что такое кавитация топлива

Что собой представляет кавитатор топлива и нужно ли его использовать

Каждого водителя заботит несколько вещей:

Создатели автомобильного кавитатора утверждают, что они нашли простое и дешёвое решение всех этих проблем. Далее мы рассмотрим принцип работы прибора, достоинства и недостатки.

Назначение кавитаторов

Кавитатор топлива используется как дополнительная деталь в системе впрыска горючего, чтобы очистить его от разных примесей и привести в состояние, при котором оно лучше воспринимается двигателем. Также снижается выброс вредных веществ в атмосферу, и это позволяет значительно сэкономить деньги на различных очистительных приборах.

Изначально кавитационные установки применялись только в нефтеперерабатывающей и химической промышленности для уменьшения количества отходов производства и повышения качества продукции. Позднее создали мини-версию для автомобилей – она ещё не успела прочно войти в обиход и получить широкое распространение.

Устройство и принцип работы

Устройство топливного кавитатора нельзя назвать сложным: он представляет собой небольшую цилиндрическую трубочку, зауженную по краям, внутри которой установлены перегородки с каналами. Проходя через них, топливо подвергается давлению и достигает нужного состояния.

Принцип действия основан на интенсивном перемешивании топлива в трубочке, во время которого оно становится более однородным и кавитируется.

Сложным термином «кавитация» называют образование полых сферических областей в жидкости, лопающихся и высвобождающих мощный импульс. Такой эффект можно наблюдать в обычной жизни, встряхнув бутылку с игристым вином. Накопленная сила способна вытолкнуть пробку на значительное расстояние. Это явление использует и кавитатор – топливо даёт больше энергии, чем могло бы при обычных условиях. Примеси под давлением расщепляются и не попадают в двигатель, что продлевает его работоспособность.

Устройство помещают между топливным насосом и механизмом впрыска, монтаж занимает всего несколько минут. Поскольку внутри кавитатора нет ничего, что теряло бы со временем свои свойства: химических веществ, заряженных частиц, магнитов, движущихся шарниров и тому подобного, он не имеет срока годности и служит очень долго.

К машине предъявляется всего два требования:

Преимущества и недостатки применения

Какие же улучшения приносит с собой кавитатор по словам производителей:

О недостатках говорить сложнее, потому что кавитаторы стали предлагать не так давно, и накопилось мало объективных отзывов. Противники прибора предлагают следующие аргументы:

Источник

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:

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:

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 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:

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

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:

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:

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:

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.

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:

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:

Источник

Кавитация топлива – основные акценты

Основываясь на результатах тщательного тестирования, ключевые технологии улучшения нефтяного топлива сводятся к способностям выведения асфальтеновых соединений, улучшению вязкости и плотности, а также стабильности топлива в течение длительного периода времени, уменьшая при этом расходы на автоматизацию и обслуживание оборудования с увеличением его производительности. Один из возможных путей решения этой задачи – кавитация топлива.

Кавитация топлива. На помощь придет гидродинамика

Современные системы для кавитации нефтяного топлива работают по методу гидродинамической кавитации. Когда исходный продукт подается в специализированные устройства, с помощью насосов происходит подача топлива на необходимой скорости для создания пузырьков, заполненных паром. Распад пузырьков приводит к интенсивному перемешиванию и создает локальное давление и температуру до 1000 atm (standard atmosphere) и 5000 К (Kelvin) соответственно. При условиях гидродинамической кавитации нефтепродукта, он нагревается, нарушает матрица его структуры и увеличивается вязкость на 10-15%. Асфальтеновые соединения и углеводороды расщепляются, что облегчает их фрагментацию в более ценные продукты. Кавитация нефтяного топлива позволяет регенерировать водород из воды, что приводит к прекращению радикальных реакций (реакции замещения).

Оборудование для кавитации топлива

Компания GlobeСore является мировым лидер ом в области разработки и лицензирования новых ультрасовременных технологий для производства биодизель, переработки растительного масла, возобновляемого топлива, нефти, очистки масел и других жидкостей и т.п. Торговая марка ориентирует свои технологии на поддержание тренда возобновляемых источников энергии.

Оборудование GlobeСore работает на основе технологий непрерывного потока и гидродинамической кавитации нефтепродуктов. Все виды установок для гидродинамической кавитации нефтяного топлива имеют высокую производительность и длительный срок эксплуатации, являются компактными и легкими в обслуживании. Оборудование торговой марки GlobeСore способны эффективной и быстрой замене устаревших промышленных методов, которые, как правило, требуют больше энергии, производственной площади, оборудования, времени и физического труда. Сокращение выбранных затрат приводит к увеличению прибыльности для производителей нефтепродуктов.

Кроме того, GlobeСore предлагает массовое внедрение оборудования для гидродинамической кавитации нефтяного топлива, поэтому каждый промышленник может получить выгоду от использования данной технологии. При этом применение установок может быть самым разнообразным: производство биодизеля, улучшение нефтяного и биологического топлива и многое другое.

GlobeСore делает акцент на применении технологии гидродинамической кавитации нефтяного топлива. Установки данной торговой марки улучшают качество и ценность топлива, обусловленное пониженной вязкостью, снижением средней молекулярной массы (ниже API) и повышенным содержанием легких фракций углеводородов. Эти изменения позволяют увеличить цену нефтепродуктов.

Компания GlobeСore имеет патент на оборудование на основе технологии гидродинамической кавитации нефтяного топлива, которая разработаны для сокращения затрат на обработку продукта и уменьшения воздействия на окружающую среду крупных промышленных предприятий.

Источник

Кавитационная конверсия мазута газовых конденсатов в дизельно-бензиновые дистилляты. Часть 1 – Гидродинамическая кавитация

Часть 1 – Гидродинамическая кавитация

А. К. КУРОЧКИН – к.т.н., руководитель проектов «Термакат»
Н. В. МОТИН – к.т.н., заведующий лабораторией ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
С. З. АЛЕКСЕЕВ – к.т.н., начальник управления ОАО «Газпром» (1997–2010 гг.)
А. А. КУРОЧКИН – руководитель лаборатории термолиза ООО «Виста-Термакат»

Во всем мире переработка нефти с получением большого количества мазутов признана экономически нецелесообразной. В России средняя глубина переработки нефти в последнее десятилетие не превышает 71-72%. В ущерб экономике страны мазут и малосернистый газоконденсатный мазут экспортируется за рубеж как сырье по низкой цене. По рациональной технологии глубокой (безостаточной) переработки мазутов за рубежом и в России опубликованы сотни статей и выданы десятки патентов. Однако в промышленной практике российских НПЗ практически нет примеров использования эффективных технологий глубокой переработки мазутов. Эффективным решением проблем глубокой переработки мазутов может быть отечественная технология конверсионной безостаточной переработки высокопарафинистого газоконденсатного мазута, рассмотренная на примере Сургутского ЗСК.

Технология основана на применении методов и аппаратов кавитационно-акустического воздействия, позволяющих максимально превращать тяжелые термолабильные парафиновые углеводороды в легкие дизельно-бензиновые дистилляты (процесс ТЕРМАКАТ), в остатке при этом получаются конденсированные углеводороды, квалифицируемые как неокисленные дорожные битумы. Выход бензиновых фракций составляет до 12–18%; дизельных фракций – до 60-76%; битумных остатков – до 4-8% масс. Вместо битумов могут быть получены полусинтетическая нефть, низкозастывающие судовые, котельные и печные топлива. Выход и качество продуктов регулируются ведением технологического режима. Ассортимент продукции определяется конъюнктурой рынка и сезонностью спроса.

При разработке технологии переработки газоконденсатного мазута мы исходили из следующих положений:

Акустическая кавитация как фактор интенсификации химических процессов

В настоящее время не подлежит сомнению, что на стыке таких классических дисциплин, как акустика и химия, сформировалось и бурно 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» [1–13]. Во всемирной сети Internet созданы многочисленные web-узлы, посвященные проблемам звукохимии – https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/, http://www.nehudlit.ru, и др. Звукохимия (сонохимия, https://ru.wikipedia. org/wiki/) – раздел химии, который изучает взаимодействие мощных акустических волн и возникающие при этом химические и физико-химические эффекты. Звукохимия исследует кинетику и механизм звукохимических реакций, происходящих в объеме звукового поля [3, 12].

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, вместо повышенных при обычном проведении технологического процесса. В литературе описано множество эффектных примеров применения акустической кавитации для интенсификации химико-технологических процессов. Многие эффекты выявлены уже несколько десятилетий тому назад, а количество эффективных внедрений звукохимических процессов – единицы [11].

Среди основных проблем задержки интенсивного внедрения звукохимии в промышленные технологические процессы нефтепереработки следует назвать недостаточность теоретических проработок и обоснований звукохимических явлений, отсутствие высокопроизводительных и акустически мощных генераторов кавитации и, субъективный фактор – косность инженеров-нефтепереработчиков.

Недостаточность проработки теоретических основ звукохимии применительно к нефтепереработке скорее всего можно связать с физическими особенностями кавитации в нефтяных углеводородных средах. Достигнутые в ряде случаев результаты являются чаще всего удачным подбором реагентов, условий проведения реакции и параметров акустического поля. 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 паро- и газообразных компонентов, которые тушат кавитацию, другие углеводороды конденсируются и также изменяют параметры кавитации.

Промышленное применение акустических колебаний требует воздействия на большие единичные объемы перекачиваемых сред, что порождает необходимость ввода в кавитирующую жидкость высокой звуковой мощности. При этом возникают сразу две задачи – создание мощных преобразователей частоты и излучателей звука. Технически наиболее просто эти задачи решаются при повышении частоты звуковых колебаний, поэтому в настоящее время диапазон частот, применяемых в звукохимии колебаний, лежит в ультразвуковой области (20–100 кГц). Применение более низких частот ограничено низкой эффективностью излучателей в этой области и их большими размерами, а значит и стоимостью. Высокочастотные излучатели более эффективны, но при высоких частотах затруднено возникновение кавитации.

Обзор литературных данных по испытаниям промышленного ультразвукового оборудования (преобразователь + магнитострикционный излучатель) применимого для звукохимии показывает, что вводимая в жидкость мощность акустических колебаний не превосходит 6–8% от мощности потребляемой электрической энергии, при этом стоимость подобного оборудования весьма значительна.

Акустические колебания в производственных условиях обладают рядом технологических преимуществ по сравнению с другими физическими методами воздействия на вещество. Технологические процессы с применением ультразвука можно осуществлять в аппаратах из любых конструкционных материалов, и процессы легко можно автоматизировать и проводить в непрерывном режиме, под давлением, при высоких температурах и т.д. Кроме того, мощные кавитационные поля можно создавать механическими или гидродинамическими методами. Перспективной альтернативой ультразвуковым излучателям в последние годы стали гидродинамические излучатели [6].

Число установок, где используется ультразвук, весьма велико. И с каждым годом возрастает не только их число и мощность, но и появляются новые области технологического применения ультразвука.

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 [11]. Применение ультразвука в процессе нефтедобычи предотвращает кристаллизацию парафинов нефти и закупоривание нефтепровода. Применение мощных ультразвуковых волн для интенсификации процесса переработки угля позволяет получать ряд ценных продуктов: гуминовые кислоты, ароматические углеводороды и др. [9].

В настоящее время известны многие реакции, которые значительно изменяют скорость, а также состав конечных продуктов под действием ультразвуковых волн, однако они могут осуществляться и без ультразвука, но с меньшей скоростью. К этой группе эффектов можно отнести ускорение гидролиза эфиров карбоновых кислот, гидролиза диметилсульфата, и персульфата калия, разложение диазосоединений, и т.п. Для некоторых из этих процессов возможно предположить, что ускорение реакции происходит под действием ультразвука, однако для большинства из них причиной резкой интенсификации в ультразвуковом поле остаются неясными и требуют дополнительных экспериментальных исследований. К сожалению, во многих экспериментальных работах лишь констатируется интенсификация процесса, повышение выхода продукта, уменьшение доли побочных процессов и т.д., а относительно механизма наблюдаемых эффектов высказываются лишь общие соображения, чаще всего без экспериментального обоснования.

Ко второй группе эффектов относятся реакции, которые в рассматриваемой системе без воздействия ультразвуковых колебаний не протекают совсем. В зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов можно выделить следующие основные химические превращения в поле ультразвуковых волн:

Под термином «кавитационно-акустическая технология» (КА-технология) 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.

Направление данной работы связано, главным образом, с химико-технологическими процессами перегонки и деструкции тяжелых нефтяных углеводородных фракций (мазутов), поэтому в дальнейшем будем называть КА-технологией процессы, происходящие под воздействием акустических колебаний и кавитации в жидкой углеводородной фазе и в двухфазной смеси жидкость-газ.

Интенсифицирующее и инициирующее действие акустических колебаний на многие физические и химические процессы известно с 1934 года [1], однако до настоящего времени нет единого мнения о механизме процессов, приводящих к подобным эффектам. Общепринято лишь, что высокоэнергетичные процессы, такие как эрозия, химические реакции и сонолюминесценция, являются следствием так называемой акустической кавитации [2, 3, 4]. Под акустической кавитацией понимается разрыв сплошности жидкой среды с образованием газовых пузырьков, последующее быстрое сжатие (схлопывание, коллапс) которых и является причиной физико-химических эффектов. С другой стороны, многие акустические эффекты (коалесценция, дегазация, звукокапиллярный эффект) наблюдаются и при отсутствии фазы схлопывания кавитационного пузырька, за счет его резонансных движений.

В связи с тем, что акустическое воздействие связано с разнообразными видами движения газовых пузырьков (полостей), рассмотрим некоторые модели их образования и эволюции в роторных генераторах кавитации.

Кавитация в роторных генераторах

Изучение кавитационных явлений большинство исследователей приводит при возбуждении кавитации с помощью пьезоэлектрических, магнитострикционных и электромагнитных преобразователей электрической энергии в акустическую. Это связано с удобствами их использования в условиях эксперимента – легко регулируемая мощность излучения, отсутствие механических трущихся частей, простота герметизации установки, небольшие габариты излучателя и т.п. В последние годы в связи с повышением интереса к использованию кавитации в технологических процессах, возникла необходимость создания мощных кавитационных полей, способных воздействовать на большие объемы обрабатываемых сред. Для этой цели были разработаны конструкции гидродинамических излучателей: сирены, свистки, стержневые излучатели, роторно-пульсационные аппараты, гидроакустические излучатели и т.д. [6–9].

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. В значительной мере это связано с отсутствием потерь в генераторе, а также при преобразовании электрической энергии в механическую, и потерь при передаче механических колебаний от волновода к среде, которые в сумме составляют более 90% потребляемой мощности.

Одним из наиболее перспективных для технологических применений является гидродинамический роторный кавитатор (фото 1) (ГРК) [7, 8]. Достоинствами его являются высокая эффективность кавитационных процессов, по уровню воздействия приближающаяся к ультразвуковой кавитации, что показано в работах [7, 8, 10, 13] методами регистрации свечения жидкости и кавитационного шума.

Фото 1. Генератор кавитации погружного ГРК

К достоинствам гидроакустического излучателя относится значительный насосный эффект, что позволяет получать эффективные режимы работы без применения подпорных насосов. Немаловажным преимуществом перед другими типами излучателей является возможность регулировки акустических параметров излучателя с помощью изменения статического давления в камере озвучивания или частоты вращения ротора. Из недостатков гидроакустических излучателей следует отметить сложность изготовления рабочих органов, что связано с требованиями высокой точности изготовления ротора и статора. Недостатком являются также технические сложности, связанные с необходимостью применения высококачественных уплотнений на приводном валу, особенно при работе с высокими температурами и давлениями жидкой среды.

Принцип возбуждения кавитации в гидроакустическом излучателе поясняется на рис. 1. Вращение ротора сообщает кинетическую энергию жидкости и создает перепад давлений между полостью ротора и камерой статора. При совпадении прорезей ротора с прорезями статора жидкость под действием перепада давления с большой скоростью движется из полости ротора в камеру статора. При перекрывании сечения прорезей происходит торможение потока и разрыв жидкости с образованием кавитационных пузырьков, которые резко сжимаются под действием статического давления в камере статора (фото 2).

Фото 2. Погружной ГРК: кавитационное облако в воде

Характерной особенностью полей давления гидроакустических излучателей является относительно низкая частота чередования фаз «растяжение-сжатие» жидкости (1-5 кГц). Поэтому вряд ли имеет смысл говорить о кавитационных пузырьках резонансного размера в полях таких излучателей, поскольку их равновесный радиус составлял бы 0,5. 2 мм (рис. 2), а пузырьки таких размеров просто всплывают и удаляются из жидкости.

Рис. 1. Зависимости кавитационного шума (1) и свечения (2) от статического давления в камере статора гидроакустического излучателя

Рис. 2. Зависимость резонансной частоты газового пузырька от его радиуса и статического давления в жидкости: 1 – 0,5 атм, 2 – 1 атм, 3 – 2 атм, 4 – 5 атм.

Другой особенностью кавитационных полей гидродинамических излучателей является постоянное обновление жидкости в кавитационнной зоне, в связи с чем в них отсутствует период «развития» кавитации, который характерен для акустической кавитации, возбуждаемой в постоянном объеме жидкости. Зародыши кавитации в полях гидродинамических излучателей непосредственно, без постепенного роста за счет выпрямленной диффузии, переходят к резким нелинейным пульсациям. При этом пузырьки, образовавшиеся в результате дробления при нелинейных пульсациях, не могут служить новыми зародышами кавитации, поскольку они удаляются из зоны кавитации потоком жидкости, при этом могут оказывать эффект «последействия» кавитации, например, создавать или разрушать эмульсии.

Энергетика кавитационного воздействия

Вводимая в рабочую среду тепловая мощность, Nт (Вт) характеризует мощность кавитационноакустического аппарата. Нагрев жидкости обусловлен тремя процессами – кавитацией (фото 2) кавитационными пузырьками), мелкоструктурными вихрями и силами трения жидкости в зазоре и вблизи стенок. Все три процесса оказывают влияние на технологию.

Оценки относительных вкладов этих процессов по экспериментальным данным и по расчетам (рис. 3, 4) показывают, что их отношение (в процентах) соответственно 40:40:20.

Рис. 3. Эксперимент (маркеры) и расчет (линии) тепловой мощности при кавитационном воздействии

Рис. 4. Расчет тепловой мощности, выделяемой в зазорах

Тепловая мощность, выделяемая в зазорах, рассчитывается по темпу нагрева жидкости.

Порядок для наших аппаратов – 1000–10000 Вт.

Эффективность кавитации* как технологического фактора может быть оценена по спектру кавитационного шума. При отсутствии кавитации в спектре наблюдается один пик на роторной частоте с частотой ƒ₀=n*k (Гц), где: n – частота вращения ротора, об/с, k – число перекрытий отверстий в роторе и статоре за один оборот (рис. 5).

При возникновении кавитации энергия основной гармоники ƒ₀ переходит в высшие гармоники. При этом амплитуда ƒ₀ снижается, а амплитуда высших – растет (рис. 6).

* Выполнил д.т.н. Е. А. Смородов [12]

Рис. 5. Спектр при отсутствии кавитации. К=1,3

Рис. 6. Спектр при интенсивной кавитации. К=108,3

Количественно эффективность кавитации по спектру можно оценить как безразмерную величину:

Эффективность кавитации может регулироваться с помощью частоты вращения ротора, изменения статического давления в камере статора, расходом среды, температурой жидкости и другими методами.

Для наших аппаратов Е=0…500.

Эффективность кавитации зависит от формы движения кавитационных пузырьков. Максимальные давления и температуры, являющиеся действующими факторами кавитации, зависят от параметров среды и могут быть вычислены по соотношениям:

Давление P_max и температура Т_max при этом являются факторами, определяющими эффективность кавитации.

В соотношения (2–4) входит 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 = Рг + 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 с высоким давлением 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.

С учетом соотношения (2) для параметра эффективности кавитации (1) можно записать:

Заметим, что формула (5) учитывает физико-химические свойства жидкой среды (через Р) и растворенного газа (через Р и γ), а также параметры акустического поля (R_max = R_max(Р_зв)) и статическое давление Р_ст.

Проведем оценки параметра β для гидроакустических излучателей для единичного акта перекрытия щелей.

При перекрывании щелей ротора и статора излучателя кинетическая энергия потока жидкости переходит в потенциальную энергию расширенного пузырька в жидкости со статическим давлением Рст, а при сжатии – в энергию адиабатически сжатого газа. Поэтому можно записать:

m_г/m_ж – массовое газосодержание жидкости, Δ_w – изменение скорости потока при перекрывании щелей, М – молярная масса газовой смеси в пузырьке, R – универсальная газовая постоянная.

Выражая отношение R_о/R_min из (6) с учетом (5) получим:

Аналогичные рассуждения в предположении изотермического сжатия дают соотношение:

Формулы (7) и (8) позволяют сделать некоторые выводы относительно зависимости кавитационной активности от конструктивных особенностей и режима работы гидроакустического излучателя:

Перепад скорости потока жидкости Δ_w может быть принят за основу для классификации роторных гидродинамических аппаратов. При этом удобнее использовать безразмерный параметр, называемый коэффициентом модуляции потока:

w_ср – средняя скорость потока жидкости через отверстия 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 3 /ч.

Для проведения промышленных процессов созданы гидродинамические роторные кавитаторы производительностью до 600 м₃/ч, с напором 0,6 Мпа. Промышленная надежность и экологическая безопасность таких кавитаторов обеспечивается использованием герметичных магнитных приводов. Такое решение позволило эффективно применить кавитаторы в процессах термолиза мазутов, которые проводятся при температурах до 440°С и давления до 0,8 Мпа. На фото 3 представлен один из таких аппаратов-кавитаторов.

Фото 3. Гидродинамический роторный кавитатор конверсии мазутов

Во 2-й части статьи будет представлена методика кавитационного процессинга конверсии высокопарафинистого газоконденсатного мазута СЗСК.

ЛИТЕРАТУРА:

Источник