Эффект кавитации воды: Что такое кавитация и как она влияет на гидроабразивные станки?

Содержание

Кавитация / Аквариус НН

Гидродинамическая кавитация — это явление образования в жидкости каверн (пустот), заполненных растворенными в ней газами и паром. Каверны возникают при обтекании жидкостью препятствия или, наоборот, при перемещении препятствия (лопатки) относительно жидкости.

Образованные каверны в жидкости распадаются на мельчайшие кавитационные пузырьки, которые при определенных условиях лопаются. При их лопании развиваются: локальное давление до 103 Па, кумулятивные струи со скоростями 700 — 800 м/с, удельная локальная энергия доходит до 10 кВт/м3.

Комплекс кавитационной обработки воды с широким применением.

Данный комплекс предназначен для выполнения большого круга технических и технологических задач в промышленности, а так же применение в бытовых условиях.

В процессе проведения экспериментальных работ выявились интересные эффекты, которые позволили предположить, что при возникновении кавитационных процессов в воде, вода проходит через зоны сверхкритических параметров (флюиды).

Это предположение основывается на том, что в воде, после кавитационных процессов, происходит растворение жидких и твёрдых углерод-водородных соединений. Растворение мазута, дизельного топлива, битума. В обычных условиях, даже при температурном воздействии, добиться качественного смешения, без расслоения, не удаётся. Разработчики наблюдали растворение не только нефти и нефтепродуктов, но и растительных масел. Причём, процесс смешения (химической реакции) идёт очень быстро, в результате получается продукт, который по своим физическим свойствам отличается от свойств компонентов смеси.

Многие исследователи кавитации в воде, пришли к выводу, что при схлопывании кавитационных пузырьков наблюдается выброс тепловой энергии и энергии давления. При этом выделяется суммарная аномально большая энергия на локальном уровне. То есть создаются все предпосылки перехода воды через сверхкритические параметры (зона флюидов).

СВЕРХКРИТИЧЕСКАЯ ВОДА.

«Вода является уникальным для Земли и человечества растворителем по своей распространенности, экологической чистоте и практической безопасности при использовании в технологических процессах. Когда вода нагревается до критической точки (Tk = = 374C, Pk = 218 атм), она испытывает более сильные изменения, чем большинство других жидкостей. Вода превращается из полярной жидкости в практически неполярную среду. Это изменение происходит в достаточно широком температурном интервале. При 200С плотность воды падает до 0,8 г/мл, и при Tk она становится смешиваемой как с органическими растворителями, так и с газами. Скорость диффузии возрастает, а ее окисляющая способность увеличивается сильнее, чем можно было ожидать только от повышения температуры.

Уместно вспомнить, что в природе существует громадный естественный химический сверхкритический реактор. Это земные недра, в которых вода находится в сверхкритических условиях (на глубине более 50 км) и активно идут химические процессы с участием СК-воды, приводящие к синтезу минералов, — так называемые гидротермальные процессы. Технологические процессы гидротермального синтеза, то есть перекристаллизации или выращивания монокристаллов в условиях, моделирующих физико-химические процессы образования минералов в земных недрах, уже более 30 лет успешно используются в промышленности для синтеза многих соединений. В основе гидротермального синтеза лежит способность СК-воды и ее водных растворов растворять вещества, практически нерастворимые в обычных условиях: силикаты, оксиды, сульфиды, фосфиды. Гидротермальными методами в специальных автоклавах получают такие важные монокристаллы, как SiO2 , GeO2 , ZnO, AlPO4 , Al2O3 и многие другие.

Существенно, что гидротермальные процессы позволяют синтезировать крупные монокристаллы исключительно высокого качества, как это, впрочем, часто реализуется и в земных недрах.

В последние годы исследователи работают над использованием СК-воды для полного окисления органики (печь без выхлопа) — процесс, имеющий большие перспективы для разложения высокотоксичных отходов и химических отравляющих веществ. Процесс весьма эффективен, однако возникает проблема коррозии металлических материалов реакторов.

Кавитационная обработка жидкости способствует ее активации, изменяет физико-химические свойства, интенсифицирует химико-технологические процессы. После кавитационной обработки чистая питьевая вода становится «мягкой» и «лечебной», у неё происходит структурные изменения.

Экспериментальные работы показали, что при кавитационном воздействии происходит дегазация (удаление из воды растворённых газов) воды

Вода, прошедшая обработку в вихревом кавитаторе не образует отложения в каналах, и разрушает старые отложения. При кавитационной обработке жидкой среды, в ней протекают сложные физико-химические процессы.

Водородный показатель воды смещается в щелочную область. Жесткость уменьшается, т.е. происходит умягчение воды. Электропроводность снижается.

Цветность уменьшается более чем в 2 раза, вследствие распада молекул гуминовых кислот на радикалы, которые выпадают в осадок.

В результате использования эффекта кавитации практически полностью обезвреживаются в воде микробиологические примеси: бактерии, споры, вирусы. То есть происходит обеззараживание воды без применения хлорирования и озонирования. Доказана высокая эффективность бактерицидного действия гидродинамической кавитации при наименьших энергетических и экономических затратах.

Данный эффект нашел свое применение в установке обеззараживания воды в бассейнах.

Станции очистки воды бассейнов (ТУ 4859-005-03149576-2013)

Основные конкурентные преимущества:

В технологической схеме обработки воды использовано оптимальное сочетание процессов гидродинамической кавитации и УФ-излучения , что позволяет очистить воду до требований СанПИНа.
В процессе очистки воды используется принцип гидродинамической кавитации и происходящих в системе физических процессов без наличия в станции озонатора или хлоратора, что на 30% уменьшает себестоимость, а также ее энергопотребление при эксплуатации.

Массогабаритные размеры станции меньше аналогов на 50-60%.
Технологические и конструктивные решения защищены патентами РФ.
Технические характеристики:

производительность: 2,5:5.0;10;,25м3/ч ;

напряжение 220В(380В), частота 50 Гц

При обработке воды в вихревом кавитаторе происходит активация молекул, атомов, ионов и перераспределение ионов в возникшем магнитном поле. В результате вода приобретает восстановительные свойства и запасает потенциальную энергию.

При решении экологических проблем загрязнения территорий, достаточно часто требуется обеззараживать всевозможные жидкие отходы деятельности человека, как в промышленности, так и бытовые. С помощью данной технологии можно обеззаразить жидкую составляющую до норм СанПина и сброса в окружающую природу, не навредив ей.

ВЕРНУТЬСЯ К ТОВАРУ

Эффекты Кавитации Эффекты Кавитации — вред и польза кавитационных процессов

При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Жидкость без существенного изменения ее свойств можно сильно сжать. Иначе обстоит дело, если в жидкости создать разрежение: уже простое уменьшение давления над водой приводит к закипанию и парообразованию внутрь воды. Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в жидкости:

растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само явление стали называть ультразвуковой кавитацией. Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны. Как правило, кавитационные, пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию, большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления.
Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхность. Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения. Кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое имеет место при распространении’ ультразвуковой волны. Кавитация приводит к разрушению материала, из которого изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация — вредное явление.
Однако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом а значит, и полезное применение его на практике, особенно для высокоэффективного смешивания и изменения свойств сырья…
Кавитационное облачко неоднородно: вблизи центра оно имеет вид небольшой плотной области; по плоскости кавитационные пузырьки распределяются в виде своеобразной, похожей на многоконечную звезду фигуры. Сжатие кавитационных пузырьков при захлопывании прииводит к сильному нагреванию и свечению содержащегося в них газа. Свечение газа в кавитационных пузырьках обусловлено электрическими разрядами. Опыты свидетельствуют об огромной разрушающей силе ультразвуковой кавитации.

4.7.2. С в е т о г и д р а в л и ч е с к и й удар.

Советские физики (А.М.Прохоров, Г.А.Аскарьян и Г.П.Шапиро) установили, что мощные гидравлические волны можно получить используя луч квантового генератора (открытие N65). Если луч мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то вся энергия луча поглотится в жидкости, приводя к образованию ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это открытие находит, кроме обычных областей применения гидравлических ударов, очень широкое применение микроэлектронике, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких материалов и изделий, которые исключают пр электродов и т.д. Используя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча света (см. также 17.7). 4.8. K а в и т а ц и я. Кавитацией называется образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления. Если понижение давления происходит вследствии возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие прохождения в жидкости акустических волн, то акустической. 4.8.1. Гидродинамическая кавитация Возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в облать давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спетром от несколько сотен герц до сотен кгц. Спектр расширяется в область низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков. Если бы жидкость была идиально однороной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит идеально смачисваемой, то разрыв происходил бы при давлении более низком, чем давление насыщенного паражидкости, при котором жидкость становится нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 кг/см. реальные жидкости менее прочны. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 град. составляет 260 кг/см. Обычно же разрыв наступает при давлениях, насыщенного пара. низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей — плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц, частиц, заполненных газом микроскопических газовы предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований, возникающих под действием космических лучей. Увеличение скорости потока после начала кавитаци влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их обьединение в общую кавитациверну и течение переходит в струйное. Для плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками, формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидравлических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и заставляет принимать меры к избежанию кавитации. Если это оказывается невозможным, то в некоторых случаях полезно усилить развитие кавитации, создать так называемый режим «суеркавитации», отличающийся струйным характером обтекания и применив специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные условия работы механизмов. Замыкание кавитационных пузырьков вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разрушению поверхности,- так называемой кавитационной эрозии. Чтобы избежать захлопывание кавитационных пузырьков, надо подать в область пониженного давления какой-нибудь газ, например воздух. Так сделали специалисты Гидропроекта. Они построили на водосбросе Нурекской плотины в области максимальной кавитации искуственный трамплин, создав тем самым большую зону пониженного давления, которую соединили с атмосферой. Теперь кавитация засасывала воздух из атмосферы и сама себя разрушила. Очень часто используют происходящие при кавитации разрушения для ускорения различных технологических процессов. А.с. N 443663: Способ приготовления грубых кормов, включающий обработку их раствором щелочи, отличающийся тем, что с целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма, обработку его осуществляют в кавитационном режиме. 4.8.2. Акустическая кавитация. Это образование и захлопывание полостей и жидкости под воздействием звука. Полости образуются в результате разрыва жидкости во время полупериодов сжатия. Полости заполнены в основном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда называется паровой кавитацией в отличие от газовой кавитацииинтенсивных нелинейных колебаний газовых (обычно воздушных) пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до включения звука. Если газовая кавитация может протекать с большей или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды давления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторого критического значения амплитуды давления, так называемого кавитационного порога. Величина этого порога — от давлениянасыщенного пара жидкости до нескольких десятков и даже сотен атмосфер (в зависимости от содержания в жидкости зародышей). Эксперементально установлено, что величина порога завист от многих факторов. Порог повышается с ростом гидростатического давления, после обжатия жидкости высоким (порядка 1000 атм.) статистическим давлением,при обезгаживании и охлаждении жидкости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительности озвучивания. Порог выше для бегущей, чем для стоячей воды. При захлопывании сферической полости давление в ней резко возрастает, как при взрыве, что приводит к излучению импульса сжатия. Давление при захлопывании особенно велико при кавитации на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлен насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости, то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей станет неполным и подьем давления при захлопывании — небольшим. При содержании газа в жидкости выше 50% от насыщения возникает кавитационное обезгаживание жидкости — образование и всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вблизи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные микропотоки. Появление кавитации ограничивает дальнейшее повышение интенсивности звука, излучаемого в жидкости, что влечет за собой снижение нагрузки на излучатель. Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов. часть из них, например, разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгирование жидкостей, очистка — обязаны своим происхождением ударам при захлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков. Другие эффекты (например, вызывает и ускоряет химические реакции) связаны с ионизацией при образовании полостей. Благодаря этим эффектам акустическая кавитация находит все более широкое применение для создания новых и совершенствования известных технологических процессов. Большинство практических применений ультразвука основано на эффекте кавитации. В А.с. 200981 описывается установка, использующая в своей работе явление кавитации. Назначение установки — снятие заусенцев с деталей самой различной формы. Деталь помещается в жидкость под высоким давлением, насыщенную мельчайшими абразивными частицами. При возбуждении в жидкости интенсивной акустической кавитации заусеницы отделяются от деталей; вдобавок деталь очищается от стружки и масла не только на открытых поверхностях, но и глубоких отверстиях. А.с. 285394: Способ создания кавитации в жидкости путем возбуждения непрерывных колебаний звуковой или ультразвуковой частоты, отличающийся тем, что с целью поваышения эрозионной активности жидкости возбуждают в полупериод сжатия дополнительный пиковый импульс сжатия, соответствующий по времени концу фазы расширения или началу фазы захлопывания кавитационных полостей. А.с. 409569: Способ детектирования радиоактивных излучений по их воздействию на протекание акустической кавитации в жидкотях, отличающийся тем, что с целью увеличения надежности детектирования, в кавитирующее акустическое поле помещают тест-образец, определяют степень его эрозии, по изменению которой судят об интенсивности радиоактивного излучения. А.с. 446757: Способ получения теплофизической метки, например, для измерения расхода путем воздействия излучением на исследуемый поток, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона измеряемых сред, воздействуют на контролируемый поток ультразвуковым полем с интенсивностью выше порога кавитации, фокусируют звуковые волны в локальную область, создают кратковременный процесс кавитации и получают теплофизическую неоднородность за счет продуктов кавитации. 4.8.3. Сонолюминисценция. В момент захлопывания кавитационного пузырька наблюдается его слабое свечение, причиной этого явления является нагревание газа в пузырьке, обусловленное высокими давлениями при его схлопывании. Вспышка может длиться от 1/20 до 1/1000 сек. Интенсивность света зависит от колличесва газа в пузырьке: если газ в пузыорьке отсутствует, то свечение не возникает. Световое излучения пузырька очень слабо и становится видимым при усилении или в полной темноте. 4.7.1. Электро — гидравлический удар. Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость (электрогидравлический эффект Юткина). Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжатая жидкость, тем выше давление в ударе и тем «бризантнее» электрогидравлический . Электрогидравлический удар применяется при холодной обработке металлов, приразрушении горных пород, для диамульсации жидкостей, интенсификации химических реакций и т.д. Патент США N 3566447: Формирование пластических тел при помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гидраввлическая система в которой столб жидкости, находящийся в баке гидропушки, напрвляется на заготовку. Для проведения жидкости в движение в указанном столбе жидкости производят электрический разряд, в результате чего генерируется направленная на заготовку волна, которая в сочетании с собственным высоким давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки. Скорость струи напрвляемой на заготовку, составляет от 100 до 10000 м/с. В США эффект Юткина применяют для очистки электродов от налипшего на них при электролизе металлов, а в Польше — для упрочения стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость операций, как правило, снижается. А.с. N 117562: Способ получения коллоидов металлов и устройство для осуществления при применении высокого напряжения за счет электрогидравлического удара между микрочастицами материала, диспергированного в жидкости. Ударная волна возникающая в воде при быстром испарении металлических стержней электрическим током (см. ниже А.с. N 129945) вполне пригодна для разрушения валунов и других крепких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки окальных оснований гидротехнических сооружений и других работ связанных с разрушением. Приведенные примеры иллюстрируют применение эффекта. Ниже даны примеры того, каким способом можно получить или усилить электрогидравлический удар. В японском патенте N 13120 (1965) описан способ электрогидравлической формовки ртутно-серебрянными электродами. При парименении таких электродов сила ударной волны в воде возрастает, так как к давлению плотной плазмы, образующейся в канале разряда прибавляется давление паров ртути. Применение этого способа позволяет заметно уменьшить емкость конденсаторной батареи. А.с. N 119074: Устройство для получения свервысоких гидравлических давлений предназначенное для осуществления способа по А.с. N 105011, выполненное ввиде цилиндрической камеры, сообщенной одним концом с трубопроводом, подающим жидкость, а другим — с ресивером, отличающееся тем, что с целью создания электрогидравлических степеней сжатия применены искровые промежутки, располагаемы по длине камеры на определенном расстоянии друг от друга. А.с. N 129945: Способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов, отличающийся тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости получают путем испарения в ней действием эмульсного заряда токопроводящих элементов в виде проволоки, ленты или трубки, замыкающих электроды.

Кавитационный теплогенератор. Устройство и работа. Применение

Кавитационный теплогенератор – специальное устройство, в котором применяется эффект нагрева жидкости кавитационным способом. То есть это эффект, при котором образуются микроскопические пузырьки пара в областях локального уменьшения давления в воде. Это может наблюдаться во время вращения насосной крыльчатки или вследствие воздействия на воду звукового колебания. В результате этого жидкость нагревается, а это значит, что при помощи нее можно обогревать дом или квартиру.

На сегодняшний день кавитационный теплогенератор считается инновационным изобретением. Однако уже практически век тому назад ученые размышляли над тем, как можно использовать эффект кавитации. Впервые подобную установку собрал Джозеф Ранк в 1934 году. Именно он отметил, что входные и выходные температуры воздушных масс этой трубы отличаются. Советские ученые несколько усовершенствовали трубы Ранка, использовав для этой цели жидкость. Опыты показали, что установка позволяет быстро разогревать воду. Однако на тот период необходимость в такой установке была минимальна, ведь энергия стоила копейки. Сегодня же, вследствие удорожания электричества, нефти и газа, потребность в таких установках возрастает.

Виды

Кавитационный теплогенератор

 по своему устройству может быть роторным, трубчатым или ультразвуковым:
  • Роторные устройства представляют агрегаты, в которых используются центробежные насосы с измененной конструкцией. В качестве статора здесь применяется насосный корпус, куда устанавливается входная и выходная труба. Главным рабочим элементом здесь выступает камера, где размещается подвижный ротор, он работает по принципу колеса.

Роторная установка имеет сравнительно простую конструкцию, однако для эффективной ее работы необходим очень точный монтаж всех его элементов. В том числе здесь требуется точнейшее балансирование двигающегося цилиндра. Необходима плотная посадка роторного вала, а также тщательная выверка и замена пришедших в негодность материалов изоляции. КПД таких устройств не являются довольно большим. Они имеют не очень большой срок службы. К тому же такие агрегаты работают с выделением достаточно большого шума.

  • Трубчатые тепловые генераторы осуществляют кавитационное нагревание благодаря продольному расположению трубок. При помощи помпы нагнетается давление во входящую камеру. В результате жидкость направляется через указанные трубки. На входе вследствие этого появляются пузырьки. Во второй камере устанавливается высокое давление. Пузырьки, которые при попадании во вторую камеру разрушаются, вследствие чего они отдают свою тепловую энергию. Эта энергия вместе с паром направляется на обогрев дома. Коэффициент полезного действия подобных конструкций может достигать высоких показателей.
  • Ультразвуковые тепловые генераторы. Кавитация здесь образуется благодаря ультразвуковым волнам, которые создает установка. В результате такого принципа работы обеспечиваются минимальные потери энергии. Трения здесь практически нет, вследствие чего коэффициент полезного действия ультразвукового теплового генератора невероятно высок.
Устройство

Кавитационный теплогенератор имеет устройство в зависимости от принципа действия. Типичным и наиболее распространенным представителем роторных тепловых генераторов является центрифуга Григгса. В такой агрегат заливается вода, после чего запускается ось вращения при помощи электрического двигателя. Главным достоинством такой конструкции является то, что привод нагревает жидкость, а также выступает в качестве насоса. Поверхность цилиндра имеет огромное количество неглубоких круглых отверстий, которые позволяют создать эффект турбулентности. Нагревание жидкости обеспечивается благодаря силам трения и кавитации.

Число отверстий в установке зависит от используемой роторной частоты вращения. Статор в тепловом генераторе выполнен в виде цилиндра, который запаян с двух концов, где непосредственно вращается ротор. Существующий зазор между статором и ротором равняется примерно 1,5 мм. Отверстия в роторе необходимы для того, чтобы в жидкости, трущейся о поверхности цилиндра, появлялись завихрения с целью создания кавитационных полостей.

В указанном зазоре также наблюдается и нагревание жидкости. Чтобы тепловой генератор эффективно работал, поперечный размер ротора должен составлять минимум 30 см. В то же время скорость его вращения должна достигать 3000 оборотов в минуту.

В ультразвуковых устройствах для создания эффекта кавитации используется кварцевая пластина. Она под воздействием электрического тока создает колебания звука. Эти звуковые колебания направляются на вход, вследствие чего устройство производит вибрации. На обратной фазе волны создаются участки разряжения, вследствие чего можно наблюдать кавитационные процессы, которые создают пузырьки.

Чтобы обеспечить максимальный коэффициент полезного действия, рабочая камера теплового генератора выполняется в виде резонатора, который настроен на ультразвуковую частоту. Образованные пузырьки моментально переносятся потоком через узкие трубки. Это необходимо, чтобы получить разряжение, так как пузырьки в тепловом генераторе могут быстро смыкаться, отдавая свою энергию обратно.

Принцип работы

Кавитационный теплогенератор позволяет создать процесс, во время которого в жидкости создаются пузырьки. Если рассматривать этот процесс, то он сравним с закипанием воды. Однако при кавитации наблюдается локальное падение давления, что и приводит к появлению пузырьков. В тепловом генераторе формируются вихревые потоки, вследствие них происходит кавитационный разрыв пузырьков, что приводит к нагреванию жидкости. Нагревание приводит к резкому снижению давления жидкости. Полученная энергия получается довольно дешевой, она отлично подходит для отопления помещений. В качестве теплоносителя можно использовать антифриз.

Для подобных установок обычно нужно примерно в 1,5 раза меньше электрической энергии, чем это необходимо для радиаторных и иных систем. При этом нагревание жидкости осуществляется в замкнутой системе. Работают такие агрегаты посредством преобразования одной энергии в другую. В итоге она превращается в тепловую.

Применение

Кавитационный теплогенератор
 в большинстве случаев применяется для нагревания воды, а также смешивания жидкостей. Поэтому подобные установки в большинстве случаев используются для:
  • Отопления. Тепловой генератор преобразует механическую энергию движения воды в тепловую энергию, которую успешно можно использовать для обогрева зданий различного характера. Это могут быть небольшие частные постройки, в том числе крупные промышленные объекты. К примеру, на территории нашей страны на текущий момент можно насчитать минимум с десяток населенных пунктов, в которых централизованное отопление осуществляется не обычными котельными, а кавитационными установками.
  • Нагревания проточной воды, которая применяется в быту. Тепловой генератор, который включен в сеть, может довольно быстро нагревать воду. В результате подобное оборудование с успехом можно применять для разогревания воды в бассейнах, автономном водопроводе, саунах, прачечных и тому подобное.
  • Смешивания несмешиваемых жидкостей. Устройства кавитационного типа могут применяться в лабораториях, где имеется необходимость высококачественного смешивания жидкостей, имеющих разную плотность.
Как выбрать

Кавитационный теплогенератор может быть выполнен в нескольких исполнениях. Поэтому выбирать такое устройство для отопления своего дома нужно с учетом ряда параметров:

  • Подбирать тепловой генератор необходимо, исходя из того, для какой площади необходимо отопление. Также следует учесть, какая погода наблюдается в зимний период. Важной характеристикой будет и теплоизоляция стен. То есть нужно выбирать устройство, которое будет обеспечивать необходимое количество тепла.
  • Если Вы приобретаете стандартную установку, то желательно, чтобы она была оборудована приборами контроля выделяемой теплоты и датчиками защиты. Лучше сразу приобрести установку с автоматическим блоком контроля и управления. Поэтому кавитационную установку рекомендуется приобретать в комплексе с другим оборудованием с услугой установки под ключ. Специалисты сами подберут и выполнят расчеты по монтажу тепловой системы в вашем доме.
  • Если Вы решили сэкономить и приобрести оборудование по отдельности, то здесь важно определиться с особенностями всех элементов системы. Насос должен иметь возможность работы с жидкостями, которые нагреты до высокой температуры. В противном случае система быстро придет в негодность и ее придется ремонтировать. К тому же насос должен обеспечивать давление от 4 атмосфер.
  • Если Вы решили соорудить кавитационную установку самостоятельно, то здесь важно верно подобрать сечение канала камеры кавитации. Оно должно составлять порядка 8-15 мм. Перед созданием такой установки важно тщательно изучить действующие схемы подобных устройств. Кавитационный теплогенератор по своему виду будет напоминать насосную станцию, которой не нужна дымоотводная труба. При ее работе не выделяется угарный газ, грязь или копоть.
Похожие темы:

Эффект нагревания жидкости путем контролируемой кавитации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.1:621.313.1

Щ ЭФФЕКТ НАГРЕВАНИЯ ЖИДКОСТИ ПУТЕМ КОНТРОЛИРУЕМОЙ КАВИТАЦИИ

||| К.М. Дюсенов, М.М. Кабдуалиева, И.А. Касымов,

Н.К. Кенжекеев • Ц Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Мацолада жылу физикасында, жылу внд\р1стерЫщ кавитациялык, IШ тэс ‘шнщ Keiioip аспект i.iepi царастырылад. Сонымен к,атар dipneiue физикалык, а н ы цтамала рга шолу жасалган, кавитацияныц термодынамикалык, ace pi не квзцарастары баяндалгак Термодинамика жоне |||| жылу айырбасгпау квзцарасымен 6ак,ыланатын кавитиция бойынгиа |||| алгаищы тож’хрибелерге талдау жасалган.

В статье рассматриваются некоторые аспекты развития ШШ кавитационного способа производства тепла в тепловой физике. Также сделан обзор нескольких физических справочников, в которых изложены точки зрения на термодинамический эффект кавитации. Проведён анализ первоначальных экспериментов по контролируемой кавитации с точки зрения термодинамики и теплового обмена.

In article considered some thermal physics and power aspects of development the cavitation way of heat generation. The review is given also of some references with physical treatments and views on thermodynamic effect of cavitation. Some data analyzed of initial experiments controlled cavitation from the point of view of hydrodynamics and heat exchange.

Контролируемый способ — это искусственно созданный навигационный эффект, который позволяет добиться высоких параметров преобразования электрической энергии на приводе насоса в тепловую энергию для нагревания воды. Проанализированы выводы и гипотезы о физических механизмах репродукции данного эффекта. Искусственно созданная кавитация в тепловом генераторе позволяет начать распределение энергии до адекватного внутреннего теплообразования из воды пара. Для производства (генерации) кавитационного эффекта была применена комбинация суженных и расширяющихся насадок, включая закрученные лопатки. Размер суженной вставки подающего патрубка, углы выявляющего диффузора и конфузора (с\-жающегося патрубка), а также конфи-

32

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

глрация и параметрические характеристики закроенных лопаток были отобраны экспериментальным путём и методом вычислений с использованием инженерных уравнений. Эксперименты проводились в широком диапазоне нагрузок и давления воды в контуре при измеряемой электрической мощности на приводе трёх усовершенствованных центробежных насосов.

В настоящее время гидродинамические генераторы тепла находят всё более широкое применение. Промышленные компании, известные на Украине («Тек-маш») и в США («Hydro Dynamics. Inc.»). продуктивно реализовали это использование эффекта кавитации на базе патентов [1.2]. включая самостоятельные нагревательные системы. Реальные результаты по промышленному использованию кавитации показывают, что стало возможным использовать тепловой потенциал энергии кавитации, который позволяет преобразовывать механическую энергию в тепловую. Эффективное смешивание с использованием гидродинамической кавитации нашло применение, например, в организации сжигания тяжёлых минеральных масел при частичной их смеси с водой [3].

Один из основателей гидродинамики и теории подобия, хорошо известный английский учёный Осборн Рейнольде, в 19 веке [4] описал экспериментально полученный эффект «холодного кипения» как часто называемое явление кавитации. Эффект закипания воды при числах Re более 1900 сопровождался характерным звуком начинающей закипать воды, а различие температур в ёмкости, где конец стеклянной пробирки был перемещён, достигал 260 К при начальном давлении в пробирке около 10 5 Ра.

В нескольких докладах Степанофф [5,6,7] после тщательного анализа влияния термодинамического эффекта доказывает прямую взаимосвязь между процессами теплового обмена и фазы разрушения или «микроколлапсовых» полостей. Распределение количества тепла, включая потенциал внутреннего теплообразования из воды пара (внутренняя энергия парообразования), сопровождается резким ростом температуры и эффектов разрушающего действия кавитации. В работах [8.9] ярко проявленная тенденция прямой передачи действия термодинамического эффекта на разрушающее действие кавитации отражается при достаточно низких температурах различных исследуемых жидкостей.

В насосах для исследований криогенных жидкостей [10, 11], где местонахождение и влияние градиента температур на физические параметры жидкостей экспериментально подтверждено, посвящено изучению влияния теплового или термодинамического эффекта. Местонахождение кавитационных микрополостей возле стенок лопаток насосов сопровождается у величением разницы температур жидкости, а нагретые жидкости увеличиваются при интенсификации эффекта кавитации. .

Эта иску сственно созданная кавитация в тепловом генераторе [12], схематически изображённая на Рисунке 1, позволила начать распределение энергии до адекватного внутреннего теплообразования из воды пара. Эта комбинация была применена к созданию эффекта кавитации суженающимся и расширяющимся соплом. Размеры суженной вставки подающего патрубка, утлы выявляющего диффузора и конфузора (сужающегося патрубка), а также конфигурация и параметрические характеристики закрученных лопастей были отобраны экспериментально.

«Схлопывание» полостей происходило в контролиру емой части «медленного взрыва» в центре диффузионной части генератора. Поверхности были защищены от разрушения слоем воды на стенках трубы. Вероятно, что основной вклад в производство тепла вносится скрытой теплотой парообразования, теплотой фазового перехода а также энергией разрушения внутриядерных связей, которые имеют величину. как известно, 400-600 кДж/моль. В начале диффузионной части генератора кавитации был источник объёмного выделения теплоты, так как территория сосредоточила микрополости, которые «схлопывашсь» под воздействием увеличения давления. распределяя таким образом определённое количество тепла.

Рисунок 1. Разрез кавитациоиного генератора тепла

1-конфузор. 2 — переходная точка с закрученными лопатками, 3 — диффузор.

Тепло, переданное жидкости при «схлопывании» полостей, нагрело стенки генератора тепла и воды в ёмкостях резерву ара. На созданной экспериментальной установке стало возможным полу чение некоторых данных на преобразовании энергии фазы «схлопывания» в тепловую энергию. На Рису нке 2 представлена общая схема (цепь) экспериментальной установки. Подача воды под давлением осу ществлялась при помощи насоса 1 через регулирующий вход 2. Массовый расход воды регистрировался через счётчик воды 3, а разница давления фиксировалась манометрами 4. Вода, будучи нагреваемой в кавитационном генераторе тепла 5, действовала в трубопроводе 6 в резервуарной ёмкости 7.

Применялись резервуары, объём которых равнялся 0.08 м3, 0.15 мЗ и 0.5 м\ таким образом, массовый расход воды составил от 0.4 до 19.7 м7час. Итоговый

34

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

тепловой поток или тепловая ёмкость была определена по известным измеренным расходам воды и различия температур в ходе каждого эксперимента. Время

эксперимента составляло 1 час для каждого режима расхода и скорости. о

• • . . I • М< —

Рисунок 2. Цепь экспериментальной установки.

1 — насос, 2 — задвижка, 3 — счётчик воды, 4 — манометры, 5 — кавитационный генератор тепла, 6 — трубопровод, 7 — резервуар.

/

Как известно, число кавитации, выведенное из уравнения Берноулли, определяется следующей формулой:

0,5 рУ02

где: с — кавитадионное число; (Р0 -Ру) — разница давления жидкости и насыщенного пара; У0 — скорость потока.

Для сравнения экспериментальных данных, полученных авторами по термодинамическому эффекту кавитации, были выбраны результаты работы [13, 14], в связи с тем, что геометрия канала, как структура трубы Вентуры и область высокоскоростных режимов на некотором участке были соизмеримы. Как видно из Рису нка 3, сравнение данных экспериментов с числами Рейнольдса и ка-витационным числом <т показывает удовлетворительное схождение.

0.08

0.06 0.04

0.02

Рисунок 3. Зависимость числа Яе от кавитационного числа су

1.2 — экспериментальные данные доклада [13], 3 — данные автора.

Эксперименты проводились при широкой шкале нагрузок и давления воды в

контуре при измеряемой электрической мощности на приводе трёх усовершенствованных центробежных насосов. В нашем случае был создан закрытый гидравлический контур с постоянным объёмом циркулирующей жидкости. Ёмкость резервуара одновременно играла роль аккумулятора тешта.) — разница давления.

о О 9 / ✓ ✓ 1 2 3

• О 4 Р ‘ * 1

• •

4 6 8 1 06

кДж

30

20 10

Рисунок 4. Зависимость количества тепла О, кДж, от числа Рейнольдса Яе и электрических мощностей на привод насосов: 1 — N = 1.5 кВт, 2 — N = 3.2 кВт,

3 — N = 9.5 кВт.

Расход воды в был измерен счётчиком воды и уравнением: скорость потока на входе в конфу зорную часть генератора тепла была определена — и. Дальнейшие числа Рейнольдса были определены:

, где — диаметр входного патрубка, соответству ющего внутреннему диаметру трубопровода. V — вязкость кинематическая. Зависимость числа Яе от производительности тепла показано на Рису нке 4.

Как видно из рисунка, ярко выраженная зависимость скорости потока от интенсивности выделения теплоты подтверждается. На входе в конфузор происходит рост скоростного у величения внутреннего выделения теплоты и выработки тепла. Происходящее в диффу зоре отделяет резкое падение скорости, сопровождающееся значительным повышением даатения. результатов и. как известно, разру шением парогазовых микрополостей. Этот процесс, протекающий не только на поверхности стенок диффу зора. но и в центре потока, также является причиной выделения теплоты. Пробные эксперименты без закрученных лопаток привели к образованию эрозивного повреждения стенок диффузора, зафиксированного при помощи металлографики. Зависимость имеет практически линейный характер, что заметно сказывалось и на влиянии оценок давления на входе в конфу зор.

Наиболее вероятно, что при такой организации процесса происходит распределение нескольких основных видов внутренней энергии воды: внутреннее тепло парообразования при «схлопывании» паровой полости, энергии расщепления внутримолекулярных связей, энергия рассеивания турбулентных вращающихся вихрей и эффекта сдавливания (сжимания).'»Ч *

А *

V } 2: <10* Яе

ЛИТЕМТУРА

1. Осипенко С. Устройство для воздействия на поток текучей среды. Международный Патент ПКТ/УА97/00003,1997.

2. Генератор мощности на ударной взрывной волне, США, Патент № 5188090,1993.

3. Булгаков A.B., Преснов Г.В., Крестов В.Б., Романенко А Н., Булкин Ю.П.. Доброногов В.Г., Булгаков Б.Б. Улучшение свойств жидкого топлива путём гидромеханической отработки в навигационном поле. Энергетик.-2002-том 7,-С. 29-34.

4. Рейнольде Осборн. Эксперименты, показывающие кипение воды в открытой пробирке при обычных температурах. Собрание документов по механическим и физическим предметам, Кэмбридж, стр.578-587, 1901.

5. Стахл Х.А. и Степанофф А.Ж.: Термодинамические аспекты кавитацион-ных насосов, том 78. стр. 1691-1693.

6. Степанофф А.Ж.: Кавитация в центробежных насосах с различными жидкостями. кроме воды, том 83. стр. 79-90, 1961.

7. Степанофф А.Ж.: Кавитационные свойства жидкостей, том 86, стр.195-200.1964.

8. Хаммит Ф.Г. : Предсказуемая способность к кавитационному повреждению, 6-8 сентября 1977, Университет Стирлинга, Шотландия, также в наличии в Университете Мичигана, ноябрь. 1976.

9. Персалл И.С. Эффект температуры на кавитацию в насосе. М В Монография, Лондон, 1995. стр. 45-53.

10. Кабрера Е., Эсперт В. и Мартинез. Влияние парообразования и полостной динамики на оценку теплового эффекта в кавитации. Симпозиум по гидравлическому оборудованию и кавитации, том 1, стр. 584-593.

11. Лекоффр Ивес е. Кавитационные пузыри. A.A. Балкема/Роттердам/Брук-филд, стр. 34-364.1999.

12. Кавитационный тепловой насос, К.Дюсенов, Е.Сергиевский. Российский Патент полезной модели № 37548,2004.

13. Боннин Ж.Р.: Термодинамический эффект в кавитации. Кавитационная Международная конференция, для Института Механической Инженерии. Лондон и Нью Иорк. стр. 355-362, 1974.

14. Бэйли А.Б., Патрик Уайкс: Термодинамические аспекты кавитации: научно-исследовательский проект, для Института Механической Инженерии.

Лондон и Нью Йорк.С. 321-328,1974.

Пуля из пузыря

Недавно норвежская компания DSG Technology представила новый тип боеприпасов для стрелкового оружия, которыми можно эффективно вести огонь как на суше, так и под водой. Новые пули используют одно из физических явлений, с которым лучше всего знакомы моряки. Речь идет о кавитации — процессе образования и быстром схлопывании в жидкости пузырьков, заполненных паром. Изначально явление кавитации считалось вредным, способным только вредить кораблям. Но позднее ему нашли и полезное применение. Мы решили вспомнить, каким образом военные используют кавитацию себе на пользу.

Во второй половине XIX века начали появляться пароходы с гребными винтами, способные развивать скорость в несколько десятков узлов. Эти машины могли быстро перевозить пассажиров и вообще выгодно отличались от медлительных парусных судов. Однако вскоре моряки столкнулись с неприятным эффектом: поверхность гребных винтов через некоторое время эксплуатации становилась шершавой и разрушалась. Гребные винты тогда изготавливались из стали и сами по себе быстро корродировали в воде, поэтому их разрушение поначалу списывали на неблагоприятное воздействие морской воды. Но в конце XIX ученые, включая Джона Уильяма Стретта, лорда Рэли, описали явление кавитации.

Кавитация — физическое явление, при котором в жидкости позади быстро движущегося объекта возникают мельчайшие пузырьки, заполненные паром. Например, при вращении гребного винта такие пузырьки появляются позади лопастей и на их задней кромке. Появившись, эти пузырьки практически моментально схлопываются и образуют ударную волну. От каждого пузырька в отдельности она совсем незначительна, однако при длительной эксплуатации эти ударные микроволны, помноженные на количество пузырьков, приводят к разрушению конструкции винтов. Шершавые, растерявшие часть лопасти винты существенно теряют в своей эффективности.

Современные гребные винты изготавливаются из специального сплава — куниаля. Это сплав на основе меди с добавлением никеля и алюминия. Отсюда и название — куниаль (CuNiAl, Cuprum-Niccolum-Aluminium). Сплав по прочности соответствует стали, но не подвержен коррозии; гребные винты из куниаля могут находиться в воде десятилетиями без какого-либо вреда. Тем не менее, даже эти современные гребные винты подвержены разрушению из-за кавитации. Но специалисты научились продлевать срок их службы, создав гидроакустическую систему. Она определяет начало кавитации, чтобы экипаж мог снизить частоту вращения винтов для предотвращения образования пузырьков.

В 1970-х годах для кавитации было найдено полезное применение. Научно-исследовательский институт ВМФ СССР разработал скоростную подводную ракету-торпеду «Шквал». В отличие от обычных торпед, использовавшихся тогда и стоящих на вооружении сегодня, «Шквал» может развивать колоссальную скорость — до 270 узлов (около 500 километров в час). Для сравнения, обычные торпеды могут развивать скорость от 30 до 70 узлов в зависимости от типа. При разработке ракеты-торпеды «Шквал» исследователи благодаря кавитации сумели избавиться от сопротивления воды, мешающего кораблям, торпедам и подводным лодкам развивать большие скорости.

Любой даже обтекаемый объект под водой имеет большое лобовое сопротивление. Это связано с плотностью и вязкостью воды — бóльшими, чем у воздуха. Кроме того, при движении под водой поверхности объекта смачиваются и на них появляется тонкий ламинарный слой с большим градиентом скорости — от нуля у самой поверхности объекта до скорости потока на внешней границе. Такой ламинарный слой создает дополнительное сопротивление. Попытка преодолеть его, например мощностью двигателей, приведет к увеличению нагрузок на гребные винты и быстрому износу корпуса подводного объекта из-за деформации.

Советские инженеры во время экспериментов выяснили, что кавитация позволяет существенно снизить лобовое сопротивление подводного объекта. Ракета-торпеда «Шквал» получила ракетный двигатель, топливо в котором начинает окисляться при контакте с морской водой. Этот двигатель может разгонять ракету-торпеду до большой скорости, на которой в носовой части «Шквала» начинает образовываться кавитационный пузырь, полностью обволакивающий боеприпас. Образованию кавитационного пузыря способствует специальное устройство в носовой части ракеты-торпеды — кавитатор.

Кавитатор на «Шквале» представляет собой наклоненную плоскую шайбу, в центре которой размещено отверстие для забора воды. Через это отверстие вода поступает в двигательный отсек, где происходит окисление топлива. На краях же шайбы кавитатора и образуется кавитационный пузырь. В этом пузыре ракета-торпеда буквально летит. Модернизированная версия «Шквала» может поражать корабли противника на дальности до 13 километров. По сравнению с дальностью обычных торпед (30–140 километров) это немного, и в этом заключается главный недостаток боеприпаса. Дело в том, что в полете ракета-торпеда издает сильный шум, демаскирующий позицию подлодки, запустившей ее. 13 километров «Шквал» покрывает очень быстро, но за это время подлодка не успеет уйти от ответного огня.

Ракета-торпеда, летящая в кавитационном пузыре, не может маневрировать. Это вполне понятно: в кавитационной полости боеприпас не может взаимодействовать с водой, чтобы изменить направление. Кроме того, резкая смена траектории движения приведет к частичному схлопыванию кавитационной полости, из-за чего часть ракеты-торпеды окажется в воде и на большой скорости разрушится. Изначально «Шквал» оснащался ядерной боевой частью мощностью 150 килотонн, которую позднее заменили обычной фугасной боевой частью с взрывчатым веществом массой 210 килограммов. Сегодня, помимо России, кавитирующие торпеды имеют на вооружении Германия и Иран.

Кавитатор ракеты-торпеды «Шквал»

One half 3544 / Wikimedia Commons

В 2014 году Технологический институт Харбина представил концепцию подводной лодки, способной перемещаться под водой на около- или даже сверхзвуковой скорости. Разработчики объявили, что такая подводная лодка сможет доплывать от Шанхая до Сан-Франциско (около десяти тысяч километров) примерно за один час и 40 минут. Перемещаться подлодка будет внутри кавитационной полости. Новый подводный корабль получит кавитатор в носовой части, который будет начинать работать на скорости более 40 узлов. Затем подлодка сможет быстро набрать маршевую скорость. За движение подлодки в кавитационной полости будут отвечать ракетные двигатели.

Скорость звука в воде составляет около около 5,5 тысячи километров в час при температуре 24 градуса и солености 35 промилле. Представляя свою концепцию, разработчики отметили, что прежде, чем создать новую подлодку, необходимо решить несколько проблем. Одной из них является нестабильность кавитационного пузыря, внутри которого должна лететь подлодка. Кроме того, необходимо найти надежный способ управлять кораблем, движущимся под водой со сверхзвуковой скоростью. В качестве одного из вариантов рассматривается возможность сделать рули, которые бы выдвигались за пределы кавитационной полости.

Между тем в начале 2000-х годов Центральное конструкторско-исследовательское бюро спортивного и охотничьего оружия тульского Конструкторского бюро приборостроения решило использовать явление кавитации при создании нового автомата для боевых пловцов. Речь идет об АДС (автомат двухсредный специальный) — автомате, способном одинаково эффективно вести огонь как на воздухе, так и под водой. Оружие выполнено по схеме булл-пап (ударно-спусковой механизм расположен в прикладе) и имеет интегрированный гранатомет. Масса оружия при длине 685 миллиметров составляет 4,6 килограмма.

Этот автомат использует для стрельбы под водой специальные патроны ПСП калибра 5,45 миллиметра. Они снаряжены стальной пулей в виде иглы длиной 53 миллиметра. Масса пули составляет 16 граммов. Снаряд утоплен в гильзу с пороховым зарядом на большую часть своей длины, благодаря чему общая длина патрона соответствует обычному автоматному боеприпасу калибра 5,45 миллиметра. Пуля патрона ПСП имеет на кончике плоскую площадку. При движении под водой эта площадка создает кавитационную полость вокруг снаряда. Благодаря такой особенности эффективная дальность стрельбы АДС под водой на глубине пяти метров составляет 25 метров.

Помимо специальных патронов, автомат способен вести огонь и обычными боеприпасами. АДС может быть оснащен глушителем. Скорострельность АДС на суше составляет 800 выстрелов в минуту, а прицельная дальность — 500 метров. Оружие оснащается отъемным коробчатым магазином емкостью 30 патронов. Автомат имеет переключатель режимов работы газоотводного механизма «вода/воздух». Он изменяет работу механизма перезарядки, адаптируя его для работы на воздухе или в воде. Без раздельных режимов механизм перезарядки в воде могло бы заедать.

Обычное современное оружие также способно вести огонь под водой, но для этих целей малопригодно. Во-первых, инерционное сопротивление жидкости и бóльшая, чем у воздуха, плотность воды не дает автоматике производить быструю перезарядку оружия, а иногда и вовсе делает ее невозможной. Во-вторых, материалы сухопутных автоматов и пистолетов изначально не предназначены для работы в водной среде и неустойчивы к длительному ее воздействию — быстро теряют смазку, ржавеют и выходят из строя из-за гидравлических ударов. При этом обычные пули, имеющие высокую точность на суше, в воде становятся абсолютно бесполезными.

Дело в том, что аэродинамическая форма обычной пули делает траекторию ее полета в воде малопредсказуемой. Например, на границе теплого и холодного водных слоев пуля может рикошетить, отклоняясь от продольной оси выстрела. Кроме того, из-за своей формы снаряд стрелкового оружия под водой быстро теряет свою энергию, а значит и убойность. В результате поражение цели из того же автомата Калашникова в воде становится практически невозможным даже на очень маленьком расстоянии. Наконец, обычные свинцовые пули с оболочкой из томпака (латунный сплав на основе меди и никеля) под водой быстро деформируются и даже могут разрушаться.

Проблему разрушающихся пуль решила норвежская компания DSG Technology. Она разработала новый тип боеприпасов CAV-X. Они имеют не классическую оживальную форму, как обычные пули, а коническую. Кончик пули уплощен и при попадании в воду начинает выполнять роль кавитатора, благодаря чему вокруг снаряда образуется кавитационная полость. В результате пуля практически не соприкасается с водой и дольше сохраняет кинетическую энергию. Кавитирующие пули CAV-X не намного длиннее обычных пуль такого же калибра, в отличие от российских пуль в патроне ПСП.

Кавитирующие пули сделаны из вольфрама и запрессованы в латунную гильзу. Сегодня они выпускаются в калибрах 5,56, 7,62 и 12,7 миллиметра. По данным DSG Technology, под водой кавитирующие пули этих калибров сохраняют убойное воздействие на дальности 14, 22 и 60 метров соответственно. При этом кавитирующими могут быть выполнены и боеприпасы других калибров вплоть до артиллерийских 155 миллиметров. Правда, целесообразность создания снарядов для подводной стрельбы весьма сомнительна. В каком именно оружии планируется использовать кавитирующие пули CAV-X, пока неизвестно. Обычное стрелковое оружие без специальной переделки для стрельбы под водой не подходит.

Впрочем, кавитирующие пули могут быть полезны при обстреле подводных целей с суши. Если стрелять, скажем, по боевому пловцу, находящемуся под водой, с берега из обычных пистолета или автомата, то, скорее всего, он уплывет целым и невредимым. Дело в том, что пули будут либо резко тормозиться, попав в воду, либо рикошетить от нее; это зависит от угла оси ствола к поверхности воды, под которым ведется стрельба. Кавитирующие же пули смогут, практически не отклоняясь, проходить поверхность воды и поражать подводную цель. Но с необходимостью стрелять по подводному противнику с суши военные сталкиваются не так часто, чтобы начать массовые закупки патронов с пулями CAV-X.

Хотя военные инженеры и смогли найти полезное применение кавитации, по большому счету их изобретения особой популярностью не пользуются. Ракеты-торпеды «Шквал» в бою никогда не применялись, а сегодня и вовсе не используются российским флотом — слишком шумными и недальнобойными оказались эти боеприпасы. Патроны для подводной стрельбы востребованы только боевыми пловцами и диверсантами и применяются довольно редко. В способность же китайских специалистов спроектировать кавитирующую подводную лодку верится с трудом. Так что, пожалуй, кавитация все еще остается физическим явлением, которого лучше стараться избегать.

Василий Сычёв

Явление кавитации — изобретения на свойствах кавитации.


      
      
      
      
      
      
      
              
      
                              

Явление кавитации известно в науке и технике уже больше сотни лет. Кавитация — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения данного эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом энергию ударной волны. Необходимо подчеркнуть, что кавитация в основном образуется на кромке срыва при переходе ламинарного течения жидкости, или их смесей, в турбулентное течение.

Отрицательные свойства кавитации.

Наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидравлических машин, насосов, кавитационных тепловых нагревателей, турбин, судовых гребных винтов, приводящих к разрушению поверхности, или так называемой кавитационной эрозии. Необходимо знать, что на плохо обтекаемых телах, обладающих острыми кромками, формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. Если кавитационная волна встречает на своем пути препятствие, то она создаёт шум, вызывает вибрацию и разрушает его поверхность. Необходимо обращать особое внимание действие кавитации на организм человека. Например, при ультразвуковом медицинском обследовании в тканях человека могут возникать, и расти кавитационные пузырьки. При наличии кавитации ультразвук большой интенсивности может вызвать повреждение тканей и так далее…

Положительные свойства кавитации.

Хотя кавитация и нежелательна во многих случаях, существуют исключения ее полезного применения. В промышленности кавитация часто используется для гомогенизирования, или смешивания, и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Кавитация способствует эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов (например, мазут – вода), для интенсификации химических реакций в десятки, стерилизации обрабатываемой жидкости, для измельчения (диспергирования) до микронного уровня твердых частиц в жидкости, для гомогенизации обрабатываемого продукта, для ультразвуковой очистки устройств от вредных химических веществ на производстве и так далее. Способ приготовления грубых кормов, включающий обработку их раствором щелочи, отличающийся тем, что с целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма, обработку его осуществляют в кавитационном режиме. Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны литотрипсии. Для перемещения торпед под водой, военные используют кавитационные пузыри, которые существенно уменьшают контакт корпуса торпеды с водой и увеличивают её скорость.

Изобретения на полезных свойствах кавитации.

Гидрофизический кавитационный тепловой нагреватель Белашова содержит корпус, устройство подачи исходного материала, устройство отвода отработанного материала, механизм торцевого уплотнения, камеру высокого и низкого давления, сужающее устройство, привод, кавитатор для перемещения жидкости или тонкодисперсных смесей и подвижное или неподвижное устройство предварительного прогревания жидких, проводящих электрический ток химических компонентов. Гидрофизический кавитационный тепловой нагреватель Белашова обладает преимуществами перед существующими устройствами тем, что имеет:

— модульную многофункциональную конструкцию,

— тепловой нагреватель имеет малые габариты и вес,

— тепловой нагреватель имеет, надёжное уплотнение,

— тепловой нагреватель имеет систему подавления шума,

— тепловой нагреватель имеет устройство передачи тепловой энергии.

Потребителям гидрофизических кавитационных нагревателей необходимо знать, что данные устройства являются пожаробезопасными, так как не имеют нагревательного элемента, но издают шум, который может быть вам не совсем приятен и полезен.

При изготовлении гидрофизического кавитационного теплового нагревателя, для автономных систем теплоснабжения малой и средней мощности, необходимо учитывать ряд специфических особенностей и множество конструктивных тонкостей. Например, нельзя изготавливать больших ответвлений линий трубопроводов от гидрофизического кавитационного теплового нагревателя, так как происходит неравномерный нагрев смеси воды и воздуха и сильный разогрев локальной области гидрофизического кавитационного теплового нагревателя, где происходит сама кавитация. Нужно изолировать вал асинхронного двигателя от гидрофизического кавитационного теплового нагревателя теплозащитной муфтой, чтобы температура от локальной части кавитатора и сужающего устройства не передавалась асинхронному двигателю и не уменьшала его к.п.д. Нужно учитывать поведение смеси воды и воздуха на всех этапах его перемещения по трубопроводу и гидрофизическому кавитационному тепловому нагревателю. Необходимо знать, из какого материала нужно изготовить лопасти кавитатора, вал кавитатора, отверстие сужающего устройства. Необходимо определить срок эксплуатации сужающего устройства, опорных, скользящих и уплотнительных элементов конструкции. Нужно определить время, через которое следует менять сужающее устройство. При изменении кромки сужающего устройства, изменяется и к.п.д. гидрофизического кавитационного теплового нагревателя. Основная передача накопленной гидравлической энергии в тепловую энергию происходит на кромке срыва между ламинарным течением жидкости при переходе её в турбулентное течение и так далее…

При исследовании альтернативных источников получения тепловой энергии были проведены научно-исследовательские работы, в результате которых, было выведено двенадцать математических формул для расчёта гидрофизического кавитационного теплового нагревателя, и открыто отношение кинематической вязкости водного потока за единицу времени = 462,127493944895187929545225… м²/с при 20°С и подтверждено, что кинематическая вязкость водного потока зависит не только от температуры, но и химического состава воды.

Для детального понимания процесса кавитации необходимо знать новые законы гидродинамики и новый закон энергии материального тела расположенного в пространстве. Закон энергии гласит, что каждое материальное тело (молекула воды или воздуха), которое будет помещено в разные среды, будет обладать разной энергией. Смотрите законы и механизмы образования планет Солнечной системы и галактик нашей Вселенной. Однако необходимо помнить, чтобы перенести любое материальное тело из одной среды в другую понадобиться работа, которая будет пропорциональна полученной энергии, выделенной из другой среды.

Математически доказано, что при правильном изготовлении гидрофизического кавитационного теплового нагревателя, с учётом потерь на трение смеси воды и воздуха в трубопроводе и учётом потерь силы струи на вихревое сопротивление смеси воды и воздуха в пограничном слое сужающего устройства, к.п.д. теплового нагревателя достигает 76%. В зависимости от количества магнитов и магнитных систем, подвижное или неподвижное устройство предварительного прогревания жидких проводящих электрический ток химических компонентов, которые называются проводниками второго рода, увеличивает к.п.д. теплового нагревателя на 6-10%.

Прогрессивное научно-техническое решение, которое направлено на применение гидрофизического кавитационного теплового нагревателя Белашова для автономных систем теплоснабжения в пожароопасных или загазованных помещениях. Нагревателей малой и средней мощности, для технических целей. В экологии, для утилизации отходов нефтепродуктов и получения из них топочного топлива и так далее…

Интеллектуальная кавитационно-реактивная торпеда с разделяющимися головными частями.


Интеллектуальная кавитационно-реактивная торпеда с разделяющимися головными частями, которая способна двигаться по сложной траектории, с большим или малым ускорением, влево или вправо, вниз или вверх, останавливаться, производить быстрое погружение или всплытие, делать любые развороты или повороты на месте и в движении. Производить отвлекающие или дезориентирующие действия и совершать атаку подводной или надводной цели, с вертикальным и горизонтальным углом атаки, по множественным отсекам поражаемого объекта с верхней, нижней и фронтальной стороны одновременно.

Перечень самых актуальных научных открытий.

Открытие новых констант:

Открытие новых физических величин:

Опровержение старых законов физики:

Открытие новых физических явлений материального мира:

Космическое пространство представляет собой термодинамическую саморегулирующуюся энергетическую систему, которая в процессе своей работы создаёт не только субстанцию космического пространства, имеющую свой состав, свою массу и плотность, но и ускорение свободного падения тел в пространстве вокруг всех звёзд, галактик и созвездий нашей Вселенной. Субстанция космического пространства и ускорение свободного падения тел в пространстве тесно взаимодействует с силами тяготения и энергии между активными и пассивными материальными телами. После открытия константы обратной скорости света, константы субстанции космического пространства, константы внутренних напряжений субстанции космического пространства, новой физической величины определяющей субстанцию космического пространства и новой физической величины определяющей ускорение свободного падения тел в пространстве Солнечной системы становится понятным механизм вращения планет и галактик нашей Вселенной по эллиптической орбите. Механизм возникновения сил осуществляющих вращение планет и галактик нашей Вселенной по эллиптической орбите происходит в космической субстанции и зависит от степени активности материальных тел, их плотности, объёма, ускорения свободного падения тел в пространстве, сил тяготения и энергии между активными или пассивными материальными телами. При изменении положения одного материального тела расположенного в пространстве Солнечной системы по отношению к другому материальному телу будет меняться не только сила тяготения этого материального тела, но и его энергия. Новые константы, новые физические величины и новые законы дают нам возможность глубже разобраться в механизме вращения планет и галактик нашей Вселенной по эллиптической орбите.

Открытие новых законов гравитационного тяготения:

Основные законы создающие перемещение материальных тел по эллиптической орбите:

Комментарии по научным открытиям Белашова:

Смотрите описание новых законов образования планет Солнечной системы и галактик нашей Вселенной в описании заявки на изобретение  № 2005129781 от 28 сентября 2005 года.Смотрите описание механизмов образования планет Солнечной системы и галактик нашей Вселенной в описании заявки на изобретение  № 2005140396 от 26 декабря 2005 года.

Вода Magazine — Применение суперкавитирующих аппаратов для повышения эффективности технологических процессов

Разрушение твердых материалов относится к числу основных задач большинства промышленных производств и касается практически всех сфер жизнедеятельности человека. Одним из направлений в области реализации данного процесса является измельчение и диспергирование твердых материалов, находящихся в жидкой среде. Важной задачей является получение мелкодисперсных суспензий. Одним из путей интенсификации процесса приготовления суспензий (суспендирования) является применение новых нетрадиционных способов разрушения, основанных на физических эффектах, таких как электрический разряд, ультразвук, гидродинамическая кавитация и т.д. Все эти процессы так или иначе связаны с явлением кавитации.

В начале 40-х годов ХХ века академик В.Л. Поздюнин предложил на первый взгляд парадоксальное решение: бороться с кавитацией путем ее интенсификации, применяя для быстроходных кораблей гребные винты, специально приспособленные для работы в условиях сильно развитой кавитации. Открытое В.Л.Поздюниным явление получило название сверх- или суперкавитации, а предложенные им гребные винты стали называть суперкавитирующими. Впоследствии и другие машины и аппараты, основанные на принципе создания суперкавитационных режимов течения, получили название суперкавитационных или суперкавитирующих (СК-аппараты).

Наиболее широкое практическое применение изначально получила ультразвуковая кавитация. Ее с достаточной эффективностью используют для интенсификации таких процессов, как кристаллизация, экстракция, диффузия, очистка поверхностей, подавление образования накипи, теплообменные процессы и др. Первые предложения по использованию разрушающего воздействия гидродинамической кавитации для интенсификации некоторых технологических процессов появились только в конце XX-го века.

Результаты исследований показали, что затраты энергии на получение полей кавитационных пузырьков чисто гидродинамическими средствами на порядок ниже, чем при ультразвуковом способе. Прежде всего, это связано с быстрым затуханием ультразвуковых колебаний в жидкостях, а особенно в суспензиях, если излучатели находятся вне зоны обработки. Если же излучающие поверхности располагаются в зоне обработки, то это приводит к их довольно быстрому кавитационному разрушению. Значительные энергозатраты и преждевременное разрушение рабочих органов ограничивают применение ультразвуковых аппаратов во многих технологиях. В особенности это касается крупнотоннажных производств.

С учетом этого для обработки материалов, находящихся в жидкой среде или самих жидких сред, более перспективными являются скоростные гидродинамические аппараты. Кавитация в них возникает преимущественно при взаимодействии потока жидкости с различными кавитаторами (обтекателями) или при взаимодействии потоков.

Особая эффективность может быть достигнута при использовании явления суперкавитации, т.е. создания значительных кавитационных полостей (каверн или суперкаверн), замыкающихся за пределами рабочих органов без кавитационного разрушения последних. Кроме того, в суперкавитирующих аппаратах интенсивность кавитационного воздействия определяется в большей мере режимом течения в хвостовой части каверны и в меньшей зависит от свойств обрабатываемой жидкости, а затраты энергии могут быть ниже на порядок в сравнении с ультразвуковыми аппаратами.

Таким образом, гидродинамическая кавитационная обработка является мощным высокоэффективным технологическим средством, позволяющим развивать старые и создавать новые технологии получения различных материалов с полезными свойствами или характеристиками такими же, а подчас и значительно выше, чем при использовании других современных технологий. При этом использование суперкавитационных течений позволяет избежать эрозионного разрушения рабочих поверхностей гидродинамических аппаратов.

Для проведения исследований по диспергированию выбранных материалов была создана гидродинамическая суперкавитационная установка (рис. 1). В базовом варианте она состоит из центробежного насоса, который нагнетает жидкость по трубопроводу в суперкавитатор (СК-аппарат), представляющий собой сменную вставку.

Принцип работы суперкавитирующих аппаратов сводится к следующему. При резком понижении давления из-за появления больших местных скоростей в потоке жидкости (гидродинамическая кавитация) в капельной жидкости образуются полости (разрывы сплошности), заполненные газом, паром или их смесью, при схлопывании которых (микровзрывах) образуются ударные волны и направленные (кумулятивные) микроструи. Например, при сужении поперечного сечения трубопровода с последующим расширением или при обтекании потоком жидкости разнообразных препятствий (конусы, сферы, пластины и т.д.). В последнем случае за обтекателем образуется полость больших размеров — сверх- или суперкаверна, по периферии которой, в основном в хвостовой части, образуется поле коллапсирующих кавитационных пузырьков.

В целом суперкавитирующие гидродинамические устройства по принципу работы разделяются на: статические — с неподвижными рабочими органами; динамические — с вращающимися рабочими органами; струйные — со струйными кавитаторами; комбинированные — состоящие из различных комбинаций первых трех типов. Рабочие органы таких аппаратов часто устанавливаются в специально спрофилированных проточных участках (например, наподобие сопел Вентури, Лаваля и др.).

Таким образом, для разных материалов имеется возможность применения различных конструкций суперкавитаторов. Наиболее простая, но в тоже время эффективная конструкция, примененная для обработки ионитов, представляет собой сопло Вентури, в диффузоре которого установлен обтекатель конической формы. После прохождения кавитатора жидкость по трубопроводу переливается в бак. Далее цикл повторяется. Установка снабжена всеми необходимыми контрольно-измерительными приборами.

Как указывалось выше, суперкавитирующие аппараты могут найти широкое распространение в различных отраслях. На спроектированной установке были проведены исследования по получению биофлокулянта из избыточно активного ила, диспергирования отходов отработанных ионообменных смол с целью получения сорбционного материала.

В результате проведенных экспериментов выяснено, что после гидродинамической обработки в суперкавитирующем аппарате избыточного активного ила его можно эффективно использовать в качестве биофлокулянта для интенсификации процесса отстаивания при первичной очистке сточных вод [1], снижая тем самым нагрузку на последующие стадии очистки. Известно, что в составе ИАИ имеется большая группа микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности образуют и выделяют внеклеточные биополимеры, которые и являются флокулирующими агентами. В результате обработки агломераты микроорганизмов разрушаются до отдельных клеток или сегментов клеток, что приводит к резкому увеличению поверхности контакта между биофлокулянтом и частицами примесей. Разрушение клеточных агломератов, а также отдельных клеток до их сегментов может быть достигнуто созданием в зоне микроорганизмов высоких скоростных градиентов. Применение на этом этапе исследуемых гидродинамических СКА может значительно интенсифицировать данные процессы. Сущность гидродинамической кавитационной обработки активного ила состоит в создании условий, обеспечивающих непрерывное выделение микроорганизмами биополимеров до исчерпания запасных жировых веществ клеток.

При гидродинамической кавитационной обработке за счет деструкции межклеточных структур достигается еще один положительный эффект — повышение степени растворения тяжелых металлов, содержащихся в твердой фазе ИАИ. Выбор способа обезвреживания всех осадков зависит от состава и свойств веществ, которые определяют его токсичность, вредность для окружающей среды. Главным направлением обезвреживания является перевод указанных веществ в другие нетоксичные соединения, связывание их в виде практически нерастворимых и нелетучих соединений. Во многом способы обезвреживания сточных вод и осадков подобны [2]. В настоящее время одним из основных методов обезвреживания ИАИ, содержащего тяжелые металлы, является химическое извлечение этих металлов перед складированием осадка на иловых площадках.

Были проведены эксперименты по исследованию влияния гидродинамической кавитационной обработки на свойства ИАИ. В ходе экспериментов были исследованы пробы ИАИ после различного времени обработки в СКА и изменение характеристик активного ила вследствие обработки. Проведены исследования по применению активного ила в качестве биофлокулянта на стадии механической очистки сточных вод. Был проведен ряд опытов по определению оптимального времени обработки активного ила, а также по исследованию флокулирующих свойств этого материала. Вместе с этим было проверено предположение о повышении растворимости тяжелых металлов, содержащихся в осадке, после такой обработки, а также о применимости гидродинамической кавитации и аппаратов на ее основе для стабилизации биомассы и обеззараживания воды.

Проведенные опыты, заключающиеся в определении времени капиллярного впитывания, илового индекса, удельного сопротивления осадка фильтрованию, оптической плотности для различных проб, позволили выявить оптимальное время кавитационной обработки активного ила при использовании его в качестве флокулянта, а также дозу, при которой наблюдается наибольший эффект очистки. Оптимальная доза составила 1% от объема сточной воды. Оптимальное время обработки — около 1 мин. или 1 цикл при последовательном использовании нескольких аппаратов, то есть при необходимости непрерывности процесса. При меньшем времени обработки снижается количество выделяемых клетками биополимеров, т.к. запасные резервы клеток не исчерпываются полностью. При большем времени обработки дальнейшее механическое воздействие на клетку, уже лизированную и разрушающуюся, приводит к ухудшению дальнейшего процесса флокулирования смеси исходной сточной жидкости и обработанного активного ила. При повышении степени механического воздействия клеточные оболочки немедленно разрушаются, жизнедеятельность клеток прекращается, а значит, естественно прекращается и выделение ими биополимеров. После определения оптимального времени кавитационной обработки активного ила и его дозировки в глинистой суспензии, выбранной в качестве модельной, была оценена эффективность очистки суспензии.

Таким образом, при исследовании кинетики осаждения глинистой суспензии использовали активный ил, подвергнутый кавитационной обработке в течение 1 мин. Доза обработанного АИ составляла 1% об. Исследования проводили для глинистой суспензии концентрации 500 и 1000 мг/л. Измерялась оптическая плотность в зависимости от времени отстаивания суспензии, активного ила и суспензии с активным илом. Оказалось, что после 20 мин. отстаивания эффективность очистки для суспензии концентрацией 500 мг/л составляет до 80%. При увеличении концентрации суспензии в два раза, этот показатель снижается до 50%.

На следующих этапах исследовалось влияние гидродинамической обработки на интенсификацию процессов обезвреживания, стабилизации и обеззараживания осадков промышленных сточных вод.

В ходе исследований установлено, что наблюдается хорошая корреляция между обобщенным показателем фильтруемости осадка (удельным массовым сопротивлением фильтро- ванию) и степенью растворения содержащихся в нем тяжелых металлов. Таким образом, степень растворения металлов определяется степенью механической деструкции структур АИ в процессе обработки и может контролироваться по изменению удельного массового сопротивления осадка фильтрованию.

В результате исследования обработки осадков сточных вод в СКА, установлено, что за счет деструкции межклеточных структур осадка растворяеся от 17 до 70% содержавшихся в твердой фазе осадка металлов (Zn, Ni, Cu, Cd, Pb). Степень растворения зависит от металла, что объясняется различными формами связывания тяжелых металлов (в частности, активным илом). Достигнутая степень растворения тяжелых металлов не всегда достаточна по ПДК для самостоятельного использования такой обработки для окончательного обезвреживания осадков, однако в сочетании с традиционными способами гидродинамическая кавитационная обработка позволит значительно интенсифицировать процесс и уменьшить объемы используемых реагентов.

Результаты экспериментов по стабилизации и обеззараживанию активного ила в исследуемом суперкавитирующем аппарате показали, что уже за один проход общее микробное число (ОМЧ) сократилось на порядок и составило около 3•105 колоний/мл (ОМЧ в начальной пробе составляло более 3 млн. колоний/мл). Через 10 мин. циркуляции жидкости в установке ОМЧ уменьшилось практически до 6•104 колоний/мл.

Также исследовалась возможность использования СКА для получения коагулянтов/флокулянтов из отходов отработанных синтетических ионитов [3]. Отработанные синтетические иониты близки по составу и свойствам к применяемым в настоящее время флокулянтам и характеризуются весьма значительной остаточной обменной емкостью. В качестве одного из способов получения таких материалов может рассматриваться измельчение [3] (степень измельчения должна быть близкой к дисперсным частицам гидроксокомплексов, образующихся при гидратации коагулянтов). Выбор условий измельчения, обеспечивающих получение продукта с заданными свойствами, проводили по результатам пробного коагулирования контроля сорбционной емкости, дзета-потенциала, распределения функциональных групп.

Выбор механохимического метода переработки отработанных синтетических ионитов будет определяться в основном характеристиками исходного материала и требованиями к качеству продукта. Для помола в промышленности применяют молотковые, роторные, барабанные, вибрационные мельницы и др. Наибольшее распространение в промышленности для тонкого помола и активации нашли планетарные мельницы. Их использование рационально для получения материала с размерами более 20 мкм, поскольку для получения частиц меньшего размера существенно увеличатся затраты энергии [4]. Для дальнейшего уменьшения размеров частиц можно использовать кавитационное воздействие.

В настоящее время такую обработку можно осуществлять в ультразвуковых и суперкавитирующих аппаратах. Применение ультразвуковых и суперкавитирующих аппаратов позволит снизить влияние повышенной температуры (которая сильно заметна при сухой обработке в планетарной мельнице) на количество функциональных групп. Использование СКА позволяет проводить измельчение ионитов в водной суспензии без предварительного измельчения. Возможность применения такого способа измельчения исследовали на 1%-й водной суспензии анионита. Обработку проводили в течение 10, 20, 30 мин. Фракционный состав измельченного анионита характеризуется следующим распределением по фракциям менее 5 мкм, 5-20 мкм и более 20 мкм в мас.%: для 10 мин. — 46,2:23,7:30,1, 20 мин. — 32,2:28,7:39,1 и 30 мин. — 23,6:24,5:51,9 соответственно.

При обработке отработанных ионитов на ультразвуковой установке с гидродинамическим излучателем наблюдается значительно больший выход фракции с размерами частиц 5-20 мкм и уменьшение выхода фракции с размерами частиц более 20 мкм по сравнению с обработкой в шаровой мельнице и последующей ультразвуковой обработкой на ультразвуковой установке с пьезоэлектрическим излучателем при близких по значению энергозатратах [5].

Также следует отметить, что одними из перспективных методов обеззараживания воды, развиваемыми в последние годы, следует признать безреагентные. Они позволяют создавать бактерицидные установки со значительным упрощением технологии. К перспективным направлениям разработки физико-механических методов обеззараживания уже более полувека относят ультразвук. Обеззараживание воды обусловлено дезинтеграцией микроорганизмов, происходящей в области распространения ультразвука за счёт разнообразных физических и физико-химических явлений, имеющих кавитационную природу. Вместе с тем, как было указано выше, гидродинамическая кавитация имеет ряд преимуществ перед ультразвуковой.

С появлением соответствующих гидродинамических аппаратов становится реальным применение кавитации для микробиологической стерилизации воды в многотоннажных системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Кавитация может не только убивать микробы. Она способна диспергировать и крупные молекулы органики, поскольку именно они являются центрами образования кавитационных пузырьков (ядрами кавитации) и точно так же, как и микроорганизмы, являются центрами «схлопывания» кавитационных пузырьков. По размеру микроорганизмы и крупные молекулы органики примерно одинаковы, приближаются к ним по размерам и молекулы тяжелых нефтепродуктов. Что касается последних, то нельзя не упомянуть о перспективах применения гидродинамических кавитаторов для интенсификации процесса флотации при очистке промстоков.

Факторами, определяющими технологический эффект, являются количество и размеры образующихся кавитационных пузырьков за суперкавернами. Чтобы получить кавитационные пузырьки оптимальных по технологическому воздействию размеров, необходимо создавать каверну с определенным характером нестационарного движения в ее хвостовой части. В этом и заключается одно из принципиальных отличий исследуемых гидродинамических аппаратов.

Таким образом, исследованный метод воздействия на жидкие среды позволяет значительно интенсифицировать процессы диспергирования суспензий, обладает эффектом обеззараживания и рядом других положительных эффектов.

 

Литература:
1. Петров, О.А. Применение гидродинамического аппарата для обработки активного ила / О.А. Петров, О.В. Гурьян, П.Е. Вайтехович // Новейшие достижения в области импортозамещения в хим. промышленности и производстве стройматериалов: Материалы докладов Междунар. науч.-техн. конф. — Мн.: БГТУ, 2003. — С. 493- 495.
2. Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды. — А.И. Родионов [и др.] — М.: Химия, 1989. — 512 с.
3. Петров, О.А., Романовский, В.И. Применение суперкавитирующих аппаратов для обработки ионитов / О.А. Петров, В.И. Романовский // Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов: материалы докл. международной науч.-тех. конф. БГТУ, Минск, 25-27 ноября 2009 г. / Белорус. гос. техн. ун-т; редкол.: И.М. Жарский [и др.]. — Минск, 2009. — С. 123-126.
4. Романовский, В.И. Сравнительная характеристика способов диспергирования отработанных синтетических ионитов
/ В.И. Романовский, О.А. Петров // Труды БГТУ. Химия и технология орган. в-в. — 2011. — № 4(142). — С. 132-137.
5. Romanovskiy, V. I. Thermochemical and Mechanochemical Treatment of Used-up Synthetic Ionites Producting Valuable Chemicals and Sorption Materials / V. I. Romanovskiy // Science Prospects. — 2011. — Number 4(19), — Р. 132-138.

 

Журнал «Вода Magazine», №4 (68), 2013 г.

Разрушительные эффекты кавитации


— Автор Мартин Блок, 13.03.19

Вы когда-нибудь видели крыльчатку насоса, которая выглядит так, как будто ее взорвало динамитом? Протекающие трубы? Клапаны, которые подверглись такой эрозии, что больше не работают должным образом? Все это вызвано крошечными пузырьками пара: обратите внимание на огромную силу кавитации.

Большинство техников имеют представление о кавитации («она как-то связана с вашим циркуляционным насосом, верно?»).Хотя это правда, это еще не все. Во-первых, это происходит и вне насосов — в регулирующих клапанах, на изгибах отрезка трубы или переходных элементах.

Давление водяного пара

На уровне моря атмосферное давление составляет около одного бара. В этих условиях вода замерзает при 0 ° C и закипает при 100 ° C. Вы можете увидеть взаимосвязь между давлением, температурой и состоянием вещества (твердое, жидкое или парообразное) на фазовой диаграмме ниже.


Фазовая диаграмма

При более низком давлении окружающей среды вода начинает закипать при более низких температурах.Давление пара становится выше, чем давление окружающей среды, в результате чего в жидкости появляются пузырьки пара.


Появляется пузырек пара

Места с низким давлением

В насосной установке есть несколько мест, где давление временно снижается: например, на стороне всасывания циркуляционного насоса или на концах рабочего колеса насоса. Когда скорость, с которой движется вода, увеличивается, давление снижается. Это может произойти в плохо смонтированной арматуре, элементах труб или переходных элементах.Пар занимает в 50 раз больше места, чем вода.

Implosion

Места с низким давлением и высокой скоростью возникают только временно. Выше по потоку давление снова станет нормальным (высоким). Таким образом, в части с низким давлением вновь созданный паровой пузырь начинает расти и расти, пока не поднимется давление. Когда окружающее давление становится выше, чем давление в пузырьке пара, пузырь лопается.


Взрыв пузырька пара

Поверхность пузырька начинает разрушаться в самом слабом месте.Когда он схлопывается, вода перетекает в объем, который ранее был занят паром. Это создает микрострую, которая пробивает пузырек и разрывается через систему.

Когда это происходит в непосредственной близости от боковой стенки трубы, это похоже на удар маленькой ракеты о стенку. Вы можете себе представить, какой ущерб со временем могут нанести тысячи таких событий вашей системе. И удар тоже очень шумный: это все равно, что пропустить горсть шариков по трубе.

Мартин Блок | Инженер по исследованиям и разработкам

Мартин Блок работает в Heinen & Hopman с 2013 года.Во время учебы «Интегрированная разработка продуктов» он научился анализировать и разрабатывать функциональную сторону нового продукта. В Heinen & Hopman Мартейн отвечает за детальное проектирование с использованием CFD-анализа, среди прочего, для оптимизации наших новых продуктов.

Кавитационный поток — обзор

8.6 Кавитация в погружных насосах

Кавитация — это процесс, при котором паровая фаза жидкости образуется из-за снижения давления по гидродинамическим причинам при постоянной температуре окружающей среды.Согласно этому определению, необходимо различать фазовый переход, вызванный понижением давления, и процесс кипения, вызванный добавлением тепла. Кавитация имеет первостепенное значение в потоках горячей воды, близких к точке кипения. Погружные насосы, встроенные в скважины для добычи термальной воды, работают в воде с высокой температурой, в которой связанные значения давления и температуры близки к кривой насыщения. В первой ступени погружных насосов снижение давления может быть достигнуто при давлении насыщения воды.

Наличие пузырьков пара радикально меняет расчетную схему течения. Это явление вызывает ряд нежелательных побочных эффектов в работе насоса. Пузырьковый поток изменяет равномерное распределение массы воды, протекающей через крыльчатку. Динамически неуравновешенное вращающееся колесо вызывает вибрацию и шум. Это приводит к сокращению срока службы подшипников. Наличие пузырьков вызывает случайную пульсацию крутящего момента, создаваемого напора и скоростей.Эта пульсация прекращается за счет интенсивной турбулентной передачи импульса, приводящей к высоким потерям давления и эффективности. Гидравлически активные поверхности крыльчатки, подверженные кавитации, могут быть серьезно повреждены, особенно в зонах схлопывания пузырьков. Коллапсирующие пузырьки сохраняют свою сферическую форму до тех пор, пока это возможно, в то время как эффект поверхностного натяжения и уменьшение радиуса пузырьков создают локальные максимумы давления, когда радиус стремится к нулю. Эти локальные максимумы давления, безусловно, достаточно высоки, чтобы учесть хрупкое или усталостное разрушение большинства материалов.Износ лопастей рабочего колеса может произойти через несколько часов работы с кавитацией. Таким образом, эксплуатация насоса в кавитационном состоянии категорически запрещена.

Есть два разных способа исследования кавитации в центробежных насосах. Один из них представляет точку зрения конструкторов, анализирующих поток в лопастях с помощью сложного теоретического подхода с использованием всеобъемлющих численных расчетов. Другой способ исследования кавитации представляет собой точку зрения операторов, изучающих такие параметры производительности вне насоса, как давление на входе и выходе, расход, скорость и глубину погружения.

Рассмотрим энергетическую диаграмму на рис. 8.9, полученную в системе координат, вращающейся вместе с рабочим колесом. Эта диаграмма представляет собой графическое представление уравнения Бернулли во вращающейся системе координат. Можно заметить, что распределение давления на передней (нагнетательной) стороне и задней (всасывающей) стороне лопастей рабочего колеса различно. Очевидно, что минимум давления достигается на стороне всасывания лопастей. В начале кавитации этот минимум давления равен давлению насыщения, относящемуся к фактической температуре.Уравнение Бернулли можно записать в обычных обозначениях, как показано на рис. 8.9:

рис. 8.9. Энергетическая диаграмма вращающейся крыльчатки.

(8.38) pρg = piρg + u2 − ui22g + wi2 − w22g

Это распределение давления может быть правильно определено методом гидродинамических особенностей (Бобок, 1970). Зная минимум давления, так называемая депрессия лопатки получается как разность напоров перед передней кромкой и минимум давления:

(8.39) Δh = pi − pminρg = wmin2 − wi22g + ui2 − umin22g

где w и u — относительная и окружная скорости в точке минимума давления. Выражение обычное:

(8.40) Δh = {(wminwi) 2−1 + [1− (RminRi) 2] (uiumin) 2} wi22g

, в котором сумма в фигурной скобке зависит от формы лопатки рабочего колеса и относительная скорость на входе. Параметр характеризует рабочее колесо с точки зрения кавитации:

(8.41) λw = 2gΔhwi2

Параметры кавитации также могут быть определены экспериментально путем измерения переменных расхода вне насоса в присоединенной к нему трубе и в скважине.Уравнение Бернулли записывается между свободной поверхностью воды в скважине, так называемым динамическим уровнем воды, и входным сечением крыльчатки:

(8.42) p0ρg + z0 = ci22g + piρg + h2i ′

дюйм где h ‘ 1i — потеря напора между всасывающим патрубком и проушиной рабочего колеса первой ступени.

С другой стороны, между динамическим уровнем и всасывающим патрубком можно записать следующее уравнение:

(8.43) p0ρg + z0 = c122g + p1ρg

Это можно распознать, рассматривая рис.8.9, что:

(8.44) piρg = pminρg + Δh ‘

Подставляя в уравнение. (8.42) получаем:

(8.45) p0ρg + z0 = ci22g + pminiρg + Δh ′ + h2i ′

Так называемый чистый положительный напор всасывания, NPSH определяется как:

(8.46) NPSH = ΔH = p1ρg + ci22g − pminρg

Учитывая уравнение (8.43)

(8.47) NPSH = p0 − pminρg + z0

Очевидно, что в кавитационной рабочей точке минимум давления равен давлению насыщения воды:

(8.48) pmin = psat

Критическое значение NPSH для этого рабочего состояния получается как:

(8.49) NPSHcrit = ΔHcrit = p0 − psatρg + z0

На основании этого уравнения необходимую глубину погружения для предотвращения кавитации можно определить как:

(8,50) (z0) crit = ΔHcrit − p0 − psatρg

Очевидно что NPSH зависит от расхода и скорости вращения. Таким образом, зависимость NPSH от расхода принадлежит характеристикам насоса в виде кривых напора H (Q), тормозной мощности P (Q) и эффективности η (Q), характеризующих его работу. Глубину встроенного насоса можно определить, зная его кривую NPSH (Q) при заданном значении оборотов в минуту.

Критическое значение NPSH можно определить экспериментально. Известно, что манометрический напор уменьшается по мере возникновения кавитации. Принято рассматривать уменьшение манометрического напора на 3% в начале кавитации в определенной рабочей точке. Эксперимент проводится следующим образом; в некоторой устойчивой рабочей точке, поддерживающей постоянную скорость потока, глубина погружения насоса постепенно уменьшается. Таким образом, очевидно, что NPSH уменьшается. Как показано на рис.8.10, уменьшение NPSH вначале не влияет на манометрический напор. Когда наименьшее давление в рабочем колесе достигает давления насыщения, возникают пузырьки пара, вызывающие быстрое уменьшение манометрического напора. Путем повторения этой процедуры при различных расходах получается критическая зависимость NPSH, как показано на рис. 8.11.

Рисунок 8.10. Возникновение кавитации.

Рисунок 8.11. Кривые производительности.

По мере подъема горячей воды в скважину ее давление снижается.Давление достигает так называемой точки кипения, неконденсирующиеся газы выделяются из геотермальной воды. Выше глубины, относящейся к точке кипения, в потоке возникают растущие пузырьки газа. Объемное соотношение газ / вода непрерывно увеличивается в восходящем потоке. Этот двухфазный поток, поступающий в насос, нарушает его нормальную работу, подобно кавитации во многих аспектах. Наличие газовой фазы увеличивается за счет расхода, поэтому возникают и гидравлические потери. Из-за этого резко снижаются манометрический напор и КПД насоса.Влияние пузырькового потока на характеристику насоса показано на рис. 8.12. Другой эффект — несбалансированное распределение массы крыльчатки, вызывающее нежелательную вибрацию. Растущие пузырьки газа движутся в противоположных направлениях центробежной силы, протекая через крыльчатку, даже блокируя поток воды. Когда поток воды прекратится, погружной двигатель может перегреться.

Рисунок 8.12. Снижение напора при разном содержании CO 2 .

Основное различие между пузырьковым потоком и кавитацией заключается в том, что пузырьки газа не схлопываются внезапно, когда давление снова увеличивается.Таким образом, эрозия гидравлически активных поверхностей не происходит. Другой эффект заключается в том, что точка пузырька возникает в скважине на большей глубине, чем давление насыщения. Установка центробежного сепаратора перед первой ступенью насоса является эффективной защитой от этого неблагоприятного явления.

Влияние свойств жидкости на ультразвуковую очистку

Физические свойства жидкостей оказывают значительное влияние на их способность к кавитации и образованию взрывающихся кавитационных пузырьков, полезных для ультразвуковой очистки.Поскольку другие факторы, включая температуру и химический состав, могут влиять на физические свойства жидкостей, они также играют важную роль в ультразвуковой очистке. В этом блоге исследуется влияние ряда свойств жидкости на ультразвуковые характеристики. Поскольку нижеследующее обсуждение приносит пользу из общего понимания ультразвуковой кавитации, читатель может сначала рассмотреть следующее — —

Кавитация 101

Анимация кавитации

Ультразвук — Имплозия

НАПРЯЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ —

Поверхностное натяжение — это свойство, присутствующее в форме натяжения на неподдерживаемой поверхностной оболочке жидкости.Поверхностное натяжение будет аналогично растяжению резины в баллоне, наполненном водой. Хотя мы обычно думаем о поверхностном натяжении как о внешнем периметре поверхности жидкости (граница раздела воздух / вода или поверхность капли воды), тот же эффект применяется, но в обратном порядке, когда внутри жидкости образуется кавитационный пузырь. Поверхностное натяжение препятствует созданию кавитационного пузыря внутри жидкости и способствует его схлопыванию после его образования. Пониженное поверхностное натяжение облегчает образование кавитационных пузырьков в жидкости в условиях вакуума.В случае ультразвука это означает, что будет образовываться больше кавитационных пузырьков и что они вырастут до большего размера в других аналогичных условиях. Кроме того, из-за того, что для образования каждого кавитационного пузырька требуется меньше энергии, при заданной подводимой энергии образуется больше полостей. Как только полость больше не поддерживается другими силами, в случае ультразвука, часть отрицательного давления звуковой волны, поверхностное натяжение способствует схлопыванию полости. Повышенное поверхностное натяжение способствует выделению энергии при схлопывании кавитационного пузырька.

Связанные — Что такое поверхностное натяжение?

ПРОЧНОСТЬ НА РАЗРЫВ —

Хотя мы обычно связываем прочность на разрыв с твердыми телами, жидкости также обладают прочностью на разрыв. Прочность на разрыв — это сила, необходимая для отделения молекул жидкости друг от друга. Для образования кавитационного пузыря в жидкости требуется сила, достаточная для разделения молекул в начале образования полости. Жидкость с более низким пределом прочности на разрыв облегчает образование кавитационных пузырьков.Однако, поскольку образование кавитации проще, для данной подводимой мощности будет сформировано больше полостей. Однако полученные полости не вырастут до таких размеров, и, поскольку полости меньше, они схлопнутся и взорвутся с меньшей силой.

ВЯЗКОСТЬ —

Вязкость — это сопротивление движению внутри жидкости. Поскольку формирование полостей в жидкости требует движения молекул относительно друг друга, Higher Visacity обычно плохо влияет на ультразвуковые процессы с потерями энергии на внутреннее трение в жидкости. Пониженная вязкость способствует как образованию, так и схлопыванию кавитационных пузырьков. Для жидкостей с очень высокой вязкостью, включая тяжелое масло, сиропы, деготь и т. Д., Может вообще невозможно образовать кавитацию при использовании обычного оборудования для ультразвуковой очистки.

ГАЗ РАСТВОРИМЫЙ —

Большинство жидкостей содержат растворенный газ. Микроскопические пузырьки, образованные растворенным газом, действуют как «семена» для роста кавитационных пузырьков. Больше растворенного газа приводит к образованию большего количества кавитационных пузырьков.По мере того, как дополнительный растворенный газ мигрирует в растущий кавитационный пузырь, он становится больше, чем если бы растворенного газа не было. Кроме того, кавитационные пузырьки, содержащие газ, могут вообще не взорваться или не взорваться с достаточной силой, чтобы произвести желаемый эффект из-за сопротивления содержащегося газа. Меньше растворенного газа приводит к образованию кавитационных пузырьков, которые взрываются, выделяя значительную энергию. Удаление растворенного газа имеет решающее значение для успеха ультразвуковой очистки.

Связанные — Дегазация — Какой газ? и почему?

ДАВЛЕНИЕ ПАРА —

Давление пара — это давление, которое возникает в ограниченной жидкости из-за самопроизвольного испарения жидкости.Проще говоря, это мера того, насколько легко жидкость превращается в пар. Высокое давление пара приводит к росту кавитационных пузырьков, заполняемых жидким паром. Это аналогично случаю с растворенным газом, за исключением того, что в этом случае газ является паром жидкости. Кавитационные пузырьки, содержащие жидкий пар, не могут легко схлопнуться с достаточной силой, чтобы произвести желаемый эффект имплозии из-за демпфирующего эффекта пара, заключенного в них. Более низкое давление пара способствует ультразвуковой очистке.Жидкости, включая спирт и многие другие растворители с высоким давлением пара, могут не образовывать кавитационные пузырьки, которые взрываются с выделением достаточной энергии.

ПЛОТНОСТЬ —

Плотность — это масса данной меры жидкости. Плотность воды составляет 1. Кавитация жидкости с высокой плотностью сложнее из-за необходимости преодолеть инерцию более тяжелой жидкости. При этом следует отметить, что некоторые чрезвычайно плотные жидкости, включая расплавленный алюминий, цинк и свинец, были успешно кавитационны, что привело к высвобождению энергии при имплозии.Однако это потребовало чрезвычайно высокой входной мощности.

ОБСУЖДЕНИЕ —

Вышеупомянутые обобщения основаны на наблюдениях и гипотезах. Фактически, взаимодействие свойств чрезвычайно сложно, и величина каждого эффекта уравновешивается по сравнению с другим, который трудно предсказать или измерить. В некоторых случаях существуют противоречивые эффекты, которые противодействуют друг другу в пределах одной переменной. В следующем блоге мы обсудим, как некоторые важные параметры ультразвуковой очистки влияют на вышеперечисленное и причины их влияния на очистку.

— FJF —

Влияние нагнетания воды на контроль кавитации: эксперименты на подводных крыльях NACA66 (MOD)

  • 1.

    Хатли, Э., Неделькович, М., Боняр, А.: Характеристики кавитирующего потока, потенциал полости и кинетическая энергия, паросодержание и геометрические параметры — аналитическое и теоретическое исследование, подтвержденное экспериментальными исследованиями. Int. J. Heat Mass Transf. 117 , 873–886 (2018)

    Статья Google ученый

  • 2.

    Лю, М., Тан, Л., Цао, С.Л .: Взаимодействие кавитации, вихря и турбулентности и одномерное моделирование давления для судна на подводных крыльях ALE15 с помощью моделирования больших вихрей. J. Fluids Eng.-Trans. ASME 141 , 021103 (2019)

    Статья Google ученый

  • 3.

    Leger, A.T., Ceccio, S.L .: Исследование потока около передней кромки присоединенной кавитации. Часть 1. Отрыв двумерной и осесимметричной полостей.J. Fluid Mech. 376 , 61–90 (1998)

    Артикул Google ученый

  • 4.

    Сан, У.Х., Тан, Л .: Взаимодействие кавитации, вихря и флуктуации давления в центробежном насосе с использованием модели кавитации с модифицированным вращением пузырька при частичной нагрузке. J. Fluids Eng. 142 , 051206 (2020)

    Артикул Google ученый

  • 5.

    Каванами Ю., Като Х., Ямаути Х.и др .: Механизм и контроль облачной кавитации. ASME J. Fluids Eng. 119 , 788–794 (1997)

    Статья Google ученый

  • 6.

    Ван Г.Ю., Ву К., Хуанг Б.: Динамика взаимодействия кавитации и структуры. Acta Mech. Грех. 33 , 685–708 (2017)

    Статья Google ученый

  • 7.

    Кнапп, Р.Т., Дейли, Дж. У., Хэммитт, Ф.Г .: Кавитация.Макгроу Хилл, Нью-Йорк (1970)

    Google ученый

  • 8.

    Арндт Р.Э.А .: Кавитация в гидравлических машинах и гидротехнических сооружениях. Анну. Rev. Fluid Mech. 13 , 273–326 (1981)

    Артикул Google ученый

  • 9.

    Бреннен, К.Э .: Кавитация и динамика пузырей. Oxford Engineering and Sciences Series, т. 44. Oxford University Press, Oxford (1995)

    Google ученый

  • 10.

    Морч, К.А .: Динамика кластеров полости и кавитационная эрозия. В: Форум кавитационных полифазных потоков, Нью-Йорк, США 1-10 (1981)

  • 11.

    Лю М., Тан, Л., Цао, С.Л .: Разложение в динамическом режиме кавитирующего потока вокруг подводного крыла ALE 15. Обновить. Энергетика 139 , 214–227 (2019)

    Статья Google ученый

  • 12.

    Callenaere, M., Franc, J., Michel, J., et al .: Кавитационная нестабильность, вызванная развитием возвратной струи.J. Fluid Mech. 444 , 223–256 (2001)

    Артикул Google ученый

  • 13.

    Хао, Дж. Ф., Чжан, М. Д., Хуанг, Х .: Влияние шероховатости поверхности на кавитационный поток облаков вокруг судов на подводных крыльях. Acta Mech. Грех. 34 , 10–21 (2018)

    Статья Google ученый

  • 14.

    Ганеш, Х., Мякихарью, С.А., Чеччо, С.Л .: Распространение пузырьковой ударной волны как механизм перехода частичных полостей из листа в облако.J. Fluid Mech. 802 , 37–78 (2016)

    MathSciNet Статья Google ученый

  • 15.

    Кнапп, Р.Т .: Последние исследования механики кавитации и кавитационного разрушения. Пер. ASME 77 , 1045–1054 (1955)

    Google ученый

  • 16.

    Фернесс, Р.А., Хаттон, С.П .: Экспериментальные и теоретические исследования двумерных резонаторов фиксированного типа.J. Fluids Eng. 97 , 515–521 (1975)

    Артикул Google ученый

  • 17.

    Кравцова А.Ю., Маркович Д.М., Первунин К.С. и др .: Высокоскоростная визуализация кавитационных режимов на плоской пластине с круглой передней кромкой и подводном крыле NACA0015. J. Vis. 16 , 181–184 (2013)

    Статья Google ученый

  • 18.

    Ли, Д.К., Грекула, М., Линделл, П.: К численному прогнозированию нестационарной кавитации листа на подводных крыльях. J. Hydrodyn. Сер. В 22 , 741–746 (2010)

    Google ученый

  • 19.

    Аснаги, А., Джаханбахш, Э., Сейф, М.С.: Нестационарное многофазное моделирование кавитации вокруг NACA 0015. J. Mar. Sci. Technol. 18 , 689–696 (2010)

    Google ученый

  • 20.

    Лю, М., Тан, Л., Лю, Ю., и др .: Моделирование больших вихрей взаимодействия кавитационных вихрей и колебаний давления вокруг судна на подводных крыльях ALE 15. Ocean Eng. 163 , 264–274 (2018)

    Статья Google ученый

  • 21.

    Тимошевский М.В., Запрягаев И.И., Первунин К.С. и др .: Управление кавитацией пристенной струей: эксперименты на двухмерном подводном крыле. Int. J. Multiph. Поток 99 , 312–328 (2018)

    Артикул Google ученый

  • 22.

    Wang, W., Lu, S.P., Xu, R.D., et al .: Численное исследование струйного течения на подводных крыльях при подавлении кавитации. J. Drainage Irrig. Мах. Англ. 35 , 829–834 (2017)

    Google ученый

  • 23.

    Вэй, X.Z., Су, W.T., Ли, X.B. и др .: Влияние перфорации лопасти на характеристики кавитации гидротурбины Фрэнсиса. J. Hydraul. Res. 52 , 412–420 (2014)

    Статья Google ученый

  • 24.

    Wu, W., Xiong, Y., Qi, W.J .: Контроль кавитации двухмерного судна на подводных крыльях при изменении формы секции. Подбородок. J. Ship Res. 7 , 36–40 (2012)

    Google ученый

  • 25.

    Wu, W., Xiong, Y .: Метод изменения формы для конструкции противокавитационных судов на подводных крыльях. Дж. Шанхайский университет Цзяотун 47 , 877-883,888 (2013)

  • 26.

    Ван, К.С., Хуанг, Б., Чжан, доктор медицины и др .: Влияние нагнетания воздуха на характеристики неустойчивого полотна / облака кавитационное выделение в сходящемся-расходящемся канале.Int. J. Multiph. Поток 106 , 1–20 (2018)

    Артикул Google ученый

  • 27.

    Арндт, Р.Э.А., Эллис, К.Р., Пол, С.: Предварительное исследование использования нагнетания воздуха для уменьшения кавитационной эрозии. J. Fluids Eng. 117 , 498–504 (1995)

    Артикул Google ученый

  • 28.

    Мякихарью С.А., Ганеш Х., Чеччо С.Л .: Влияние закачки неконденсируемого газа на динамику кавитации частичных полостей.В: Journal of Physics: Conference Series, Лозанна, Швейцария, 656 , 012161 (2015)

  • 29.

    Тимошевский М.В., Запрягаев И.И., Первунин К.С. и др .: Контроль кавитации на двухмерном подводном крыле через непрерывный тангенциальный впрыск жидкости: экспериментальное исследование. В: Материалы конференции AIP. Пенанг, Малайзия, 1770 , 030026 (2016)

  • 30.

    Ван, В., Йи, К., Ван, Й.Й. и др .: Исследование адаптируемости закачки воды на подводных крыльях к подавлению кавитации.J. Drainage Irrig. Мах. Англ. 35 , 6–11 (2017)

    Google ученый

  • 31.

    Ван В., Чжан К. Д., Тан Т. и др.: Численное исследование влияния расположения отверстий для нагнетания воды на управление кавитационным потоком. Sci. Прог. 103 , 1–23 (2019)

    Статья Google ученый

  • 32.

    Ван, В., Сюй, Р.Д., Йи, К. и др .: Влияние силы входящей струи на кавитационные характеристики судна на подводных крыльях.J. Drainage Irrig. Мах. Англ. 34 , 921–926 (2016)

    Google ученый

  • 33.

    Ван, В., Йи, Q., Лу, С.П. и др .: Изучение и исследование влияния закачки воды с поверхности на подводных крыльях на подавление кавитации. В: Материалы выставки ASME Turbo Expo 2017: Техническая конференция и выставка турбомашин. Том 2D: Турбомашины. Шарлотта, Северная Каролина, США. 26-30 июня (2017)

  • 34.

    Хуанг Б., Янг, Ю.Л., Ван, Г. и др.: Комбинированное экспериментальное и вычислительное исследование нестационарной структуры листовой / облачной кавитации. ASME J. Fluids Eng. 135 , 071301 (2013)

    Артикул Google ученый

  • Движущая сила ультразвуковой обработки

    Жидкости, подвергающиеся воздействию ультразвука высокой интенсивности, могут подвергаться акустической кавитации. Это явление обычно можно увидеть как облако пузырьков, образующихся вблизи источника ультразвука (например,g., ультразвуковой рог) и слышно как интенсивное шипение шум . Кавитация — это образование в жидкости пустот низкого давления (также известных как вакуумные пузырьки или полости), которые растут, кратковременно колеблются, а затем асимметрично схлопываются с большой интенсивностью.

    Химические и физические эффекты кавитации

    Сильное схлопывание пузырьков во время кавитации вызывает экстремальные локальные температуры (до ~ 5000 o C), скорости нагрева / охлаждения (до ~ 10 миллиардов o C / сек) и давления (до ~ 1000 атм), производя свободные радикалы и вызывая многие химические (сонохимические) реакции (например,g., окисление загрязняющих веществ, стерилизация , , полимеризация, обессеривание , , разложение длинноцепочечных молекул и т. д.). В то же время в кавитационном поле генерируются текущие токи, чрезвычайно быстрые микроструи (~ 500 м / сек) и огромные силы сдвига, способствующие широкому спектру физических (механических) эффектов (например, эмульгирование , , частицы фрагментация , разрушение клеток , гомогенизация, диспергирование , деагломерация, дегазация и т. д.). При определенных условиях кавитация может даже создавать свет — этот эффект называется сонолюминесценцией .

    В то время как чисто химические эффекты ультразвуковой кавитации несколько усиливаются с частотой , механическое воздействие имеет сильную и противоположную частотную зависимость. Промышленные ультразвуковые процессоры , разработанные для создания сильных сдвиговых сил в обрабатываемых жидкостях, поэтому, как правило, работают на нижнем краю ультразвукового спектра (~ 20 кГц).

    (упрощенное) объяснение лежащего в основе механизма

    Основной принцип образования кавитационного облака можно пояснить на следующем примере. Рассмотрим, что происходит с жидкостью в наполовину заполненном закрытом шприце после того, как поршень отведен назад (анимация слева). Поскольку объем в шприце увеличивается, жидкость растягивается и будет разрывать любые дефекты, которые она может содержать (пылинки, пузырьки газа и т. Д.), Образуя пустоты низкого давления.Если плунжер отпускается, он сам возвращается в исходное положение, и пустоты схлопываются. Если плунжер отталкивается назад, а не просто отпускается, интенсивность схлопывания увеличивается. Обратите внимание, что во время этого «взрыва» стенки пустотных пузырьков перемещаются намного быстрее, чем это делает плунжер.

    Этот эффект требует, чтобы поршень плотно прилегал к стенкам шприца. В открытом контейнере жидкость из-за пределов области под поршнем просто заполняла бы пустоты до того, как они могли бы образоваться.Однако в случае ультразвукового рожка, вибрирующего с частотой 20000 раз в секунду (анимация справа), жидкость не успевает втекать в эту область. Таким образом, эта ситуация до некоторой степени напоминает ситуацию с поршнем шприца, и образуется кавитационное облако (с гораздо меньшими пузырьками вакуума).

    Динамика кавитационного пузырька, схематически представленная на приведенном выше рисунке, показывает рост и асимметричное схлопывание полости низкого давления, в результате чего возникает микроструя.Колебания пузыря, происходящие одновременно с его ростом, не показаны. Когда пузырек колеблется и растет, он втягивает пар окружающей жидкости внутрь себя вместе с любыми растворенными газами . Этот процесс называется «выпрямленной диффузией». Давление в пузыре остается относительно низким, что способствует его окончательному схлопыванию. Во время финальной стадии взрыва скорость стенки пузыря может превышать скорость звука в его газовой среде. Это создает ударную волну (аналогичную той, которая создается самолетом, когда он пересекает звуковой барьер) в пузыре, разбивая его на крошечные фрагменты, которые впоследствии становятся начальными точками для дальнейших событий кавитации.

    Защитите свой слух

    Коллапсирующие кавитационные пузырьки, образующиеся во время обработки ультразвуком, генерируют интенсивное «шипение» широкого спектра. noise с уровнями, которые могут превышать 100 дБа. Поэтому важно соблюдать меры предосторожности для здоровья и безопасности при использовании ультразвуковых жидкостных процессоров .

    В следующем посте мы представим несколько наглядных примеров химических и физических эффектов ультразвуковой кавитации.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

    Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

    Защита водяных подкачивающих насосов от кавитации

    Учитывая большое количество высотных зданий в Нью-Йорке, подкачивающие насосы играют очень важную роль в обеспечении непрерывного водоснабжения.Из-за отсутствия бустерной системы в большинстве зданий Нью-Йорка надежное водоснабжение обеспечивается только на первых пяти этажах. По этой же причине очень важно поддерживать подкачивающие насосы в оптимальных условиях эксплуатации, а одной из основных причин выхода из строя рабочего колеса является гидравлическое явление, называемое кавитацией. В этой статье будет представлен обзор кавитации и того, как ее можно предотвратить.

    Что такое кавитация?

    Всем известно, что воду можно кипятить с помощью тепла, превращая ее в пар.Однако при низком давлении вода также может испаряться, и это может произойти внутри насоса, если вода не подается с достаточным давлением на входе. Когда давление жидкости падает ниже критического значения, называемого давлением пара, в потоке образуются маленькие пузырьки, которые резко схлопываются при повторном повышении давления — это явление называется кавитацией, потому что пузырьки представляют собой полости в жидкости.

    Вам может быть интересно, как насос снижает давление жидкости, если его фактическая цель — увеличить его.Ответ можно объяснить принципом Бернулли, который гласит, что жидкость теряет давление при ускорении или подъеме на большую высоту. Вода ускоряется на всасывании насоса, и ее давление на мгновение падает перед повышением.

    Формирование и схлопывание одного пузырька не вызывает серьезных проблем, но учтите, что тысячи постоянно образуются и взрываются, когда в насосе возникают серьезные проблемы с кавитацией. Комбинированные ударные волны всех этих пузырьков постепенно разрушают рабочее колесо насоса.После снятия лопасти рабочего колеса будут казаться корродированными, хотя кавитация не связана с какими-либо химическими процессами.

    Помимо эрозии рабочего колеса, кавитация имеет множество негативных последствий для бустерных насосов воды и других подобных систем:

    • Вибрация: Продолжающееся образование и схлопывание пузырьков не только изнашивает крыльчатку. Возникающие в результате ударные волны также сотрясают рабочее колесо, вызывая вибрацию всего вала, что может привести к повреждению других компонентов системы.Уплотнения и подшипники особенно уязвимы к вибрации.
    • Шум: Кавитация очень шумная из-за взрывающихся пузырьков. Для человека, находящегося рядом с пострадавшим насосом, это может звучать так, как будто вместе с водой перекачиваются маленькие камни или шарики.
    • Пониженная производительность: Кавитация представляет собой потерянную энергию, и это может отражаться в снижении расхода или давления нагнетания. Внезапное падение производительности насоса без очевидной причины может указывать на кавитацию.

    Предотвращение кавитации

    Технические характеристики для производителей насосов обычно включают значение, называемое требуемым чистым положительным напором на всасывании (NPSH) , , которое можно определить простыми словами, как минимальный напор воды, необходимый на всасывании насоса для нормальной работы. Если фактический напор выше требуемого NPSH, кавитации не происходит.

    Теоретически кавитацию можно предотвратить, увеличив давление всасывания или уменьшив скорость воды, протекающей через рабочее колесо насоса.На практике есть много способов добиться этого эффекта.

    • Снижение скорости насоса: Кавитация менее вероятна при более низких значениях частоты вращения, поэтому подкачивающий насос можно замедлить с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП), пока система продолжает соответствовать требованиям давления и расхода в Нью-Йорке. сантехнический кодекс.
    • Установите насос на нижнем уровне: Статическое давление воды выше на нижних уровнях здания, поэтому его установка на минимально возможной высоте снижает вероятность кавитации.
    • Снижение температуры: Критическое давление, при котором возникает кавитация, увеличивается с увеличением температуры жидкости. Если воду необходимо перекачивать и нагревать, убедитесь, что насос установлен перед водонагревателем.
    • Выбор правильного насоса: Многие проблемы кавитации могут быть связаны с неправильным выбором насоса, и проблема исчезает, когда используется насос, соответствующий применению.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *