XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Целью исследования является изучение методов интенсификации механических и гидромеханических процессов, направленных на увеличение производительностии аппаратов при уменьшении их габаритов и эксплуатационных расходов, а также на улучшение качества получаемых продуктов. Так как в этих процессах происходят механиҹеские перемещения, разделение и соединение твердых и жидких фаз и другие процессы, основными факторами являются силовые воздействия - акустические и, при наличии избирательных электрофизических свойств, электромагнитные. При выборе типа воздействия из определенного класса, например акустического, необходимо учитывать конкретные свойства исходных материалов и конечных продуктов процесса (структурно-механических, акустических, реологических и др.). В общем случае могут быть использованы частотные критерии и временные зависимости. Для некоторых процессов (диспергирование фаз) спектральные характеристики воздействия предопределяют вид кривой распределения дисперсной фазы. В системах со сложной колебательной структурой (пористые тела, псевдоожиженный слой) возможно возбуждение резонансов отдельных элементов. В ряде случаев существенный эффект достигается при временной или пространственной локализации энергии. Выбор подобных воздействий может быть проведен как по спектральным, так и по переходным (временным) характеристикам. Избирательные электрофизические свойства различных смесей и композиций (диэлектрические и магнитные) могут послужить основой для выбора вида электромагнитного воздействия при ускорении процессов типа разделения. В отдельных процессах эффект может достигаться при определенном сочетании воздействий.

Ключевые слова: механические процессы, гидромеханические процессы, кавитация, кавитационные каверны, ударная волна, электромагнитное воздействие, электромагнитное поле.

Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики — науки о движении жидкостей и газов. К. этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), а также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей. Движущей силой этих процессов являются гидростатическое и гидродинамическое давления или центробежная сила.

Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов. К механическим процессам относятся измельчение, транспортировка, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ. Движущей силой этих процессов являются силы механического давления или центробежная сила.

Интенсификация механических и гидромеханических процессов помогает увеличить производительность аппаратов при уменьшении их габаритов и эксплуатационных расходов.

В механических и гидромеханических процессах целенаправленно проводят разделение твердых тел и неоднородных систем, измельчение и диспергирование, смешивание и образование неоднородных систем и т.п.

Для интенсификации подобных процессов требуется активное вмешательство в движение отдельных элементов жидкостей и твердых тел. Для этого необходимо управление полями скоростей и напряжений в заданных пространственно-временных масштабах, как в элементах объема, так и на ограничивающих поверхностях.

Рассмотрим метод кавитационной технологии (акустическое воздействие) для интенсификации механических и гидромеханических процессов.

Кавитация представляет собой средство локальной концентрации энергии низкой плотности в высокую плотность энергии , связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В фазе разрежения акустической волны или за счет местного понижения давления при обтекании твердого тела, в жидкости образуются каверны (кавитационные пузырьки), которые заполняются насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения каверна захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены каверны в нее диффундирует растворенный в жидкости газ , который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию.

В момент схлопывания кавитационной каверны , давление и температура газа локально могут достичь значительных величин (по расчетным данным до 100 МПа и до 10000 К соответственно). После схлопывания каверны в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. При генерировании импульсных растягивающих напряжений в жидкости, присутствующие в ней зародыши кавитации (устойчивые паровые и газовые пузырьки малых размеров) начинают расти, образуя кавитационный кластер, форма и размеры которых определяются начальным спектром размеров кавитационных зародышей, характером прикладываемого напряжения и граничными условиями.

В кавитационную каверну могут проникать пары жидкостей, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания каверны энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной каверны.

Эрозия твердого тела (разрушение поверхности), очистка поверхностей, диспергирование, экстрагирование, эмульгирование, гомогенизация и пенообразование осуществляется, в основном, за счет двух характерных проявлений кавитации: ударных волн и кумулятивных струек, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков.

Кумулятивные струйки разрушают поверхностные слои и поверхность твердого тела за счет кинетической энергии жидкости. Мелкие частицы твердого тела, размеры которых соизмеримы с поперечным сечением кумулятивных струй, увлекаются ими и дают дополнительный вклад в процесс разрушения поверхностных слоев и самих твердых частиц, находящихся в жидкости.

В промышленности для кавитационного воздействия на жидкость используются гидродинамические, электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные и механические генераторы кавитации.

Рассмотрим работу в гидродинамических кавитаторах.

В гидродинамических кавитаторах типа ротных импульсных аппаратов, в основном, реализуется гидродинамическое и акустическое воздействие в жидкости за счет развитой турбулентности, пульсаций давления и скорости потока жидкости, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов. При вращении ротора, его каналы периодически совмещаются с каналами статора. Скорость потока жидкости в канале статора является переменной величиной. При распространении в канале статора импульса избыточного давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного давления, инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию.
В резонансных гидродинамических генераторах используется возбуждение колебаний резонирующих элементов в виде пластин, стержней или мембран набегающей струей жидкости. Колебания резонирующих элементов создают акустическое поле излучателя. Наиболее распространенной модификацией таких излучателей являются пластинчатые излучатели с консольным или двухточечным креплением вибрирующей пластины. Струя, вытекающая с большой скоростью из конусно-цилиндрического или щелевого сопла, попадает на пластину с клиновидным краем. При этом происходит срыв струи, и возникают вихревые пульсации и кавитация.

Генератор гидродинамических колебаний содержит корпус, в котором выполнены входное сопло, торообразная кавитационная камера, выходное сопло, а также проточка, в которой размещен элемент вторичной кавитации, выполненный в виде кольца. В корпусе выполнены отверстия для подсоса воздуха (газа) или жидкости, или и того и другого одновременно.

Устройство работает следующим образом. Поток рабочей жидкости, нагнетаемой насосом под давлением, подается в сопло. Часть потока попадает в тороидальную кавитационную камеру, оставшаяся часть выходит через сопло. В полости, образованной стенкой кольца и стенкой проточки, формируется область пониженного давления, в которую через отверстия всасывается воздух (газ) или другая жидкость или и то и другое одновременно. Увеличение количества жидкости, попадающей в кавитационную камеру, из-за смещения оси входного сопла приводит к косоструйности внутри камеры, что увеличивает длину контакта транзитной струи с водоворотными областями, увеличивая силу трения, закручивающую жидкость в полости генератора, и, как следствие, приводит к снижению числа кавитации.

Выполнение генератора гидродинамических колебаний в указанном виде приводит к увеличению интенсивности колебаний, тем самым интенсифицируя технологический процесс за счет увеличения доли потока рабочей жидкости, участвующей во вращательном движении в кавитационной камере.

Теперь перейдем к рассмотрению электромагнитного воздействия как к способу интенсификации механических и гидромеханических процессов.

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты.

Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, но являются при этом двумя аспектами одного и того же явления. Где бы ни двигалось электричество, возникают оба поля – как электрическое, так и магнитное. Следует различать эти поля в рабочей среде, поскольку механизмы их воздействия различны, и для каждого из этих полей установлены различные предельные нормы.

В отличие от статического электрического или магнитного поля, большинство возникающих в рабочей среде электромагнитных полей меняется во времени (совершают несколько колебаний в секунду).

В общем случае, меняющиеся во времени электромагнитные поля классифицируются на три зоны:

1.низкочастотные,

2.среднечастотные

3.высокочастотные.

В основе направления передачи энергии электромагнитного поля к обрабатываемой среде лежит использование промежуточных элементов, приводимых в движение полем. Такими элементами служат проводники с током или ферромагнитные элементы.

Различают электромагнитные аппараты с дисперсным рабочим органом– вихревым слоем или с магнитными мелющими телами и со сплошным рабочим органом — с пластинчатым вибровозбудителем.

Электромагнитные аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц были предложены в 1967г. Д. Д. Логвиненко и О. П. Беляковым. В дальнейшем аппараты этого класса нашли свое развитие в работах многих исследователей. В аппаратах вихревого слоя происходят сложные взаимодействия между ферромагнитными частицами, приводимыми в движение вращающимся магнитным полем, жидкостью и обрабатываемым материалом. Это приводит к ускорению процессов перемешивания и измельчения; кроме того, эти аппараты могут использоваться как реакторы. Эффект измельчения определяется характером движения ферромагнитных элементов в рабочей камере аппарата. Измельчение частиц обеспечивается как свободным соударением частиц с ферромагнитными элементами, так и в результате стесненного соударения между двумя элементами или элементом и корпусом. Скорость измельчения существенно зависит от соотношения длины ферромагнитных элементов к их диаметру и, по данным работы, для измельчения частиц никеля, оксида магния и кварцевого песка в воде имеет максимум Va-10-15. Удельная мощность, вводимая в вихревой слой, составляет 103 кВт/м, что на несколько порядков выше, чем в вибромельницах. Типичные характеристики аппаратов таковы: производительность 15-40 м/ч, диаметр рабочей зоны 70- 128 мм, потребляемая мощность 1,6-5 кВт. Одним из недостатков рассматриваемых аппаратов является износ стенок внутренней камеры за 200- 1000 ч работы, измельчение и унос ферромагнитных элементов, загрязнение продукта и его перегрев около стенок, низкий соs ф индуктора.

В аппаратах с магнитными мелющими телами, предложенными в 1965 г. в США и получившими дальнейшее развитие в работах В. А. Аб- росимова и д., в качестве рабочих элементов используются постоян- ные твердые магниты (магнитотвердые тела). В отличие от магнито- мягких элементов магнитотвердые элементы во вращающемся поле при определенных условиях приходят в синхронное вращение вокруг своих осей. Материалом мелющих тел служат сплавы типа ЮНДК и феррит бария; тела имеют сферическую форму с диаметром от 2 до 16 мм. При двухполюсном вращающемся магнитном поле индуктора, питаемого от промышленной электросети с частотой 50 Гц, частота вращения тел составляет 3000 об/мин. Характеристики типичного аппарата таковы: объем рабочей камеры до 100 л, производительность до 1000 кг/ч по оксиду алюминия (Al-0;). В отличие от аппаратов с вихревым слоем в, аппаратах с пластинчатым вибратором ферромагнитные упругие стержни (пластины) размещены вдоль оси индуктора и закреплены на концах. Вращающееся магнитное поле придает пластинам крутильные колебания, воздействующие на обрабатываемые среды. Таким образом в этих устройствах устраняются унос частиц и загрязнение продукта.

Рассмотренные устройства, основанные на взаимодействии вращающегося магнитного поля с ферромагнитными телами, в зависимости от геометрических размеров тел могут рассматриваться как аппараты со своеобразными магнитными суспензиями (малые размеры) или как экранированные электродвигатели (большие размеры). Общими недостатками этих устройств являются низкий соs ф, следовательно, необходимость его компенсации с помощью батарей конденсаторов.

При системном анализе процессы измельчения- смешения сыпучих материалов определяются как процессы взаимодействия ансамбля измельчаемых и смешиваемых частиц различного сорта и различных размеров с несущей средой и между собой при наличии внешних воздействий на двух уровнях иерархии. На локальном (микро) уровне действуют внешние поверхностные и массовые силы и силы взаимодействия между несущей фазой и частицами (силы Архимеда, Стокса, Жуковского и Магнуса). При определенных свойствах обрабатываемых веществ и несущей среды возможны дополнительные электромагнитные силы. В результате этого в системе происходит перенос массы, импульса, энергии и заряда. Внешняя механическая энергия или энергия другого вида, превракценная в нее внутри системы, расходуется на работу против сил молекулярного сцепления и электростатического взаимодействия, преодоление сил взаимодействия внутри частицы, на накопление упругих деформаций, переходящих в пластические и во внутреннюю энергию. Частично энергия упругих деформаций создает в системе дефекты, микронапряжения и микротрещины.

В заключение можно сказать, что в общем случае интенсификация механических и гидромеханических процессов связана с задачей создания управляемых течений в многофазных гетерогенных системах и динамических полей напряжения в твердых телах. В частности, такие задачи могут решаться специальными приемами генерации вихрей, колебаний потоков, дислокаций и тому подобных структур с необходимой интенсивностью и распределение в пространстве и времени, с чем хорошо справляются действующие на них акустические и электромагнитные поля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. – М.: Химия, 1990. – 208 с.

2. Федоткин. П.М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности. Ч. 2. – Киев: ОКО, 2000. – 898 с.

3. Промтов М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов. // Вестник ТГТУ. 2008. Том 14, №. 4.-с. 861 -869.

4. Айнштейн В. Г. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс [Электронный ресурс] : в 2 кн. / В. Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носов [и др.] ; Под ред. В. Г. Айнштейна. - 5-е изд. (эл.). - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 1758 с.

Код для цитирования: Скопировать