование трихлорбензола, диспергирование и гомогенизация косметических паст, диспергирование углеграфитовых композиций и автомобильных красок и нитроэмалей, приготовление эмульсолов, эмульгирование и активирование рабочих агрохимических жидкостей, стерилизация смазочно-охлаждающих жидкостей, абсорбции и десорбции кислых компонентов природных газов, сатурация сточных вод пищевых производств, деаэрация стоков от пестицидов, азеатропная отгонка при синтезе дихлорфенола, растворение твердого силиката в производстве жидкого стекла, аэрирование сточных вод при биохимической очистке, синтез дифенилолпропана и мн.др. Создаваемые кавитационные аппараты и энергоэффективные технологии на их основе имеют широкую межотраслевую применимость, обладают научнотехническим приоритетом и высокой конкурентоспособностью на мировом рынке. 3. Энергетика кавитационного воздействия Пульсации давления в жидкости, необходимые для возбуждения кавитации при работе всех видов гидродинамических излучателей, возникают за счет преобразования кинетической энергии потока в энергию акустических колебаний. Во многих работах отмечается высокая эффективность гидродинамических излучателей по сравнению с преобразователями электрических колебаний в акустические. Наиболее перспективными для технологических применений являются гидродинамическиие роторные кавитаторы [8]. Достоинствами ГРК являются высокая эффективность кавитационных процессов, по уровню воздействия приближающаяся к ультразвуковой кавитации, что показано в работах [7 10] методами регистрации свечения жидкости и кавитационного шума /2019 (69) СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ

6 Кроме того, гидроакустические роторные излучатели обладают значительным насосным эффектом, что позволяет создавать энергоэффективные технологии и получать управляемые режимы работы без применения подпорных насосов. Немаловажным преимуществом перед другими типами излучателей является возможность регулирования акустических параметров излучателя с помощью изменения статического давления в камере озвучивания или частоты вращения ротора. Для производителей гидроакустических излучателей следует отметить необходимость выдерживания высокой точности изготовления рабочих органов. Также существуют технические сложности, связанные с необходимостью применения высококачественных уплотнений на приводном валу, особенно для обрабатываемых сред с высокими температурами и давлениями. Для аппаратов, работающих в непрерывных технологиях ротор и статор необходимо изготавливать из стойких к кавитационной эрозии материалов. Эффективность кавитации может регулироваться с помощью частоты вращения ротора, изменения статического давления в камере статора, расходом среды, кратностью циркуляции, температурой жидкости и другими методами. Для аппаратов ГРК: Е= Давление P max и температура Т max среды являются факторами, определяющими эффективность кавитации, при этом надо вычислять давление Р газовой смеси в пузырьке в момент максимального расширения. Оно определяется суммой парциальных давлений создаваемых свободным газом и парами жидкости в пузырьке. Весьма сложным является вопрос, можно ли считать давление пара жидкости равным давлению насыщенного пара при данной температуре Р нп, т.е. можно ли считать, что Р=Р г +Р нп. Скорость расширения пузырька достигает значительных величин, поэтому процесс испарения жидкости со стенки может «запаздывать» и в этом случае давление пара к концу фазы расширения не достигнет давления насыщения. Однако в любом случае, очевидно, что для жидкостей имеющих высокое давление насыщенных паров T max и P max будут ниже, чем для нелетучих жидкостей. Экспериментально этот вывод подтверждается тем фактом, что интенсивность сонолюминесценции максимальна именно для жидкостей с низким давлением насыщенных паров (глицерин, этиленгликоль, дибутилфталат и др.) По этой же причине скорость кавитационной эрозии зависит от вида жидкости. Можно сделать некоторые выводы относительно зависимости кавитационной активности от конструктивных особенностей и режима работы гидроакустического излучателя: 1. При прочих равных условиях кавитационная активность повышается при увеличении статического давления в камере статора Рст и снижении давления насыщенных паров жидкости Р нп. 2. Высокое газосодержание жидкости (свободный газ) снижает кавитационную активность. 3. Снижение температуры жидкости Т 0 и увеличение молярной массы газовой смеси М увеличивает активность кавитации. 4. Перепад скоростей при перекрывании каналов (модуляция) Δw весьма сильно влияет на энергетику кавитации, и является определяющим параметром при конструировании излучателей. Перепад скорости потока жидкости Δw может быть принят за основу для классификации роторных гидродинамических аппаратов. При этом удобнее использовать безразмерный параметр, называемый коэффициентом модуляции потока: где w ср средняя скорость потока жидкости через каналы ротора. Коэффициент модуляции равен 1 при полном прекращении перетока жидкости из полости ротора в камеру статора, что возможно лишь при отсутствии зазора между образующими ротора и статора. В реальных конструкциях k < 1, однако чем ближе к единице этот параметр, тем выше активность кавитации в данном аппарате. В табл. 1 представлены значения коэффициента модуляции для некоторых типов серийно выпускаемых гидродинамических аппаратов. Надо заметить, что некоторые производители гидродинамических роторных аппаратов склонны придерживаться теории механодеструктивной активации, не выявляя в их работе эффектов кавитации или отводят им малозначительную роль. Изложенными выше методами расчетов и экспериментальными отработками и оценками физических размерностей и параметров энергетики кавитационного воздействия нами составлено параметрическое поле энергетических составляющих кавитационно-акустического воздействия. Этот подход является базовым при разработке технологических процессов, инициируемых кавитационно-акустическим воздействием посредством гидродинамических роторных кавитаторов в различных отраслях. Наиболее актуальные отрасли и технологии применения ГРК: фармацевтика; химия; косметика; пищевая промышленность; строительные материалы; эмульсионные и суспензионные топлива; нефтепереработка; угольная промышленность; обеззараживание (стерилизация) воды; компаундирование нефтепродуктов; эмульсионные и композитные битумы; растительные экстракты; тонкодисперсные монофракционные порошки; клеи; пестициды, гербициды; производство бумаги и др. Таблица 1. Коэффициенты модуляции и производительность гидродинамических аппаратов Тип аппарата Коэффициент модуляции диапазон производительности, м 3 /ч Центробежный насос 0 0, ГАРТ 0, Роторно-пульсационный аппарат (РПА) 0,2 0, IKA (Германия) 0,4 0, Сирена СГД-3 0,6 0, ГРК конструкции Термакат 0,1 0,95 (в соответствии с технологической задачей) 0, СФЕРАНЕФТЬИГАЗ.РФ 107

7 4. Кавитация и экология Безусловно, кавитационные явления и эффекты гидродинамических насосов-кавитаторов должны активно использоваться в технологических процессах, решающих экологические проблемы. В данной статье ограничимся перечнем решенных нами технологических задач по экологической тематике с применением различных аппаратов ГРК. На промыслах и установках подготовки нефти. Отмывка нефтей и заэмульгированных нефтешламов от механических примесей и пластовых вод: извлечение утерянных углеводородов и их возврат в сырую нефть, отмывка сбросовых вод от остаточных следов углеводородов. На буровых установках. Очистка и регенерация буровых растворов, исключение сбросов попутной воды путем ее очистки и возврата в технологический цикл добычи нефти. Утилизация сбросов из нефтешламовых ям с извлечением утерянных углеводородов и очисткой сбросовых вод. На водоблоках нефтеперерабатывающих заводов. Безреагентная стерилизация оборотных технологических вод от коррозионных микроорганизмов и микробиологических заростов водоохлаждающего оборудования. Обеззараживание и очистка сточных вод от остаточных следов углеводородов. На котельных установках и судовых энергетиечских установках. Применение насосовкавитаторов для приготовления тонкодисперсных топливных композиций (как твердоугольных, так и эмульсионных) с добавлением в топливную смесь до 10 20% воды обеспечивает высокую степень дисперсности (менее 1 2 микрон) и позволяет значительно повысить эффективность сгорания технологического топлива, снизить его расход, уменьшить экологическое загрязненных дымовых газов. Ниже приведен переченькаталог наиболее востребованных кавитационных аппаратов и технологий кавитационноакустического воздействия разработанных фирмой «Термакат». 5. Перечень-каталог наиболее востребованных «Кавитаторов» и технологий «Кавитационно-акустического воздействия» разработки фирмы «Термакат» 1. Сонолизер Аппарат для генерирования кавитации и исследования интенсивности кавитационного шума и механизма свечения гидродинамической кавитации в прокачиваемых жидких маловязких и высоковязких средах. 2. Сатуратор Аппарат для насыщения жидких сред газообразными компонентами. Применим для исследования процессов сатурации, химического синтеза с участием газообразных сред, разработки технологии аэрирования сточных вод. 3. Паропульсатор Аппарат для генерирования высокочастотной пульсационной подачи водяного пара в технологии отмывки нитросульфосоединений из нитроцеллюлозы в производстве бездымных порохов, в технологиях производства бумаги. 4. Стерилизатор Поточный насос-кавитатор с пятью барьерами генерирования высокоинтенсивной кавитации с целью гарантированной стерилизации оборотных и сточных вод от любых видов микробов. Универсальный кавитатор для химсинтеза. 5. Кав-импеллер Кавитационный импеллер для получения прямых и обратных эмульсий в жидкостях с сильно различающимися плотностью и вязкостью. Эффективность эмульгирования задается конструкторски и регулируется соотношением потоков. 6. Эмульсер Многоступенчатый кавитаторэмульгатор для стационарного приготовления рабочих растворов гербицидов, пестицидов и регуляторов роста растений при проведении агрохимических работ. Получение и перекачивание высоковязкой эмульсии «Препарат 30» проводится за однократный проход. 7. Наноэмульсер Идеален для получения гомогенных нанодисперсных топливных эмульсий и суспензий. Для получения тонкодисперсных товарных эмульсий и суспензий в химической технологии, фармацевтике, пищевой промышленности. Для проведения сонохимических реакций. 8. Эмульсер-Класс Эмульсор-классификатор с насосным эффектом для проведения и интенсификации непрерывных малотоннажных (до 0,6 м 3 /ч) технологий химсинтеза и процессов эмульгирования и диспергирования. Классификатор обеспечивает высокую степень гомогенизации. 9. Насос-диспергатор Для получения гомогенных монодисперсных суспензионных красок на водной и нитроэмальной основах. Базовый аппарат для интенсификации процессов эмульгирования, диспергирования, диффузионных процессов массообмена и инициирования реакций. Одновременно перекачивает обрабатываемые среды. Идеальную гомогенность диспергируемой фазы обеспечивает классификатор частиц /2019 (69) СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ

8 10. Сатуратор Аэратор волокнистых пульп, испаритель и активатор азеатропной отгонки. Для насыщения паровой или газовой фазой пульп, содержащих высокую концентрацию волокнистых материалов. Применим при флотационной очистке сточных вод. 11. Дезагрегатор пульп Применяется в химических технологиях для перекачивания, кавитационной активации гетерофазных реакций и дезагрегирования высококонцентрированных пульп с игловидной структурой твердой фазы перед их подачей на фильтры, центрифуги, сепараторы. Предварительное диспергирование сырья при получении трихлорбензола. 12. Стерилизатор Безреагентная стерилизация технологических оборотных вод от коррозионных микроорганизмов одновременно с перекачиванием обеззараживаемой воды через градирни и технологическое оборудование в любых объемах. 13. Эмуль-СОЖ Приготовление обратных высоковязких эмульсий вода в нефти, применяемых для буровых растворов, с применением кавитационного насоса-эмульгатора простая технологическая задача. Получение высоковязких концентрированных СОЖ на стационарной станции с одновременной дезинфекцией. 14. Двухфазник Применим для избирательного генерирования кавитации на поверхности волокнистых и термолабильных дисперсий. Для инициирования звукохимических процессов в системах жидкостьтвердое, жидкость-газ. Процессы диффундирования кислоты в целлюлозные волокна, экстрагирования, вытеснения и пр. Производство бумаги. 15. Погружной активатор Для проведения процессов смешения, гомогенизации и испарения в емкостных аппаратах. Унифицирован для химико-технологических исследований, применим для отработки фармацевтических, пищевых, косметических, строительных и химических технологий. 16. Термолизер Генератор интенсивной кавитации в высокомолекулярных углеводородах при высоких температурах (до 450 ос) с целью интенсификации технологии висбрекинга мазутов и проведения деструктивно-конверсионных процессов с получением дизельных дистиллятов и остаточных битумов. 17. Эмульсер Основной кавитационный аппарат для аппаратурного оформления технологий по схеме «на проток» производительностью л/мин. Гарантирует получение эмульсий и суспензий с размерами капель и частиц менее 0,1 мкм и 1.0 мкм соответственно. Интенсифицирует гетерофазные химические процессы в сотни и тысячи раз. 18.Диспергатор пигментов 19.Мульти-КАН 20.Активатор 21.Базовый универ -кавитер 22.Активатор-герб 23.Генераторы-лаб 24.Универ-КАН Для технологических процессов диспергирования двуокиси титана, каолина и органических наполнителей в производстве красок и косметических форм. Дисперсность менее 1,0 мкм. Проточный насос-диспергатор. Приготовление транспортабельной суспензии металлического натрия в изопропилбензоле. Процессы деасфальтизации. Диспергирование полимервяжущих в дорожных битумах Для диспергирования, гомогенизации, многоступенчатой кавитационноакустической активации и перекачивания технологических сред с регулируемой энергетикой кавитационно-акустического воздействия. Применим в химической, фармацевтической, строительной, пищевой и других технологических отраслях промышленности. Для проведения процессов смешения, растворения, эмульгирования, гомогенизации, инициирования «холодного» испарения в емкостных аппаратах. Унифицирован для фармацевтических, пищевых, косметических и химических технологий. Погружной вариант. Универсальный кавитатор с большим набором сменных генераторов. Для проведения исследований, отработки КА-процессов в лабораторной практике и наработки продукции малых объемов. Процессы: смешение, растворение, сонолиз, сатурация, эмульгирование, суспендирование, гомогенизация, массообмен, активация и пр., для работы в емкостях объемом 2-40 литров. Минимальное время процессинга. Для смешения, эмульгирования, диспергирования, гомогенизации и кавитационной активации агрохимических растворов (пестицидов, гербицидов и РРР) непосредственно перед подачей на распылительные форсунки. Привод от вала отбора мощности транспортирующего химбочку средства. Применим в химических технологиях, встраиваемый вариант. Многофункциональные сменные КАгенераторы к погружному комплекту кавитатора. Рекомендуются для проведения исследований и КАинтенсификации массообменных процессов, протекающих на границе раздела фаз жидкость-газ, жидкостьжидкость, жидкость-твердое. Применим для получения товарных эмульсий и суспензий. Базовый комплект настольного универсального кавитационноакустического насоса для активации и проведения процессов в «технологическом потоке». Для смешения, гомогенизации и кавитационной активации реагирующих систем. Для всех отраслей. СФЕРАНЕФТЬИГАЗ.РФ 109

9 25. Нанодиспенсер Используется в качестве нанодисперсного гомогенизатора в процессах малотоннажной технологии на проток производительностью 5-25 л/мин и в качестве подпорного насоса с предварительным кавитационным технологическим эффектом. Основной аппарат технологических модулей. 26. Катализер-КА Монодисперсный модуль кавитационно-акустического катализера используется в нефтехимии для каталитической и кавитационной активации гетерогенных процессов конверсии тяжелых остаточных углеводородов в среднедистиллятные фракции. Абсолютно новое технологическое оформление каталитических производств. 27. Графитер Диспергирование и дезагрегирование углеграфитовых композиций при производстве литейных смазок для использования на прессформах при литье под давлением. Приготовление сырьевой углекоксовой шихты для синтеза промышленных алмазов. 28. Цемент-актив Кавитационная активация компонентов цементных растворов при производстве литых бетонных изделий значительно повышает их прочности. Эффективность заключается в использовании низкосортных типов цемента для значительного повышения качества получаемых бетонных изделий (как из высококачественных цементов). 29. Нанодиспер Идеальная монодисперсность в ультраузком диапазоне дисперсности чрезвычайно трудная аппаратурнотехнологическая задача, которую успешно решает монодисперсный кавитационный нанодиспенсер. Диспергированию и дезагрегированию подвергаются крупнодисперсные фракции, на выходе только тонкодисперсный товарный продукт. 30. Косметик-КА Для отработки методов КАинтенсификации технологических процессов в производстве парфюмерно-косметических изделий и пищевых продуктов. Диспергирование пигментов и красителей для губной помады, зубных паст. Технология производства кетчупов, паст, майонезов, соусов. Малообъемная наработка товарных серий продуктов. 31. ГРК с регулируемой дисперсностью Кавитатор-диспергатор со встроенным классификатором диспергируемых частиц. Диспергирование, гомогенизация, кавитационноакустическая-активация и перекачивание технологических сред с регулируемой интенсивностью кавитационно-акустического воздействия. Применим в химической, фармацевтической, строительной, пищевой промышленностях. Производство серобитумных композиций и эмульсионных битумов. 32. Препаратор Малообъемный погружной универсальный кавитатор для моделирования аппаратурных процессингов гетерофазного синтеза и создания новых технологий. Отработка методов получения препаративных форм (эмульсионных и суспензионных) гербицидов и пестицидов. Комплектуется набором кавитационных генераторов. 33. Абсорбер Кавитационный реактор с газообразным агентом. Для интенсификации процессов химического синтеза, протекающих в агрессивной среде на границе фаз жидкость-газ кавитационные пузырьки заряжаются газообразным HCl. Хлорирование, алкилирование, аэрирование. Тефлоновый генератор химактивной кавитации. 34. Кавитер Для проведения исследований по влиянию кавитации на различные технологические среды и процессные задачи идеально подходит настольный генератор кавитации погружного типа. Легко регулируемая и визуально наблюдаемая интенсивная кавитация способствует быстрому поиску оптимальных технологических режимов для всех видов межфазных процессов. Малообъемная наработка сред. 35. Дегазатор серы Удаление остаточных следов сероводорода из нефтяной серы одна из сложнейших технических проблем, которая успешно решается кавитационной дегазацией. Удаление хемосорбированных газообразных компонентов из серы и мазутов предпочтительнее проводить в режиме «взрывной кавитации». Идеален для процессов дезодорирования. 36. Фарм-КАН Проточный кавитационно-акустический насос является идеальным решением для организации малотоннажного технологического производства эмульсионной, либо суспензионной фармацевтической продукции: за короткое время высочайшее качество, производительность 2-30 л/мин. Технологический модуль по заданию заказчика. 37.КА-насос-стерилизатор Микробиологические заросты и коррозия оборудования основной бич в системах оборотного водоснабжения. КА-насос-стерилизатор решает эти проблемы так же просто, как и сам центробежный насос выполняет свои основные функции по перекачиванию технологической оборотной воды. Производительность может быть задана заказчиком. 38.КА-деструктор Кавитационный деструктор тяжелых углеводородов мазута в привязке к кубу атмосферной колонны позволяет дополнительно получать до 30% высоковостребованных среднедистиллятных углеводородов. Процесс кавитационного висбрекинга протекает при температурах на о С ниже классического процесса /2019 (69) СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ

10 39. КА-модуль висбрекинга Модуль кавитационно-акустического висбрекинга мазута сопряженный с кубом атмосферной колонны обеспечивает максимальную глубину переработки нефти за счет конверсии тяжелых углеводородов в дизельнобензиновые дистилляты. Остаточный мазут при этом характеризуется отсутствием парафиновых углеводородов, пониженными плотностью, вязкостью и температурой застывания. 40. Модуль «Термакат» Модуль «Термакат» — (термоакустического катализа) в качестве основных технологических аппаратов содержит кавитационноакустический насосос, технологическую печь термолиза и реактор-эвапоратор конверсии тяжелых углеводородов в дизельнобензиновые дистилляты. Минимальные инвестиции обеспечивают эффективное (до 93%) углубление переработки нефти. 41. Канал-ротор Для маловязких легких жидкостей, для жидкостей с высоким давлением паров, либо с высоким газосодержанием применяют роторы, исключающие выделение газовой фазы в высокооборотистом импеллере-роторе из перекачиваемой среды. Такие роторы зарекомендовали высокую практичность при сатурации жидкостей, аэрации биологических жидкостей. 42. Рео-деградация Наиболее высокую технологическую трудность в перекачивании и кавитационной обработке представляют высоковязкие жидкости. Созданные аппараты для реологической деградации (Рео-деградаторы) высоковязких технологических сред, например, тяжелых нефтей, сочетают конструкторские и технологические решения известных насосов и устройств, что обеспечивает их эффективность. 43. Комплексные конфигурации схем НПЗ ГПН Применение аппаратурнотехнологических решений при создании новых конфигураций схем глубокой переработки нефти с эффективным применением кавитационных аппаратов на всех стадиях технологических переделов (деэмульгирование нефти, интенсификация стадий стабилизации, в процессах защелачивания, углубления термоконверсионных и каталитических процессов, компаундирование товарных топлив и пр.) позволяет создавать высокорентабельные нефтеперерабатывающие производства даже в малых объемах годовой производительности. Выводы и рекомендации Разработанная концепция конструирования гидроакустических роторных насосовкавитаторов выдержала проверку временем и служит базисом для создания аппаратов целевого процессингового назначения. Проверенные лабораторными исследованиями и промышленной эксплуатацией конструкции насосов-кавитаторов и технологические кавитационные модули позволяют рекомендовать эти аппараты и модули к широкому внедрению в различные технологические отрасли для создания энергоэффективных производств. Литература: 1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Москва, 1957 г., перевод с 6-го издания 1954 г., 726 стр. 2. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля/ Под ред. Л. Д. Розенберга. М.: Наука, Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М.: Химия, 1986 г. с Смородов Е. А., Галиахметов Р. Н., Ильгамов М. А. Физика и химия кавитации. М., Наука, 2008 г., Курочкин А. К. Исследование влияния ультразвука на интенсификацию некоторых нефтетехнологических процессов. Кандидатская диссертация. Уфа, УНИ, октябрь 1981 г. 6. Курочкин А. К. Кавитационно-акустическое воздействие как энергосберегающий фактор в химической технологии. НПК «Энергосбережение в Химической технологии 2000». Казань, 2000 г., с Юдаев В. Ф. Об акустической кавитации в гидродинамических сиренах. Акустика и ультразвуковая техника, 1983 г. 8. с Курочкин А. К., Смородов Е. А. Экспериментальные исследования кавитации в роторных гидродинамических излучателях. Акустический журнал, т.хххii, вып г. с Курочкин А. К, Смородов Е. А., Валитов Р. Б., Маргулис М. А. Исследования физических и физико-химических явлений в акустических полях гидродинамических излучателей. II. О возникновении сонолюминесценции. Ж. Физ. Химии, с Смородов Е. А. Экспериментальные исследования акустической кавитации в вязкой жидкости. Дисс. канд. физ.- мат. наук. Акустический институт им. акад. Андреева, СФЕРАНЕФТЬИГАЗ.РФ 111

Инженеры вуза модернизировали электротехнологический комплекс автономного теплоснабжения

24.01.2018


Смоделированная установка проста в обслуживании и безопасна для окружающей среды

Ученые из УрФУ (входит в СоюзМаш России) и Карагандинского государственного технического университета (КарГТУ) смоделировали работу электротехнологического комплекса для автономного теплоснабжения (ЭКАТ) и предложили способ его усовершенствования. Полученная установка, размеры которой составляют от 0,8×1×1 м до 1,5×2×2,5 м, может использоваться в автономных системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха. Она не загрязняет окружающую среду, проста в обслуживании и позволяет потребителям самостоятельно задавать режим работы. Результаты исследования опубликованы в журнале Energy Procedia.

«Это один из возможных перспективных вариантов децентрализованного теплоснабжения на основе нетрадиционных источников энергии», — добавил один из авторов работы, профессор КарГТУ Иосиф Брейдо.

ЭКАТ преобразует электроэнергию сначала в механическую (давление жидкости под действием насосов), затем в энергию движущейся жидкости и, наконец, в тепловую. Авторы статьи сосредоточили свое внимание на этапе преобразования механической энергии в тепловую. Для того чтобы иметь возможность рассчитывать различные параметры работы такой системы, необходимо проводить множество измерений: температуры, давления, скорости движения жидкости. Математическая модель позволяет упростить и удешевить эту работу. Адекватность модели ученые проверили в процессе экспериментальных исследований электротехнологического комплекса.

Конструктивные узлы ЭКАТ предназначены для обеспечения циркуляции рабочей жидкости (воды) в замкнутом теплогенерирующем контуре. При этом в трубном реакторе в конструктивном элементе «Кавитатор» создается эффект кавитации (образования и схлопывания пузырьков газа в потоке жидкости), и, как следствие, наблюдается наибольший прирост температуры рабочей жидкости в контуре установки. Конструкция «Кавитатора» является ноу-хау исследователей и защищена патентами. Моделирование показало, что от 80 до 90 % потребляемой ЭКАТ электроэнергии переходит в тепловую.

На основе опытных измерений ученые составили 3D-модели движения рабочей жидкости внутри установки. Такие модели позволяют найти пограничные условия для решения физических и математических задач. При визуализации потоков жидкости использовались стандартные физические модели движения газов и жидкостей и сложные вычисления, касающиеся изменения температуры и переноса энергии. Модели позволяли задавать различные параметры: температуру, давление, скорость потока, свойства жидкости, начальную температуру установки. Сравнение рассчитанных показателей с результатами экспериментов подтвердило точность программы и ее пригодность для изучения движения жидкости и проектирования оборудования.

«Также в процессе экспериментальных исследований была поставлена и решена задача по оценке влияния скорости вращения частотно-регулируемого электропривода насосного агрегата как на эксплуатационные характеристики ЭКАТ, так и на энергозатраты при получении тепловой энергии, достаточной для комфортного автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых и офисных помещений», — рассказал соавтор работы, профессор кафедры электропривода УрФУ Анатолий Зюзев.

Полученные результаты позволили ученым предложить изменения конструкции ЭКАТа, которые сделают его более эффективным. В первую очередь эти усовершенствования касаются «Кавитатора» и вихревой трубы. Так, например, изменение размера лопастей «Турбины», расположенной перед «Кавитатором», с шести до восьми сантиметров позволяет добиться значительного увеличения интенсивности кавитации и, следовательно, повышения температуры.

Моделирование дефекта внутренней поверхности струйного кавитатора | Уколов

1. Rayleigh, L. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity / L. Rayleigh // Journal of Philosophical Magazine. — 1917. — Vol. 34. — P. 94 – 98.

2. Plesset, M.S. A non-steady heat diffusion problem with spherical symmetry / M. S. Plesset, S.A. Zwick // Journal of Applied Physics. — 1952. — Vol. 23, iss. 1. — P. 95 – 98.

3. Mohammadein, S. A. Temperature distribution in a mixture surrounding a growing vapour bubble / S. A. Mohammadein, S.A. Gouda // Journal of Heat and Mass Transfer. — 2006. — Vol.42, iss. 5. — P. 359 – 363.

4. Hong Liu. A novel model for the bubble growth in the cavitation region of an injector nozzle / Hong Liu, Chang Cai, Xi Xi, Yan’an Yan, Ming Jia // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2018. — Vol. 119. — P. 128–138.

5. Промтов, М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химикотехнологических процессов / М. А. Промтов // Вестник ТГТУ. — 2008. — Т. 14, № 4. — С. 861–869.

6. Промтов, М. А. Характеристики потока жидкости в каналах проточных гидродинамических статических кавитаторов / М. А. Промтов, А. Ю. Степанов, А. В. Алешин // Вестник ТГТУ. — 2013. — Т. 19, № 3. — С. 562–569.

7. Yunhua, J. Formation and steady flow characteristics of ventilated supercavity with gas jet cavitator / J. Yunhua, B.Tao, G.Ye // Ocean Engineering. — 2017. — Vol. 142. — P. 87–93.

8. Byoung-Kwon, Ahn. Experimental investigation of supercavitating flows / Byoung-Kwon Ahn, Tae-Kwon Lee, Hyoung-Tae Kim, Chang-Sup Lee // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. — 2012. — Vol. 4, iss. 2. — P. 123 – 131.

9. Pendar, M. Investigation of cavitation around 3D hemispherical head-form body and conical cavitators using different turbulence and cavitation models / M. R. Pendar, E. Roohi // Ocean Engineering. — 2016. — Vol. 112. — P. 287–306.

10. Ye-jun, G. Numerical investigation of the effect of rotation on cavitating flows over axisymmetric cavitators / G. Ye-jun, Zh. Jie-min, L. Tian-zeng // Journal of hydrodynamics. — 2016. — Vol. 28, iss. 3. — P.431 — 441.

11. Ebrahim, K. The investigation of natural super-cavitation flow behind threedimensional cavitators: Full Cavitation Model / K. Ebrahim, K. Erfan, J. Khodayar, J. Seyyed Morteza // Applied Mathematical Modelling. — 2017. — Vol. 45. — P. 165 — 178.

12. Young Kyun Kwack. Numerical analysis for supercavitating flows around axisymmetric cavitators / Young Kyun Kwack, Sung Ho Ko // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. – 2013. – Vol. 5, iss. 3. – P. 325 – 332.

13. Авраменко, А. Н. Численное моделирование процесса обработки водотопливной эмульсии в бортовом гидродинамическом кавитаторе / А. Н. Авраменко // Двигатели внутреннего сгорания. — 2016. — № 1. — С. 63 – 71.

14. Zuo-Yu Sun. Numerical investigation on effects of nozzle’s geometric parameters on the flow and the cavitation characteristics within injector’s nozzle for a high-pressure common-rail DI diesel engine / Zuo-Yu Sun, Guo-Xiu Li, Chuan Chen, Yu-Song Yu, Guo-Xi Gao // Energy Conversion and Management. — 2015. — Vol. 89, iss. 1. — P. 843–861.

15. Deng, L. Effects of nozzle inner surface roughness on the cavitation erosion characteristics of high speed submerged jets / L. Deng, K. Yong, W. Xiaochuan, D. Xiaolong, F. Zhenlong // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2016. — Vol. 74. — P. 444 – 452.

16. Dular, M. On the mechanisms of cavitation erosion-coupling high speed videos to damage patterns / M. Dular, M. Petkovsek // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2015. — Vol. 69. — P. 359-370.

17. Hattori, S. Cavitation erosion mechanisms and quantitative evaluation based on erosion particles / S. Hattori, E. Nakao // Wear. — 2002. — Vol. 249. — P. 839 — 845.

18. Родионов, В. П. Струйная суперкавитационная эрозия / В. П. Родионов. — Краснодар: ГОУВПО КубГТУ, 2005. — 223 с.

19. Родионов, В. П. Закономерности кавитационной эрозии конструкционных материалов / В. П. Родионов, А. И. Уколов // Вестник Дагест. гос. техн. ун-та. Технические науки. — 2017. — Т.44, №3. — С. 39–47.

20. Ладенко, А. А. Суперкавитационная технология очистки систем водоотведения / А. А. Ладенко, В. П. Родионов, Н. В. Ладенко // Научно-технический журнал «Энергоснабжение и водоотведение». — 2016. — Т. 103, №5. — С. 77–79.

21. Родионов, В. П. Суперкавитационная струйная экотехнология водолазных работ / В. П. Родионов. — Краснодар: ГОУВПО КубГТУ, 2015. — 160 с.

22. Родионов, В. П. Энергосберегающие технологии очистки / В. П. Родионов, В. М. Лось. — Москва: Компания Крона-плюс, 2004. — 136с.

23. Гидрокавитационный генератор: патент №1614241 Российская Федерация: В 0F /00, В 08 В 03/12 / В. П. Родионов. — №4339321; заявл. 2.11.87; опубл. 24.05.93.

24. Гидродинамический стенд: патент №43069 Российская Федерация / В. М. Лось, В. П. Родионов, В. М. Курихин. — № 2004121579; заявл. 21.07.04; опубл. 27.12.04.

25. Лось, В. М. Гидродинамические установки высокого давления / В. М. Лось, В. П. Родионов. — Москва,2006. — 136 с.

26. ANSYS CFX. Computer simulation helps design more efficient water pumps // World Pumps. — 2004. — Vol. 453. — P. 32–34.

27. Tsutsumi, K. Cavitation simulation of automotive torque converter using a homogeneous cavitation model / K. Tsutsumi, S. Watanabe, S. Tsuda, T. Yamaguchi // European journal of mechanics B/Fluids. — 2017. — Vol. 61, iss 2. — P. 263—270.

28. Алексенский, В. А. Расчетное определение кавитационных характеристик центробежных насосов / В. А. Алексенский, А. А. Жарковский, П. В. Пугачев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13, №1 (2). — С. 411–414.

29. Уколов, А. И. Моделирование колеса центробежного насоса с максимальным эффектом кавитации / А. И. Уколов, В. П. Родионов, П. П. Старовойтов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2017. — №5. — С. 910–919.

30. Кулагин, В. А. Гидрогазодинамика: электрон. учеб. пособие / В. А. Кулагин, Е. П. Грищенко. — Красноярск: ИПК СФУ, 2009. — 278 с.

31. Petkovsek, M. A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disintegration / M. Petkovsek, M. Mlakar, M. Levstek et al. // Ultrasonics Sonochemistry. — 2015. — Vol. 26. — P. 408— 414.

32. Оптимизационное проектирование проточной части магистрального нефтяного насоса с использованием TURBO инструментов ANSYS / С. Г. Валюхов [и др.] // Насосы. Турбины. Системы. — 2015. — T. 14, № 1. — С. 56–68.

Методология проектирования конической формы сечения для суперкавитационных транспортных средств с учетом характеристик автоколебаний

Из-за сложности полостей/транспортных средств и характеристик колебаний интегрированная конструкция обтекаемой формы обычных полностью смоченных транспортных средств не подходит для суперкавитационных транспортных средств. В этой статье выделен набор критериев проектирования для оптимизации длины и обтекаемой формы конической секции с учетом реалистичных конструктивных ограничений, которые объединяют сложные характеристики системы полость/транспортное средство в условиях автоколебаний суперкавитирующих транспортных средств.Определены автоколебания и их временные характеристики. Путем получения уравнения, описывающего взаимосвязь полость/носитель и определения максимальной амплитуды угла Эйлера, критерий точки касания полости/носителя предлагается для определения теоретического оптимального значения длины конического участка. Предложен метод равных площадей поперечного сечения газового потока для проектирования обтекаемой формы конического сечения. Были проведены водные тоннели и эксперименты с автономным полетом, чтобы подтвердить осуществимость методологии проектирования, разработанной в этой работе.

1. Введение

Суперкавитация – это явление, при котором вокруг подводного аппарата образуется полость. Поскольку большая часть поверхности транспортного средства покрыта сверхполостью, сила сопротивления транспортного средства значительно снижается по сравнению с обычными полностью смоченными транспортными средствами, что приводит к десятикратному увеличению скорости. Суперкавитационные аппараты (КА) состоят из кавитатора, конической секции, цилиндрической секции, кормовых вертикальных рулей и сопла, как показано на рисунке 1.


На протяжении десятилетий проводились обширные исследования кавитации. Экспериментально Логвинович [1] предложил известный принцип независимости расширения секций резонатора, который считается теоретической основой моделирования сверхрезонаторов. Многие исследователи расширили эту теорию и продвинули ее применение в КА. Проведен комплекс экспериментальных исследований механизмов суперкавитации, вентилируемой кавитации, гидродинамической силы и стратегии управления КА [2–6].Исследовано структурное поведение гибких или подкрепленных упругих КА [7, 8]. Кроме того, с разработкой управляемых, маневрирующих КА, некоторые существующие исследования, связанные с суперкавитацией, также привели к важным достижениям в проблеме наведения и управления для КА [9-12] и собственных шумов в кавитаторе КА [13]. . В целом, предыдущие исследования КА в основном были сосредоточены на механизмах суперкавитации, динамическом моделировании, управлении и т. д.

Сложность проблемы еще более усугубляется развитием маневрирующих КА.Должны быть решены различные вопросы, такие как разрывы наклона сил, эффекты временной задержки, номинальное переднее расположение центра давления и изменения параметров системы при выполнении маневра транспортным средством [14]. Среди них уникальные характеристики системы полости/носителя составляют главный фактор в решении этих проблем. Система резонатор/транспортное средство является сложной из-за эффекта временной задержки сверхполости и конических автоколебаний транспортного средства [15].В недавней литературе также выявляются нерешенные вопросы, связанные с системой полость/транспортное средство, а также с присущей характеристикам движения SV нестабильности. Нгуен и др. [16] исследовали динамику системы с точки зрения нелинейных неустойчивостей и феномена хвостового удара, демонстрируя, что форма полости играет решающую роль в определении динамики системы. Лин и др. [17] представили динамическую модель для интерпретации феномена хвостового шлепка как движения по предельному циклу. Лин и др. В работе [18] изучалось поведение бифуркации по отношению к квазистатическому изменению кавитационного числа, и явление удара хвостом определяется как следствие бифуркации Хопфа, за которой следует событие скольжения.Учитывая доминирующие нелинейности, связанные с силами глиссирования, общие характеристики динамического поведения КА были изучены Lv et al. [19] и Xiong et al. [20]. Они указали, что система SV имеет сложные явления, такие как сосуществование точки стабильного равновесия и предельного цикла, сосуществование предельного цикла и хаотического аттрактора, а также сосуществование нескольких предельных циклов. Авторы настоящей работы также обнаружили собственные конические колебания при движении КА [21] и указали, что конические колебания связаны с возникновением ударно-хвостового движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях и установившимся разность фаз.

Основным вопросом при маневрировании КА по-прежнему остается базовая конфигурация самого корабля [15]. Были проведены ограниченные исследования конфигурации SV. Кроме того, в большинстве исследований в основном обсуждалось структурное поведение, характеристики сопротивления и сборка кавитатора, не упоминая принцип проектирования обтекаемой формы. Ruzzene [22] провел обширный анализ как статической, так и динамической устойчивости цилиндрического корпуса торпеды. Влияние изменения количества кольцевых ребер жесткости рассматривалось с точки зрения устойчивости к продольному изгибу.Альянак и др. В работе [23] представлена ​​оптимальная конструктивная схема суперкавитирующей торпеды с использованием как радиальных, так и продольных ребер жесткости. Были представлены оптимальные размеры ребер жесткости, а также оптимальное количество каждого типа. Однако габаритные размеры торпеды были постоянными, а модель представляла собой простой цилиндр с конической носовой частью. Кроме того, был представлен алгоритм определения оптимальной конфигурации торпеды [24], в котором формулировалась оптимизационная задача, определяющая общую форму торпеды для удовлетворения требуемым критериям эффективности.Чой и др. [25] использовали метод анализа чувствительности конструкции формы (принцип минимального сопротивления) для определения оптимальной формы кавитатора, выполняя анализ суперкавитационного потока для диапазона чисел кавитации. Ульман [26] провел параметрические исследования суперкавитационного течения и кавитаторов для диапазона чисел кавитации. Куклински [27] также представил экспериментальные исследования кавитационного эффекта и контрольных характеристик различных кавитаторов. Результаты двух вышеупомянутых исследований показывают многообещающее согласие.Ан и др. [15] оптимизировали конфигурацию и номинальную рабочую скорость КА, интегрировав несколько эксплуатационных требований в процесс оптимизации. Каваками и Арндт [28] экспериментально исследовали искусственную суперкавитацию за диском с острыми краями для различных конфигураций модели. Были представлены результаты, касающиеся формы суперполости, требований к закрытию и вентиляции в зависимости от числа Фруда. Мохтарзаде и др. [29] изучали влияние формы кавитатора на устойчивость автомобиля.Они указали, что характеристики статической устойчивости автомобиля зависят от касательных сил кавитатора. Park и Rhee [30] исследовали турбулентное суперкавитационное обтекание тела, оснащенного клиновидным кавитатором, где решения CFD для длины каверны согласовывались с экспериментальными результатами.

Для интегрированного проектирования обычных полностью увлажняемых транспортных средств, междисциплинарный метод оптимизации конструкции [31], основанный на линейном поиске подход без производных для негладкой оптимизации с ограничениями [32], совместная оптимизация и безградиентный метод [33], метод осуществимости для отдельных дисциплин [34] и другие комбинированные методы проектирования для минимизации силы сопротивления [35].Кроме того, некоторые спроектированные обтекаемые формы были успешно использованы для выражения носовой и хвостовой частей полностью смоченных подводных аппаратов, например линии Гланвилля [36]. Однако маловероятно, что конструкция SV совместима с современными автомобилями с полным увлажнением [23]. Из-за сложности характеристик полости / транспортного средства и колебаний обтекаемая форма SV также полностью отличается от смачиваемых транспортных средств.

Сосредоточив внимание на конической части SV, в этой статье представлен набор критериев проектирования для оценки длины и обтекаемой формы конической части с учетом реалистичных конструктивных ограничений, которые объединяют сложные характеристики системы полости/транспортного средства в условиях состояние автоколебаний автомобиля.Используя представленные конструктивные критерии, можно искать оптимальную длину и обтекаемую форму конического сечения для максимального диапазона устойчивой работы КА. Результаты экспериментов в туннеле и автономном полете подтверждают осуществимость предложенной методологии проектирования. Основные вклады этой статьи заключаются в следующем. (1) Принимая границы полости в качестве эксплуатационных ограничений, предлагается критерий точки касания полости/транспортного средства для определения теоретического оптимального значения длины конического участка.(2) Предложен метод равных площадей поперечного сечения газового потока для проектирования обтекаемой формы конического сечения.

Оставшаяся часть этого документа организована следующим образом. В разделе 2 изложены автоколебательные характеристики КА. В разделе 3 анализируются характеристики SV во временной области, и выделяется явление конических колебаний. В разделе 4 подробно предлагаются критерии проектирования конического сечения КА. В разделе 5 представлены водные тоннели и автономные летные эксперименты для проверки метода проектирования.И, наконец, в разделе 6 делается несколько выводов. Транспортное средство движется с постоянной скоростью. (ii) Транспортное средство движется в горизонтальной плоскости. (iii) Угол качения транспортного средства равен нулю. (iv) Транспортное средство управляется для движения с довольно малым углом рыскания и угол бокового скольжения.Отсюда следует, что , , и .

Согласно литературным данным [21, 37], кинетические уравнения, основанные на сделанных выше предположениях, представляются следующим образом.

Баланс сил в горизонтальной плоскости (без управления) описывается как

Баланс моментов

Скорость рыскания в наземной системе координат

Боковые силы складываются из сил на кавитатор и сил глиссирования. Боковая сила может быть описана в упрощенной форме: где

Время задержки, , записывается как

Длина транспортного средства

Плечо боковой силы относительно центра масс где — амплитуда , и , описывающая отклонение между полости и автомобиля в кормовой плоскости.Здесь и – компоненты вектора от центра кормовой плоскости до осевой линии полости, как показано на рис. 2, где – система координат, связанная с корпусом, выражения для которой приведены в Приложении [21, 37].


Уравнение (11) является базовой гипотезой для анализа характеристик движения НКА, описывающей зависимость между положением точки действия силы на оболочке и отклонением полости и аппарата в хвостовой части.

С учетом уравнения (1) производная уравнения (4) по времени равна

Согласно уравнениям (2) и (3), баланс моментов можно переписать как

Используя уравнения (12) и (13 ) дает

Уравнения (12)–(14) выражают основную динамическую зависимость КА.

Уравнения (1) и (13) дают

Его передаточная функция где обозначает преобразование Лапласа. Согласно уравнению (13) получаем

На основании уравнений (5)–(8) получаем

С учетом временной задержки угол бокового скольжения во времени может быть аппроксимирован как

Его передаточная функция равна

Аналогично, можно получить следующее соотношение:

Из уравнений (4), (18), (20) и (21) получаем

Используя уравнения (9), (16) и (22), получаем

Теперь, мы предполагаем следующее соотношение:

Далее, используя уравнение (10) и соотношение , уравнение (23) можно приблизительно упростить как

Аналогично, если соотношение, выраженное в уравнении (24), считается истинным, уравнение (17) можно также упростить как

Мы видим, что в уравнениях (25) и (26) фазовое соотношение переменных и удовлетворяет условию существования автоколебаний.Можно получить следующее соотношение:

Если уравнение (27) верно, то угловая частота автоколебаний равна

Согласно анализу, приведенному выше, автоколебания могут генерироваться при достаточных условиях уравнений (24 ) и (28).

3. Анализ автоколебаний во временной области

Поскольку математический вывод автоколебаний основан на приближенной передаточной зависимости уравнений (20) и (21), необходим дальнейший анализ во временной области.

Принимая простое гармоническое колебание, получаем

Далее, рассматривая уравнение (14), получаем

На основании уравнений (29), (30), (7) и (8) можно получить следующие уравнения :

Используя уравнения (31), (32) и (6), получаем

Обратите внимание, что на основе уравнений (5) и (13) также можно получить:

Сравнивая уравнения (33) и (34), можно получить следующее уравнение:

Выражения коэффициентов и приведены в приложении.

Если уравнение (35) верно, то должны выполняться следующие условия:

Уравнение (36) может быть преобразовано в

Объединяя уравнения (36) и (37), получаем

Решая уравнение (38) по формуле методом проб и ошибок и используя уравнение (28) в качестве начального значения, можно получить угловую частоту . Кроме того, может быть получено уравнение (37).

Далее, согласно уравнению (11), получаем

В сочетании с уравнением (34) амплитуду автоколебаний можно получить следующим образом:

Теперь рассмотрим следующее соотношение:

При этом относительная плотность транспортного средства определяется как [38]

Угловая частота автоколебаний, представленная уравнением (28), может быть упрощена до

Таким образом, можно видеть, что частота автоколебаний пропорциональна скорость движения обратно пропорциональна физическому размеру, пропорциональна квадратному корню из производной по положению коэффициента поперечной силы и тесно связана с расположением центра масс.

На основании уравнения (16) угол бокового скольжения описывается как где-либо и находится в первом квадранте.

Согласно определению угла отклонения траектории, мы получаем

В сочетании с уравнением (4) это дает

Опять же, в сочетании с уравнением (30), угол отклонения траектории описывается как

Используя уравнение (7) и полагая амплитуду равной нулю, получаем где — расстояние от центра мгновенной скорости (где амплитуда равна нулю) до центра масс, которое можно получить, комбинируя уравнения (30) и (37).

Расстояние от центра мгновенной скорости до кавитатора можно рассчитать следующим образом:

Это означает, что расстояние от центра мгновенной скорости до кавитатора очень мало из-за отношения .

Положение колебаний в любом месте транспортного средства описывается как место, где они возникают в кавитаторе и проходят вдоль оси симметрии транспортного средства.

Кроме того, положение колебаний в центре вершины кавитатора равно

В соответствии с принципом независимости расширения сечений резонатора Логвиновича [1], ось симметрии сверхрезонатора выглядит как спираль на основе приведенного выше анализа, что также согласуется с экспериментальной фотографией на рис. 3.Шаг спирали описывается как


. Подводя итог, можно сказать, что КА двигаются в форме пространственных конических автоколебаний, которые можно описать, как показано на рис. 4. В проекции на плоскость пространственные колебания показаны как хорошо известное явление «хлопка хвостом», как показано на рисунке 5.



4. Критерии расчета конического сечения
4.1. Длина конической секции

Форма полости влияет на динамику транспортного средства и полости.Описание зоны закрытия каверны является наиболее сложной задачей при описании формы каверны. По известным теоретическим схемам закрытия полость в данном исследовании наиболее близка к схеме Рябушинского [5], при которой полость закрывается на кормовой поверхности корпуса. Существует несколько моделей для прогнозирования размера и формы полости при различных условиях течения. Даже для простого случая стационарного течения было предложено множество различных моделей. Для исследования основной связи между сверхполостью и транспортным средством удобны элегантные полуэмпирические соотношения Логвиновича [1] (в случаях, когда кавитационное число мало и влияние силы тяжести пренебрежимо мало) для предсказания полости следующим образом:

Ожидаемое форма суперполости представляет собой тонкую, почти осесимметричную полость, закрывающуюся в кормовой части транспортного средства, как показано на рисунке 6.В точке закрытия полости и действительны.


Объединение уравнений (55)–(57) дает

Выражения коэффициентов , и приведены в приложении.

Смысловой корень уравнения (59) получается, когда идентифицируется ограничительная связь между радиусом кавитатора и числом кавитации.

Здесь рассматривается принцип конструкции места закрытия полости. Благодаря наличию пространственных конических автоколебаний корпус ненадолго выравнивает полость, в которой образуется частичная кавитация.Кажется, что полость намного меньше, чем в номинальном расчетном состоянии. Эта частичная кавитация еще более серьезна, когда транспортное средство выполняет маневр. При усилении колебаний зона замыкания каверны фактически смещается вперед вдоль корпуса, заставляя полость закрываться дальше по течению. Он даже перемещается в коническую часть транспортного средства, как показано на рисунке 7. В этом состоянии сопротивление транспортного средства значительно увеличивается. Таким образом, параметры формы конического сечения должны быть оптимизированы таким образом, чтобы зона замыкания полости могла располагаться в ожидаемом положении даже в случае колебаний.


Взяв в качестве примера канал рыскания транспортного средства и в соответствии с уравнениями (52) и (29), отношение относительного положения между сверхполостью и транспортным средством есть где время задержки, , записывается как

При условии, что амплитуда в уравнение (61) равно нулю, профиль сверхрезонатора касается корпуса корабля. То есть в любом осевом положении существует только одна допустимая амплитуда угла рыскания, при которой сверхполость касается поверхности цилиндрического сечения.

Основываясь на опыте проектирования, предполагая, что удлинение транспортного средства равно 12, радиус дискового кавитатора равен , а сверхкаверна закрывается в кормовой части транспортного средства, соотношение между допустимой амплитудой угла рыскания и длиной конического участка может получить, как показано на рисунке 8.


Из рисунка 8 следует, что существует одно теоретическое оптимальное значение , которое поддерживает максимальную амплитуду угла рыскания, поскольку функциональная зависимость, описываемая уравнением (63), является выпуклой, убывающей параболическая кривая.

Если фактическая амплитуда угла рыскания, полученная из уравнения (40), точно равна максимальной амплитуде , оптимальное значение , соответствующее , может быть определено как пересечение конического и цилиндрического сечений. Длина конического участка определяется как .

Если , полость замыкается в коническом сечении для произвольного .

Если , полость закрывается на коническом сечении при .

Приведенные выше критерии длины конической секции, которые в данной работе называются «критериями точки касания полости/транспортного средства», обобщены в таблице 1.


Дизайн критерий Конический участок длиной Отношения полости и тела

Произвольные Полость закрывается в конусе
полость тангенса на поверхность автомобиля при пересечении конуса и цилиндра


На самом деле, во время парусного спорта SVS есть угол пересечения между центральной линией полости и осевой линии транспортного средства из-за существующего угла атаки транспортного средства и сил плавучести, воздействующих на полость.При увеличении угла пересечения зона замыкания каверны на одной стороне корпуса смещается вперед вдоль корпуса, что вызывает увеличение лобового сопротивления и подъемной силы, называемой глиссирующей силой. Точка действия этой глиссирующей силы, рассчитанной по уравнению (37), также смещается вперед.

Когда точка действия находится за центром масс, глиссирующий момент является восстанавливающим моментом. При перемещении точки действия впереди центра масс глиссирующий момент является опрокидывающим, и устойчивость движения автомобиля значительно снижается.Регулируя распределение масс, можно получить большее плечо силы глиссирования, что может максимизировать допустимый диапазон устойчивости движения транспортного средства.

Наоборот, если полость не касается поверхности транспортного средства, а замыкается в коническом сечении, то в результате пересечения конуса и цилиндра будет падение давления из-за сильного искривления линий тока жидкости. В такой ситуации даже появляется «вторичная кавитация», как показано на рисунке 9.


4.2. Обтекаемая форма конического сечения

Для вентилируемых КА между профилем конического сечения и стенкой сверхполости образован кольцевой вентиляционный канал. Чтобы стабилизировать поток вентилируемого газа и избежать «удара» о стенку полости, площадь поперечного сечения газового потока (площадь вентиляции) может быть рассчитана постоянной. Здесь равная площадь поперечного сечения для газового потока является конструктивным критерием обтекаемой формы конического сечения. При этом скорость газового потока примерно постоянна.

Из уравнения (63) можно получить положение, в котором полость касается поверхности транспортного средства, где квадратная разность между радиусом сверхполости и транспортным средством представляет собой площадь вентиляции. Считая площадь вентиляции постоянной и учитывая уравнения (55)–(57), можно получить следующее соотношение:

Выражения для коэффициентов , , и приведены в приложении.

Уравнение (64) можно преобразовать в

На основании уравнения (65) профиль конического сечения показан на рисунке 10.Для вентилируемого КА в передней части конического сечения закреплены вентилируемые устройства, длина которых обычно меньше, чем для малокалиберного КА, как показано на рисунке 11.



Секция

С помощью описанной выше методики была спроектирована модель КА для экспериментов в водяном туннеле с диаметром цилиндрического сечения 40 мм и диаметром дна конического кавитатора 10 мм. Эксперименты по свойству формы сверхполости были проведены методом вентиляции в высокоскоростном водном туннеле Северо-Западного политехнического университета в Китае.

Принципиальными параметрами подобия для вентилируемых сверхполостей являются число кавитации и число Фруда:

Число естественной кавитации определяется как

В случае осесимметричного кавитатора безразмерный коэффициент скорости равен

В эксперименте скорость и давление основного потока сначала фиксируется как постоянное. Ряд кавитационных чисел можно получить, работая с расходом и давлением вентиляционного газа. Образуются полости разной формы.Здесь параметры в опытах с водяной трубой показаны в табл. 2. Объемный расход газа увеличивается снизу вверх (0,9091 м 3 /с).



5 мм 8 м / с 70 кПа 25,54 0,08 1,4865

На рис. 12 представлены фотографии вентилируемых полостей при одинаковом числе кавитации и разном объемном расходе газа.


Согласно результатам, при расходе газа менее примерно 0,5305 полость закрывается на коническом сечении и образуется частичная кавитация. Когда расход газа составляет около 0,6061, полость касается поверхности транспортного средства на пересечении конуса и цилиндра. Если расход газа продолжает увеличиваться, полость может плавно пересечь пересечение конуса и цилиндра, а затем закрыться на цилиндрическом сечении. Когда расход газа достигает 0.9091 полость замыкается в хвостовой части и большая часть поверхности охвачена сплошной полостью. Хвост оси полости деформируется вверх под действием силы тяжести.

Результаты экспериментов показывают, что спроектированная коническая форма транспортного средства может реализовать ожидаемую суперкавитацию. Однако характеристики автоколебаний SV трудно смоделировать в лаборатории гидротоннеля, поскольку наличие распорок ограничивает движение модели. Для более полной проверки могут быть проведены дальнейшие автономные летные эксперименты.

Кроме того, для проверки представленного здесь метода проектирования были проведены автономные летные эксперименты на дне озера. В автономных летных экспериментах запуск КА производился из частокола, установленного на понтонном катамаране. Стартовая платформа показана на рис. 13. Для измерения трехосного ускорения и угловой скорости использовался блок инерциальных измерений, как показано на рис. 14. В качестве центрального блока управления для управления ходом и хранения данных испытаний использовался ПК104. .Рядом со стартовой площадкой была закреплена подводная высокоскоростная камера, фиксирующая профиль сверхрезонатора. Параметры автономных летных экспериментов приведены в табл. 3. Спроектированный экспериментальный КА показан на рис. 15. На рис. 16 показана прямолинейная траектория полета экспериментальной модели.




радиус транспортного средства Длина транспортного средства масса транспортного средства Глубина Крейсерская скорость Упорный Парусная время

101 .5 мм 2500 мм 100 кг 3 м 204 кН 9 25 кН 9 4.1 S 4.1 S



Время история необработанных данных от инерциальный измерительный блок показан на рис. 17. Траектория центра кормовой плоскости может быть получена путем умножения тангенциальных составляющих изменяющихся во времени углов, как показано на рис. 18, которые могут отражать автоколебания автомобиля в автономный летный эксперимент.


Использовались вентиляционные устройства с газом от пороха. Массовый расход вентиляционного газа составлял около 100   г/с на крейсерской скорости. Температура газа составляла около 800  К. На рисунке 19 представлены фотографии вентилируемых сверхрезонаторов. Полость сплошная и может полностью охватывать поверхность КА. В частности, на пересечении конуса и цилиндра происходит плавный переход полостей и отсутствует «вторичная кавитация», как показано на рис. 20. Результаты автономных летных экспериментов подтвердили реализуемость предложенного метода проектирования.



6. Выводы

В этой статье представлен набор конструктивных критериев для оценки длины и обтекаемой формы конической секции с учетом реалистичных конструктивных ограничений, которые объединяют сложные характеристики системы полость/транспортное средство при условии автоколебаний суперкавитирующих аппаратов. Основные результаты следующие: (1) Согласно уравнению (43), частота автоколебаний КА пропорциональна скорости движения, обратно пропорциональна физическому размеру, пропорциональна квадратному корню из производной по положению коэффициента поперечной силы, и тесно связана с расположением центра масс.(2) В случае автоколебаний длина конического участка может быть рассчитана путем определения максимальной амплитуды угла Эйлера. Устойчивость КА тесно связана с положением центра масс. Большее плечо глиссирующей силы может обеспечить больший допустимый диапазон устойчивости движения. (3) Обтекаемая форма конического сечения может быть спроектирована с использованием метода равной площади поперечного сечения для стабилизации потока газа и создания гладкой сверхполости.

Результаты экспериментов показывают, что представленная методология проектирования конической формы сечения подходит для КА.

Приложение

Автоколебательные характеристики спутников . Компоненты расстояния и выражаются как

Анализ автоколебаний во временной области . Коэффициенты и выражаются как

Длина конического сечения . Коэффициенты , и выражаются как

Обтекаемая форма конического сечения . Коэффициенты, и выражены как

номенклатура
9019 4 Должность колебаний на позиции
: : Характерные параметры позиционного усилия
:
: : :
: Производная позиция коэффициента боковых сил
: характеристических параметры демпфирующей силы
: Фруды
: Гравитационное ускорение
: инерции вращения вокруг вертикальной оси
: коэффициент Качающегося
: : Соотношение угловой угла на бортик на боковых липах
: Константа
: : : :
: : :
: : Расстояние из полости Или Центр массового центра
:
: Расстояние от мгновенного скорости в центре массового центра
: Длина автомобиля
: : Расстояние от центра кормового самолета до массового центра
: Конический разрез длина
: Масса автомобиля
: :
:
: Давление полости
: Давление насыщенного водяного паров
: Объемный расход газа
: коэффициент уноса воздуха
: Радиус суперкаверной
: Радиус кавитаторе
: Радиус цилиндрической секции
: Радиус конического сечения
: : Z -Component of Aft Raviaty Centre в системе координат тела
:
: : Спиральный шаг
: Time
: Скорость парусного спорта
:
: : Расстояние от центра мгновенного скорости до кавитатора
:
: :
: Z -component из массового центра в земной координатной системе
: z-компонент кавитаторного центра
:
: Z-компонент крепкого самолета Центр в земной системе координат
: Угол сторонников
: Плотность жидкости
: Номер кавитации
: : Натуральная кавитация номер
:
:
: Время задержки
: Угловая частота автоматического колебания
: : Фаза угол рыпы
: Угол рыпы
:
: :
: : Угловой отклонения траектории
: : : : : : колебание
: Относительная плотность
нижние индексы 90 188 Основная ценность.
: Амплитудно
: Тело фиксированной системы координат
: Максимальное
: Параметры во времени
:
Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 51679202 и 51579209).

Разработка и изготовление сильнодействующего устройства «кавитация-на-чипе» с многоканальной конфигурацией

В этом исследовании представлено новое поколение микрожидкостных устройств «кавитация-на-чипе» с легким созданием кавитации внутри структурированных множественных параллельные микроканальные (каскадные) конфигурации.Для этого в качестве рабочих жидкостей использовались две рабочие жидкости: вода и водная суспензия ПВС МБ. Возникновение кавитации и морфология кавитирующего потока внутри этого микрофлюидного устройства исследовались для обеих рабочих жидкостей.

Демонстрация возникновения УВ внутри многоканальной конфигурации

На рис. 4 показано образование кавитационных пузырьков внутри микрофлюидного устройства, имеющего восемь параллельных микроканалов с элементами шероховатости боковых стенок. В области расширения видны кавитационные картины течения с выходящими пузырьками, которые зарождаются на поверхности расширенного канала.На этом рисунке представлен всесторонний обзор возникающих кавитационных потоков в этом микрожидкостном устройстве. Как видно, вдоль вертикальной оси области растяжения формируются различные кавитационные режимы течения. Более того, этот обзор ясно показывает, что кавитация возникает во всех параллельных каналах при давлении на входе 1,1 МПа. Соответственно, общий обзор предлагаемого микрожидкостного устройства предполагает, что возможно одновременное наличие различных режимов течения, т. е. гетерогенного зародышеобразования, пузырькового течения, частичного кавитационного течения, включающего листовые и облачные кавитационные структуры, и вихреобразования.Цель представления различных изображений кавитационных явлений на рис. 4 состоит в том, чтобы подчеркнуть, что предлагаемое устройство имеет возможность генерировать различные картины, которые, по-видимому, имеют разные уровни энерговыделения. Таким образом, это экспериментальное исследование предполагает, что предлагаемое устройство может быть эффективным многофункциональным реактором, который можно использовать в приложениях, где требуются разные уровни энергии от схлопывания пузырьков (одновременно).

Рис. 4: Обзор возникновения кавитации.

В конфигурации множественных параллельных микроканалов сформировались различные кавитационные потоки при P i  = 1,1 МПа.

На рис. 5 представлены возникающие кавитационные течения при давлении перед входом 1,1 МПа в области расширения за двумя параллельными каналами (каналы 4 и 5). Различные модели кавитирующего потока, такие как частичные полости, в том числе полостные и облачные полости, а также одиночные кавитационные пузырьки, проявляются при постоянном давлении на входе внутри многоканальных конфигураций устройства.Как показано, в расширенном канале формируются одинарная листовая паровая полость, двойная волнообразная полость и кавитационные пузырьки с поверхности устройства. Согласно предыдущим исследованиям 8 , в ненагреваемых микрожидкостных устройствах с одним микроканалом при фиксированном давлении на входе трудно увидеть более одной кавитирующей картины потока, а смещение картины потока можно получить только путем регулировки давления на входе или выходе. давление. Кроме того, как показано на рис. 4 и 5, кавитационные потоки имеют разную интенсивность в области расширения каждого параллельного канала, что означает, что конфигурации параллельных микроканалов могут обеспечивать кавитационные режимы течения различной интенсивности при фиксированном давлении на входе.Однако в современных устройствах с кавитацией на кристалле характер кавитационного течения и его интенсивность напрямую зависят от входного давления (вложенной энергии), и происходит постепенный переход от пузырькового течения к полностью развитой кавитации 29 , в котором подчеркивается влияние конфигурации элемента, ограничивающего поток, на кавитационные формы потока. Более того, давление, соответствующее возникновению кавитации (0,62 и 0,2 МПа для воды и МБ ПВС-вода соответственно) в предлагаемом микрожидкостном устройстве ниже, чем в современных традиционных устройствах кавитации на кристалле 21 ,22,23 (1.65 и 2,34 МПа для воды и 1,62 для МБ ПВС–вода). Устройство и геометрия отверстия играют существенную роль в определении условий возникновения кавитации и интенсивности кавитационных течений. Одним из геометрических параметров, используемых для характеристики кавитационных течений, является отношение площади отверстий к входным площадям отверстий (число потока) 30 . При уменьшении расходного числа кавитация возникает и развивается раньше 31 . Предлагаемое устройство было спроектировано так, чтобы иметь меньший параметр числа потоков, чем обычные устройства с одним отверстием 21 .

Рис. 5

Различные кавитационные режимы течения P i  = 1,1 МПа.2}}$$

(1)

, где P ref — эталонное давление, которое в данном исследовании является давлением на входе и измеряется точно на входе в кавитационное устройство.Давление на входе является критическим параметром в этом исследовании, так как углеводороды образуются за счет увеличения этого давления, в то время как давление на выходе остается постоянным. P v — давление насыщенного пара жидкости, ρ l — плотность жидкости, V ref — эталонная скорость, которая представляет собой среднюю скорость внутри микроканалов. V ref рассчитывается путем измерения скорости потока на выходе и представляется как средняя скорость кавитирующего потока ( V ref  =  Q /8 A p ) внутри микрожидкостного устройства. Q — объемный расход, A p — площадь поперечного сечения микроканала. Следует отметить, что число начальной кавитации ( σ i ) можно получить, заменив P ref на давление ( P i ), соответствующее условиям возникновения кавитации.

В зависимости от конструкции экспериментальной установки и расположения измеряемых параметров, таких как эталонное давление и скорость, число кавитации может быть рассчитано с использованием различных подходов, что может привести к различным диапазонам чисел кавитации 32 .В этом исследовании мы описываем процессы кавитации на основе параметров, измеренных на упомянутой экспериментальной установке без обратной связи; таким образом, давление на входе используется в качестве эталонного давления.

На рис. 6а показано число кавитации в зависимости от давления на входе для случая воды и суспензии ПВС-МБ. Зарождение кавитации происходит при давлении на входе 0,62 МПа (90 Psi) с образованием кавитационного облака для воды. Кавитационные течения развиваются и интенсифицируются с увеличением давления перед входом, а пластовое кавитационное течение может быть получено при давлении перед входом, равном 1.1 МПа (160 фунтов на квадратный дюйм). Соответственно, давление на входе, необходимое для возникновения кавитации в предлагаемой конструкции, значительно ниже, чем в одномикроканальной конфигурации в современных устройствах кавитации на кристалле с тем же гидравлическим диаметром (начало кавитации происходило при давлении на входе 1,65 МПа 21 ). Результаты показывают, что число возникновения кавитации составляет 4,16 при 0,62 МПа и снижается до 4,14, 4,09 и 2,95 для входных давлений 0,68, 0,76 и 1.1 МПа соответственно.

Рис. 6: Изменение числа кавитации в зависимости от давления на входе и безразмерных чисел.

a Число кавитации по отношению к давлению на входе для воды и поливинилового спирта. b Изменение числа кавитации в зависимости от числа Рейнольдса и числа Вебера для воды и суспензии ПВС-МБ

Как показано на рис. водный случай.Начальное давление в случае суспензии PVA-MB составляет 0,2 МПа (30 Psi), что ниже, чем в исследовании Мишры и Пелеша 15 по кавитации в одном микроотверстии и в нашем предыдущем исследовании 22 . Начальное кавитационное число в этом случае составляет 3,07 и снижается до 2,96, 2,77 и 2,72 для входных давлений 0,62, 0,68 и 0,76 МПа. Таким образом, с учетом рис. 6а, кавитация начинается при более низком давлении для суспензии ПВС-МГ, а это означает, что в этом случае требуется меньший энергозатрат на генерацию пузырьков.Это связано с тем, что МС ПВС обеспечивают больше центров зародышеобразования в используемой суспензии. Кроме того, результаты кавитационного числа показывают, что кавитационное число для суспензии ПВС МБ уменьшается с более крутым наклоном, чем для случая чистой воды в верхнем диапазоне давления на входе (0,62–0,76  МПа), что свидетельствует о том, что кавитирующий поток закономерности в случае МС ПВС развиваются быстрее, чем в случае чистой воды. Соответствующее снижение начального давления может быть связано с конструкцией микрожидкостной геометрии, архитектурой элементов шероховатости поверхности и боковых стенок и более ранним восстановлением давления вдоль параллельных микроканалов.2D_{\rm{{h}}}/S\); S — поверхностное натяжение жидкости) — безразмерное число, представляющее отношение сил вязкости к силам поверхностного натяжения. На рис. 6b показаны изменения числа кавитации в зависимости от чисел Рейнольдса и Вебера. Как видно из этого рисунка, число Рейнольдса, соответствующее возникновению кавитации, ниже в случае суспензии ПВС МГ, чем в случае чистой воды. Генерация пузырьков в предлагаемой конфигурации начинается при более низком давлении перед входом, и соответствующее число Рейнольдса соответственно имеет меньшее значение, как показано на рис.6б. Следовательно, скорость потока в начале ниже, чем в наших предыдущих результатах 22 . Максимальные числа Рейнольдса в этом исследовании как для воды, так и для суспензии ПВС-МБ не превышают 1698, что означает, что потоки внутри микроканалов являются ламинарными. По результатам визуализации на рис. 7a и 8c, с этой предлагаемой конфигурацией микрожидкостного устройства можно достичь условий развитого пластового кавитирующего потока при более низком числе Рейнольдса в условиях ламинарного потока.

Рис. 7: Картины кавитационного течения для случаев воды и поливинилового спирта.

a Сдвоенная кавитирующая форсунка. b Двухлистовой кавитационный поток для корпуса подвески PVA MB, P i  = 0,68 МПа. c Гистерезис кавитационных пузырьков в случае МБ ПВС, P i  = 0,68 МПа. d Генерация микровихревого течения в области растяжения, P i  = 0,68 МПа.

Рис.8

Развитие кавитационных режимов течения на воде ПВС-МБ. a пузырьковая струя P i  = 0,19 МПа. b струя облака пара P i  = 0,21 МПа. c двойная листовая полость P i  = 0,62 МПа.

Число Вебера можно использовать в качестве параметра для характеристики изменений и деформации форм и площадей пузырьков. Соответственно, с увеличением скорости вязкие силы преобладают над поверхностным натяжением.Поэтому площадь поверхности раздела двухфазного потока увеличивается с числом Вебера за счет увеличения скорости, что приводит к развитию кавитационных течений. В связи с этим, как показано на рис. 6б, число кавитации уменьшается с числом Вебера, что свидетельствует о развитии кавитационного течения.

На рис. 7 показано кавитационное течение с двумя листами для случаев воды и суспензии ПВС-метилен. Двойную картину потока можно увидеть при давлении на входе 0,68  МПа для случая MB PVA и при 1.1 МПа для воды. MB PVA обеспечивают больше мест зарождения кавитационных пузырьков для роста и интенсификации кавитационных потоков. По этой причине переход кавитационных режимов течения в случае суспензии ПВС МБ происходит быстрее, чем в случае воды. Таким образом, при более низком давлении на входе можно увидеть двойную структуру листа. Кроме того, как показано на рис. 7, в случае МБ ПВС в зоне расширения наблюдаются разные картины течения. На рис. 7в показано явление гистерезиса от стенки канала в области расширения до возникновения кавитационной картины двойного листа.Перед формированием листового кавитационного течения возникает отрывной пузырек. Это явление гистерезиса исчезает в течение короткого времени за счет развития кавитационного течения, разрушающего отрыв пузырьков. Этот вывод согласуется с выводами предыдущего исследования 33 о кавитации вихревого наконечника. На рис. 7г показана пара вихрей, вращающихся в противоположных направлениях в области растяжения вокруг кавитирующего потока. За счет обрыва части пластового течения образуется зона циркуляции, трансформирующаяся в пузырьковое облако.Вихревая пара возникает в зонах циркуляции, которые генерируются за счет импульса кавитирующего потока и имеют направление, противоположное кавитирующему потоку.

На рис. 8 представлены изображения кавитирующих течений в области расширения каскадного микрофлюидного устройства для подвесного корпуса ПВА МБ. Как видно на рис. 8а, появление частичной каверны связано с возникновением кавитации при давлении на входе 0,19 МПа. Переход кавитационной картины течения от режима частичного кавитации к режиму парового облака происходит при давлении на входе, равном 0.21 МПа (рис. 8б). Дополнительное увеличение входного давления приводит к формированию присоединенной двойной кавитационной картины течения при входном давлении 0,62 МПа, как показано на рис. 8в. Эти результаты подчеркивают быстрое развитие кавитационных течений в случае суспензии PVA MB. Кроме того, как показано на рис. 8в, в задней части пластового кавитирующего потока происходит образование пузырькового облака. Пузырьки отделяются от пластового режима и образуют пузырьковое облако в зоне циркуляции. Кроме того, проявляется режим частичной кавитации с образованием кавитации вблизи канала в области расширения, а затем трансформирующейся в струйное течение парового облака вдоль области расширения на более дальнем расстоянии.С увеличением давления на входе из кромки канала начинает выходить пластовое кавитационное течение.

Влияние УВ на размер пузырьков внутри многоканальной конфигурации

На рис. 9а показаны размеры МБ ПВС при различных давлениях на входе. Как видно, интенсивность кавитирующего течения оказывает существенное влияние на размер диаметра ПВС-МБ. Результаты показывают, что скорость роста МБ выше для условий развитого кавитирующего потока по сравнению с условиями зарождения кавитации, что означает, что размер микропузырьков больше увеличивается при высоких давлениях на входе.МБ продолжает расширяться за пределы критического радиуса, при котором схлопываются кавитационные пузырьки. В предыдущих исследованиях 34 по ультразвуковой кавитации сообщалось, что МБ достигали максимального расширения при пиковом отрицательном передающем давлении, а затем сразу же начинали подвергаться сжатию. Дробление пузырьков происходило как при пиковом отрицательном давлении, так и при сжатии. При ГК МБ расширяются при резком снижении давления. Динамику роста и схлопывания пузырьков в УВ можно описать модифицированным уравнением Рэлея–Плессета 3 .Решение этого уравнения показывает, что при отсутствии тепловых эффектов одиночный пузырек начинает расти в области низкого давления, пока не достигнет критического радиуса. Таким образом, размер МБ ПВС начинает увеличиваться, когда они входят в область низкого давления в контрактной вене по ходу микроканалов.

Рис. 9: Влияние УВ на диаметр МБ ПВС.

a PVA Средний диаметр MB по отношению к давлению на входе. b Распределение частот PVA-MB по номеру в P i  = 0.68 МПа. c Микроскопические изображения пузырьков до и после экспериментов.

В предлагаемом микрофлюидном устройстве МБ не испытывают сжатия во время HC. Следовательно, на возникновение и интенсивность кавитации влияет только рост и фрагментация микропузырьков при пиковом отрицательном давлении. Согласно рис. 9а, диаметр МБ ПВС при высоком давлении на входе больше, чем при низком давлении на входе, что означает, что МБ испытывают высокое пиковое отрицательное давление при более высоком давлении на входе, и, как и ожидалось, МБ ПВС расширяются больше в соответствии с к предыдущим исследованиям ультразвуковых контрастных веществ (UCA) 34 , так как MB не испытывают цикл сжатия в HC, как в случае ультразвука.Кроме того, давление уменьшается вдоль микроканалов. Поэтому расширение пузырьков происходит постепенно по каналам.

Другим важным параметром, который следует упомянуть, является свойство оболочки микропузырьков. МБ ПВА представляют собой МБ с полимерной оболочкой на основе ПВС, обеспечивающей достаточную жесткость для предотвращения растворения пузырьков газа 35 . Более того, вязкоупругие свойства МБ ПВС играют значительную роль в стабилизации и сдерживании МБ при достигнутых диаметрах после ГЦ. По результатам максимальная скорость расширения (отношение средних диаметров МБ после и до кавитации) МБ ПВС равна 1.6 для 120 подсчитанных МБ для того же объема.

Согласно рис. 9а, в то время как минимальное локальное давление при ГК линейно уменьшается в области контрактной вены с подводимой энергией (давление вверх по течению), средний диаметр МБ ПВС увеличивается с той же тенденцией. МБ ПВС представляют собой полимерные МБ, которые намного жестче, чем пузырьки воздуха, и поведение этих пузырьков определяется оболочкой, а не воздухом внутри них. Полимерная оболочка под действием давления скручивается и становится более гибкой 36 , что приводит к увеличению размеров МБ при отрицательном градиенте давления.Это исследование показывает, что диаметр МБ ПВС изменяется почти линейно с увеличением давления на входе (ускорение градиента отрицательного давления). В предыдущем исследовании 37 на переменном токе было замечено, что средний размер пузырьков зависел от акустической мощности и что диаметры МБ увеличивались почти линейно. Это открытие могло бы послужить хорошей отправной точкой для демонстрации сравнительного исследования эффективных параметров HC (входная мощность, скорость, градиент давления и т. д.) и переменного тока (частота, затухание и т. д.).).

На рис. 9b показано нормализованное распределение по размерам МС ПВС для условий без кавитации и кавитации. Значительное изменение числа более крупных МБ происходит при зарождении кавитации. Более 80 процентов МП ПВС имеют размер более 4 мкм в начале кавитации, и только 20 процентов МП имеют диаметр > 4 мкм в условиях отсутствия кавитации. Частотное распределение диаметра пузырьков указывает на то, что диаметр МБ ПВС может увеличиваться при воздействии УВ.Большая часть пузырьков расширяется в УВ, и из-за низкого давления начала кавитации на входе ПВС МБ не могут достичь критического радиуса в условиях возникновения кавитации. По этой причине можно утверждать, что размер MB ПВС играет доминирующую роль в возникновении и усилении явления кавитации, обеспечивая больше мест зарождения для роста пузырьков.

Xtreme Cavitator — Наши технологии

Xtreme Cavitator — Наши технологии

Магазин не будет работать корректно в случае, если куки отключены.

Похоже, в вашем браузере отключен JavaScript. Для наилучшего взаимодействия с нашим сайтом обязательно включите Javascript в своем браузере.

Существует много прекрасных старых патронов, характеристики которых ограничены металлургией, доступной для огнестрельного оружия в то время, когда они были разработаны.Некоторые так хороши, как в 45-70 Правительство, их модернизировали под современные давления и перевыпускают под современные патроны, другие, как 32 АСР наверное так и останутся с низкими рабочими давлениями, из-за количества существующих орудий .

Есть ли способ обеспечить современные характеристики патронов низкого давления за счет усовершенствованной конструкции и производства снарядов? В Lehigh, самом инновационном в мире производителе снарядов и боеприпасов, ответ — смелое ДА.

Мы рады объявить о выпуске нашего семейства Xtreme Cavitator, первым из которых стал знаменитый картридж 32 ACP.

Xtreme Cavitator использует уникальную геометрию для формирования скачка давления паров в носовой части, покрывающего фланг пули длинной воздушной оболочкой, когда она проходит через среду, устраняя боковое сопротивление и обеспечивая глубокое проникновение. Какого черта вы говорите? Нет, это не вуду или маркетинговая реклама, это физика. Если вам скучно, поищите суперкавитационные торпеды; чертовы русские там первые. Дело в том, что все пули создают кавитацию; мы только что создали дизайн с уникальным носом и канавкой для воздушного резервуара, чтобы подчеркнуть эффект.Как звучат 13,5″ проникновения 32 ACP в 10% геле? 

Copyright © 2022 ООО «Лехай Дефенс».

Лабораторная система CaviTune | Кавитационные технологии, Inc.

Лабораторные системы CaviTune™

Стенд лабораторный для гидродинамической и кавитационной обработки жидкостей


* Нажмите на картинку для увеличения

Характеристики лабораторного стенда:
  • Объем перерабатываемой партии жидкости до 3 галлонов
  • Объем перерабатываемой жидкости (продолжение) 5 галлонов в минуту
  • Подача насоса до 5 галлонов в минуту.
  • Рабочее давление на входе в полость составляет 260 фунтов на квадратный дюйм.
  • Максимальное давление на выходе составляет 350 фунтов на кв. дюйм.
  • Температура обрабатываемой жидкости 32-212°F.
  • Динамическая вязкость обрабатываемой жидкости; мин. 1 сантипуаз при 20°C (вода), макс. 1 Па-с.

Описание лабораторного стенда

Стенд лабораторный предназначен для гидродинамической и кавитационной обработки гомогенных и гетерогенных жидкостей с целью интенсификации процессов массообмена, эмульгирования и диспергирования, а также для изменения физических характеристик обрабатываемой жидкости.Гидродинамическая и кавитационная обработка жидкости осуществляется в проточном гидродинамическом кавитаторе, номер модели — ЛАБ101. Принцип действия кавитатора основан на нестационарности потоков жидкости и активных гидродинамических эффектах воздействия на обрабатываемые вещества. Обработка жидкости в гидродинамическом кавитаторе осуществляется импульсным многофакторным воздействием: вихреобразование, микромасштабные пульсации давления, интенсивная кавитация, ударные волны и нелинейные гидроакустические эффекты.Конструкция гидродинамического кавитатора обеспечивает многократную регулировку поля скоростей и изменение направления линий тока жидкости и смешиваемых компонентов.

Схема лабораторного стенда представлена ​​на рис. 1. Лабораторный стенд состоит из емкости 1, насоса 2, кавитатора 3, клапана сброса давления 4, инвертора 5, манометра 6, термометра 7, вентилей с 8 по 13. Все узлы и агрегаты стенда смонтированы на раме и соединены трубопроводами.


Рис. 1. Схема лабораторного стенда.
1. Бак. 2. Насос. 3. Кавитатор 5 гал/мин. 4. Предохранительный клапан. 5. Изобретатель. 6. Манометр. 7. Термометр. 8. Шаровой кран высокого давления NPS 1″. 9. Шаровой кран высокого давления NPS 1″. 10. Шаровой кран высокого давления NPS 3/4». 11. Шаровой кран NPS 3/4». 12. Шаровой кран NPS 3/4″. 13. Шаровой кран высокого давления NPS 1″

.

* Нажмите на изображение, чтобы увидеть полноразмерную версию

приемы, механизмы и проектирование систем

Аннотация
Фокусированный ультразвук в настоящее время разрабатывается как метод неинвазивной термической абляции доброкачественных и раковых опухолей в нескольких системах органов.Хотя эти методы лечения предназначены для абляции ткани исключительно термическими средствами, может возникнуть кавитация, образование и схлопывание пузырьков газа. Эти пузырьки могут быть непредсказуемыми по времени и местоположению и часто мешают термальной терапии. Поэтому методы сфокусированного ультразвука пытались избежать пузырьков и их эффектов. Однако пузырьки газа in vivo обладают некоторыми потенциальными полезными свойствами для терапии. Они значительно усиливают локальное поглощение ультразвука и сами по себе могут вызывать механическое повреждение ткани.Кроме того, пузырьковые облака могут блокировать распространение ультразвуковых волн, обеспечивая защиту жизненно важных тканей во время абляции близлежащих патологий. При правильном индуцировании и контроле кавитация в сфокусированной ультразвуковой терапии потенциально может быть очень полезной. Первая цель этого исследования состоит в том, чтобы разработать и протестировать ультразвуковые воздействия in vivo, которые вызывают кавитацию в соответствующее время и используют преимущества их свойств, улучшающих поглощение. Кроме того, будут исследованы методы мониторинга и контроля индукции кавитации и связанная с этим терапия.Во-вторых, теоретическая пузырьковая модель и моделирование акустического поля будут использоваться для разработки оптимальных полей давления, которые очень точно контролируют местонахождение кавитации. Эти модели также будут использоваться для исследования методов снижения акустической мощности, необходимой для создания кавитации, при одновременном предотвращении кавитации вне фокуса. На заключительном этапе исследования будет разработана и испытана многоканальная многочастотная система ультразвукового усилителя, способная обеспечить оптимальную экспозицию с помощью крупномасштабных систем с фазированной решеткой.В общей сложности

 

(продолжение) диссертационное исследование позволит обосновать применение кавитации в ультразвуковой терапии, а также разработать технологию и методологию для оптимального использования кавитации и мониторинга ее эффектов в естественных условиях.

 

Описание
Диссертация (доктор философии) — Гарвардский Массачусетский технологический институт, Отдел медицинских наук и технологий, февраль 2004 г.

 

Включает библиографические ссылки (листы 134–151).

 

Издатель

Массачусетский технологический институт

Ключевые слова

Гарвардский университет – Отдел медицинских наук и технологий Массачусетского технологического института.

Рекомендации по проектированию индуктора | Блог Turbomachinery

Зачем использовать индуктор?

Предположим, вы хотите построить турбонасос для повышения давления рабочей жидкости. Однако вы обнаружите, что жидкость, с которой вы работаете, продолжает испаряться в крыльчатках, которые вы проектируете, вызывая всевозможные проблемы с производительностью. Что вы можете сделать в этом случае? Одним из решений является разработка индуктора для вашего турбонасоса.

Осевые индукторы используются в турбонасосах перед рабочим колесом, чтобы избежать кавитации, снизить требуемое давление на входе и/или обеспечить работу турбонасосов с более высокими скоростями вращения при заданном давлении на входе [1].Для правильной работы турбонасоса входное давление насоса должно быть достаточно высоким, чтобы избежать кавитации. Кавитация — это явление, при котором пузырьки пара, образующиеся в протекающей жидкости, внезапно схлопываются, что может привести к повреждению поверхности крыльчатки, снижению производительности, а также к катастрофическому отказу.

Явление кавитации можно визуализировать на изображении ниже. Входной поток (текущий с левой стороны изображения) сталкивается с тупым телом в канале жидкости. Это вызывает локальное падение давления и образование пузырьков пара.По мере того как жидкость продолжает течь (к правой стороне изображения), пузырьки пара схлопываются, как только давление жидкости достаточно возрастает.

Рисунок 1: Образование пузырьков пара в кавитирующем потоке жидкости

Теперь, когда мы поняли проблему, как мы можем гарантировать, что эти эффекты кавитации не возникнут в нашем насосе? Для прогнозирования возникновения кавитации обычно используются два параметра. Доступный чистый положительный напор на всасывании (NPSHa) описывает, насколько больше локальное статическое давление на входе по сравнению с местным давлением пара на входе.По существу, NPSHa показывает, соблюдаются ли условия для возникновения кавитации. Требуемый чистый положительный напор на всасывании (NPSHr) описывает напор на входе, соответствующий определенному падению производительности. Типичным параметром NPSHr является стандартный 3% NPSH (NPSh4), который описывает входное давление, соответствующее падению напора насоса на 3% при определенном расходе. Как правило, NPSHr измеряет, достаточно ли кавитации, чтобы вызвать заметное снижение производительности насоса.Если NPSHr намного больше, чем NPSha, может произойти значительное снижение производительности из-за кавитации. То есть, когда доступный чистый положительный напор на всасывании недостаточен, могут произойти плохие вещи, начиная от снижения производительности и заканчивая прямым повреждением и выходом из строя.

В некоторых случаях условия на входе в насос таковы, что невозможно избежать условий кавитации. Эти области применения включают ракетные турбонасосы, авиационные топливные насосы и питательные насосы котлов [2].Это делает их отличными приложениями для реализации индуктора! Пример индуктора, используемого в ракетном турбонасосе, показан ниже [3]. Некоторые характеристики этого индуктора, на которые следует обратить внимание, включают стреловидную переднюю кромку, высокую прочность лопасти, относительно длинный канал потока и небольшое количество лопастей. Насосный индуктор увеличивает статическое давление перед рабочим колесом. Результатом этого можно считать либо снижение NPSHr для машины в целом, либо увеличение NSPHa на входе в рабочее колесо, оба из которых приводят к минимизации разрушающего воздействия кавитации.

Рисунок 2: 3-лопастной индуктор для ракетного турбонасоса [3] Особенности конструкции индуктора

Относительно длинные каналы лопастей

Теперь, когда мы знаем, что нам нужен индуктор, какими характеристиками можно ожидать от него? Начнем с того, что индукторы представляют собой элемент осевого потока с относительно небольшим количеством лопастей (обычно 3 или 4) [4]. Использование небольшого количества лопастей приводит к более длинным лопастям с увеличенной осевой длиной для выполнения работы с жидкостью.Преимущество более длинных лопастей заключается в том, что они обеспечивают достаточно времени и пространства в канале потока для схлопывания любых пузырьков пара перед входом в ротор, но компромиссом является более низкая эффективность. Давайте посмотрим, почему это так.

Энергия передается от лопастей индуктора жидкости очень постепенно. Одним из недостатков этой геометрии является то, что в проточных каналах поток может испытывать значительные эффекты вязкости и вторичные потоки. Из-за малого числа лопастей в канале потока больше места для образования вторичных потоков.Появление пузырьков пара в потоке также увеличивает турбулентность и вязкие потери. Это приводит к тому, что энергия потока легче рассеивается, что приводит к более низким значениям эффективности на индукторе [1].

Из-за увеличенной длины хорды лопастей индукторы имеют высокую прочность лопасти (обычно 1,5 – 2,5), которая представляет собой отношение длины хорды к шагу каскада. Преимущество более высокой прочности заключается в том, что она улучшает характеристики всасывания, а также может помочь противодействовать колебаниям от кавитации [4].Обратите внимание на изображение ниже, как даже при небольшом количестве лопастей индукторы будут иметь большую прочность по сравнению с рабочими колесами.

Рисунок 3: Сравнение прочности — индуктор и рабочее колесо

Геометрия передней кромки

Давайте выясним, насколько большой должна быть наша машина — мы можем начать с входа. Диаметр входного наконечника определяется по требуемому коэффициенту расхода (обычно между 0,07–0,14) [2], который связывает абсолютную скорость жидкости на входе с окружной скоростью вращающегося наконечника лопасти (см. уравнение ниже).Желаемый минимальный диаметр впускного отверстия ступицы обычно ограничивается механическими ограничениями (например, размером вала), а коэффициент потока помогает определить диаметр впускного наконечника (используя расчетную скорость наконечника и заданную скорость вращения вала). Теперь мы знаем требуемый размер входного отверстия нашего насоса! Типичные результирующие отношения диаметров входного отверстия (отношение диаметра входного наконечника к диаметру входного патрубка) составляют от 2 до 5 [4].

Также попробуем уменьшить входные потери вблизи входа индуктора.Для этого используется малый радиус кривизны (или малый угол клина) на передней кромке лопасти. В конечном итоге нижний предел радиуса передней кромки будет обусловлен структурными напряжениями лопасти. Чтобы справиться со структурными напряжениями, создаваемыми центробежными силами и силами давления, лопасть должна быть достаточно толстой. Толщина лезвия сужается от максимальной толщины на ступице до минимальной толщины на конце. Углы также присутствуют в секции ступицы для снижения концентрации напряжений.

Проект индуктора в действии

Чтобы продемонстрировать процесс проектирования индуктора, мы выполним предварительный проект в AxSTREAM, используя спецификации турбонасоса от ракетного двигателя RL10A-3-3A [5]. В ракетном двигателе используется двухступенчатый топливный турбонасос, первая ступень которого состоит из впускного канала, индуктора, центробежного рабочего колеса, безлопастного диффузора и конической выходной улитки. Модель этого первого этапа показана ниже.

Рисунок 4: Модель AxSTREAM топливного турбонасоса RL10A – 1-я ступень

Рабочие параметры

Рабочие параметры этой первой ступени, предсказанные AxSTREAM, приведены в таблице ниже.Два приведенных значения NPSHr относятся только к индуктору и рабочему колесу. То есть, если бы индуктор или крыльчатка работали сами по себе при расчетном расходе, отдельный NPSHr привел бы к падению напора на этой однокомпонентной ступени на 3%. Значение NPSHr всей машины обычно будет основываться на NPSHr первой ступени, поскольку входное давление выше для следующих ступеней и, таким образом, снижается вероятность кавитации. Первое, на что следует обратить внимание в отношении рабочих параметров RL10A, это то, что кавитационный запас индуктора ниже, чем у рабочего колеса, поэтому он предназначен для работы при более низких рабочих давлениях.(Это хорошо, иначе зачем проектировать и использовать индуктор?!) Кроме того, обратите внимание, что NPSH индуктора очень близок к NPSHr крыльчатки. Это показывает, что если бы не было индуктора для повышения давления на входе перед рабочим колесом, скорее всего, производительность рабочего колеса значительно ухудшилась бы.

Геометрические параметры

Индуктор, смоделированный в AxSTREAM, имел результирующие геометрические параметры, показанные в таблице ниже.Геометрия индуктора была сгенерирована в решателе предварительного проектирования AxSTREAM на основе как рабочих граничных условий, представленных в литературе, так и определенных геометрических ограничений, чтобы гарантировать, что конструкция имеет реалистичную геометрию и производительность. Обратите внимание, что коэффициент потока на входе находится в пределах желаемого диапазона, указанного ранее [2]. Геометрия также имеет высокую прочность и высокое отношение входного диаметра. Наконец, угол клина передней кромки мал и уменьшается по высоте лопасти.Все эти геометрические особенности мы идентифицировали ранее как типичные для осевых индукторов.

Мы сделали краткое введение в типы параметров, которые следует учитывать при проектировании индукторов турбонасосов. С помощью инструментов проектирования, таких как AxSTREAM, этими параметрами можно управлять и управлять ими в процессе проектирования турбонасоса. Кавитация — это проблема проектирования, которую должны решать инженеры, и внедрение индуктора обеспечивает потенциальное решение.

Ссылки:

  • [1] Л. д’Агостино, Л. Торре, А. Пазини, Д. Баккарела, А. Червоне и А. Милани, «Модель пониженного порядка для предварительного проектирования и прогнозирования производительности Конические индукторы: сравнение с численным моделированием», AIAA, Hartford, CT, 2008.
  • [2] D. Japikse, WD Marsher и RB Furst, Конструкция и производительность центробежного насоса, Concepts NREC, 1997.
  • [3] A. Червоне, Л. Торре, А. Пазини и Л. д’Агостино, «Кавитация и нестабильность потока в трехлопастном осевом индукторе, спроектированном с помощью аналитической модели пониженного порядка», Международный симпозиум по кавитации, 2009 г.
  • [4] Дж. Якобсен и Р.Б. Келлер-младший, Индукторы турбонасосов жидкостных ракетных двигателей, NASA SP-8052, 1971.
  • [5] М. Биндер, Т. Томсик и Дж. П. Верес, Ракетный двигатель RL10A-3-3A Проект моделирования, НАСА, 1997 г.

 

Ультразвуковые очистители Cavitator®

К сожалению, ваш браузер не поддерживает возможности JavaScript, необходимые для полноценного использования нашего сайта. Это может быть результатом двух возможных сценариев:

  1. Вы используете старый веб-браузер, и в этом случае вам следует обновить его до более новой версии.Мы рекомендуем последнюю версию Firefox.
  2. Вы отключили JavaScript в своем браузере, и в этом случае вам нужно будет включить его, чтобы правильно использовать наш сайт. Узнайте, как включить JavaScript.

Все новые ультразвуковые очистители кавитаторов представлены в пяти размерах, разработанных в соответствии с вашими потребностями в очистке. Эти очистители генерируют ультразвуковые волны, которые создают миллионы крошечных пузырьков в процессе кавитации.Пузырьки мягко очищают и полируют любую поверхность, с которой соприкасаются, проникая в каждый уголок и щель, удаляя застрявшую грязь и мусор. Медицинские инструменты, стеклянная посуда и даже ювелирные изделия быстро восстанавливаются до первоначального блеска без особых усилий. Мягкая чистка идеально подходит и для деликатных вещей.

Особенность новых очистителей Cavitator:

  • Цифровые индикаторы и элементы управления таймера и обогревателя
  • Корзины и крышки из нержавеющей стали в комплекте
  • Поверхность из нержавеющей стали без пятен на всех чистящих средствах, кроме 18G
  • Сливные клапаны включены во все очистители, кроме 3L
  • Ручки на небольших пылесосах для удобного подъема
  • Два фиксированных колеса и два всенаправленных колеса с фиксаторами на 18G

Размеры:

  • ME3L – .Ультразвуковой очиститель на 8 галлонов
  • ME6L — ультразвуковой очиститель объемом 1,6 галлона
  • ME10L — ультразвуковой очиститель объемом 2,6 галлона
  • ME22L — ультразвуковой очиститель объемом 5,8 галлона
  • ME20G — ультразвуковой очиститель объемом 20 галлонов

Принадлежности:
» Дополнительные крышки
» Дополнительные корзины
» Моющие средства и химикаты
» Насадка для ополаскивания
» Шланг для заполнения

Внешние размеры:

  • 3 л – 10,6 x 6,7 x 8,3 дюйма
  • 6 л – 13 дюймов x 6.7″ х 10,6″
  • 10 л – 13 дюймов x 10,6 дюймов x 10,6 дюймов
  • 22 л – 21,6 x 13 x 10,6 дюймов
  • 20G – 25,6 x 17,7 x 24,4 дюйма

Размер бака:

  • 3 л – 9,4 x 5,3 x 3,9 дюйма
  • 6 л – 11,8″ x 5,9″ x 5,9″
  • 10 л – 11,8″ x 9,4″ x 5,9″
  • 22 л – 19,7″ x 11,8″ x 5,9″
  • 20G – 21,7″ x 15,7″ x 13,8″

Требования к питанию:

  • 3 л – В переменного тока: 110/220 • Гц: 60/50
  • 6L – В переменного тока: 110/220 • Гц: 60/50
  • 10 л – В переменного тока: 110/220 • Гц: 60/50
  • 22L – В переменного тока: 110/220 • Гц: 60/50
  • 20G – В переменного тока: 110/220 • Гц: 60/50

* ME20G имеет вилку больничного класса 125 В 20 А, NEMA 5-20, которая подключается только к специальной розетке 115 В, 20 А

Мощность:

  • 3 л – 120 Вт
  • 6 л – 180 Вт
  • 10 л – 240 Вт
  • 22 л — 480 Вт
  • 20G — 1200 Вт

Обезболивающий гель прямо из Финляндии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.