Исследование процесса диспергирования жидких сред импульсным гидродинамическим способом

The technological scheme of the pneumatic conveying of bulk cereal ingredients and additives from storage sites to the mobile unit. The mathematical description of the main process steps used in pneumatic transport.

Keywords: machine technology, food, feed, feed plant, pneumatic transport.

УДК 631.171

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД ИМПУЛЬСНЫМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

А.В.Колпаков

В результате проводимых НИОКР сотрудниками отдела биотехнических систем разработаны методологии импулъсно-гидродинамического диспергирования жидкостей (вода, молоко, растительные масла) и баротермического взрывного вспучивания растительного сырья (зерна злаковых культур, семена бобовых). Доказана перспективность технологического приема - импульсный ввод энергии высоких градиентов мощности в вещество при сверхнизкой длительности импульсов. Изложены результаты выполненных этапов, запланированы новые этапы проекта на 2012-2014 г.г., перечислены перспективы применения технологий импульсного ввода энергии в отраслях экономики России. Ключевые слова: диспергирование, импульсно-гидродинамическое воздействие, кавитация, баротермическое взрывное вспучивание, жидкая среда, зерно, стенд.

Интенсификация технологических процессов деструкции многофазных сред является важнейшей задачей приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ (энергоэффективность, энергосбережение - п. 8). Основой увеличения производительности оборудования и снижения энергозатрат на проведение диспергирования является проектирование и создание эффективных технологических аппаратов с малой удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые многофазные среды.

Подобные разработки базируются на принципиально новых инженерных решениях, теоретических и экспериментальных исследованиях процессов деструкции в многофазных средах при интенсивных импульсных воздействиях.

Анализ открытых явлений и новых научных направлений в фундаментальных и прикладных науках показывает превосходство импульсного ввода энергии в обрабатываемое вещество в отличие от способов формирования сверхдавления в статическом режиме. Суть импульсного ввода энергии в вещество с целью его деструкции заключается в создании высоких градиентов мощности при сверхнизкой длительности импульсов. При этом за счет одновременного уменьшения времени воздействия и пространственной области локализации энергии в веществе достигается существенное высокое значение удельной мощности в зоне обработки. Независимо от способа практической реализации метода импульсного ввода энергии (акустический, механический, электрический, магнитный, тепловой, радиационный и химический) необходимо обеспечить соблюдение следующих условий:

1. Скорость трансформирования потенциальной энергии в системе должна превышать скорость ее аккумулирования;

2. Длительность трансформирования энергии должна быть чрезвычайно короткой, поскольку полезная мощность, выделяемая в виде импульса, обратно пропорциональна времени трансформации и прямо пропорциональна величине энергии, аккумулированной за это время;

3. Энергия в форме импульса должна выделяться одновременно в большом количестве малых локальных зон, равномерно расположенных во всем рабочем объеме аппарата.

Эффективными способами импульсного ввода энергии в вещество является акустический (гидродинамическая кавитация) и механический, в сочетании с воздействиями избыточного давления и высокой температуры (баротер-мический взрыв). В настоящее время недостаточно изучены следующие вопросы явления импульсной гидродинамической кавитации:

1) достижение энергии высокой плотности в кластерах кавитационных пузырьков, за счет инженерной оптимизации (структурно-параметрического синтеза) конструктивно-режимных параметров RPPG;

2) тепломассообменные процессы в многофазных средах, приводящие к фазовым переходам 1 и 2 рода при импульсной гидродинамической кавитации.

В связи с этим сотрудниками отдела биотехнических систем проводятся фундаментальные и прикладные исследования по инициативному проекту № 12-У-4-1032 «Исследование импульсного диспергирования многофазных сред гидродинамическим и термомеханическим способами».

Целью проекта является изучение фундаментальных закономерностей процесса диспергирования многофазных сред при импульсных гидродинамических и термомеханических воздействиях.

Ключевые задачи проекта:

- построить полные физические и математические модели процесса диспергирования многофазных сред при импульсных гидродинамических и термомеханических воздействиях;

- создать стенд для исследования фундаментальных закономерностей импульсных гидродинамических явлений SPHP в жидких многофазных средах методами оптического, тепловизионного и гидроакустического контроля;

- провести комплексные экспериментальные исследования диспергирования различных многофазных жидкостей, имеющих прикладное назначение для АПК - рапсовое масло, сырое молоко, техническая вода.

Научной новизной проекта являются:

- многоуровневое математическое моделирование процесса диспергирования многофазных сред при импульсных гидродинамических и термомеханических воздействиях;

- достижение высоких значении градиентов энергии (плотности мощности) в струйном и центробежном потоке жидких многофазных сред при схло-пывании пузырьков кластеров (создание импульсов давления с амплитудой несколько атмосфер и длительностью порядка нескольких десятков микросекунд, в отличие от аппаратов, позволяющих достигать сверхдавление только в статическом режиме).

Практической новизной исследований является определение оптимальных конструктивно-режимных параметров RPPG, работающего в режиме наибольшей степени развитости гидродинамической кавитации в рабочей камере.

Главные ожидаемые результаты:

1) Фундаментальные: установление закономерностей изменения физико-химических свойств многофазных сред, подвергнутых импульсной гидродинамической кавитации и термомеханическому воздействию.

2) Прикладные:

- увеличение сроков сохранения устойчивости (стабильности) жидких многофазных сред без применения ПАВ, эмульгаторов и экологически вредных катализаторов;

- повышение интенсивности химико-технологических процессов в жидких многофазных средах, за счет фазовых превращений;

- снижение удельных энергозатрат при импульсном воздействии на жидкие многофазные среды гидродинамическим и термомеханическим способами.

Сотрудниками отдела биотехнических систем Оренбургского научного центра успешно выполнены следующие этапы исследований:

1. Проведен анализ фундаментальных исследований явления импульсной гидродинамической кавитации в многофазных жидких средах. Дана классификация эффективных способов возбуждения кавитации. Проведено ранжирование способов возбуждения кавитации по критерию кумуляции энергии высокой плотности при схлопывании пузырьковых кластеров. Сделан вывод о наибольшей эффективности применения импульсного гидродинамического способа возбуждения кавитации в высокопроизводительных химико-технологических процессах деструкции жидких сред.

2. Проведено теоретическое обоснование процесса кавитационного диспергирования жидкой дисперсной системы в роторно-импульсных аппаратах с использованием существующих гипотез субкавитационного диспергирования (Фиалкова Е.А., Ткаченко А.Н.), теорий динамики кавитационного пузырька (Реллея-Плессета, Херринга-Флинна, Кирквуда-Бете), стохастических подходов при моделировании гомогенизации и диспергирования в аппаратах импульсного действия (Промтов М.А., Ядута А.З., Мидуков Н.П.). Уточнены аналитические зависимости динамики кавитационного пузырька (давление парогазовой смеси, размер и время схлопывания кавитационного пузырька) и коэффициентов интенсивности тепло- и массообменных процессов в центробежном течении с потенциальным ядром кавитирующей жидкости.

3. Разработан инженерный метод композиционного проектирования (прикладные расчеты) стенда для исследования импульсных гидродинамических явлений SPHP и роторно-импульсного насоса-генератора RPPG. Оптимальное проектное решение удалось достичь в два этапа. На этапе структурного синтеза определены элементы узлов формирующих агрегатную базу гидравлической схемы стенда SPHP (принципиальная схема RPPG и замкнутых коммуникаций, контрольно-измерительные приборы, высокоточное оборудование). На этапе параметрического синтеза стенд SPHP принимает облик максимально эффективного объекта (проводится оптимизация конструкции RPPG и замкнутых коммуникаций стенда SPHP).

Стенд предназначен для моделирования нелинейных гидрогазодинамических процессов в струйных и центробежных течениях многофазных жидких сред. Для создания струйных течений могут использоваться кавитаторы (сопла Вентури, гидродинамические свистки и сирены, а для центробежных течений -роторно-импульсные насосы генераторы RPPG.

Принципиальной новизной стенда в сравнении с существующими аналогами является его оснащение оптической системой контроля (волоконно-оптические датчики давления, разрежения и температуры интерференционные Фабри-Перо). Оптическая система определяет степень развития кавитации, посредством регистрации изменения рассеивания светового пучка инфракрасного диапазона от противоположной стенки внутренней поверхности кавитационной камеры. Сигнал с оптических датчиков подается на усилитель, затем в устройство контроля и обработки. Возможна визуализация на ЭВМ. Такая система оптического контроля, по сути, определяет степень развития кавитации (средний индекс кавитации). Используя результаты этой системы, можно эффективно управлять параметрами области развития кавитации.

Эффективным способом формирования технического облика RPPG является разработка опорного объекта. В качестве опорного объекта предложена новая технология периодически возбуждаемой импульсной гидродинамической кавитации с амплитудой пульсации давления несколько атмосфер и длительностью несколько десятков микросекунд.

Такой режим работы RPPG позволит устойчиво воспроизводить гидродинамическую кавитацию и схлопывание пузырьковых кластеров с высокими градиентами мощности при сверхнизкой длительности импульсов давления в рабочей камере RPPG.

В качестве технической схемы прототипа выбраны существующие разнообразные конструкции роторно-импульсных аппаратов. Их общим недостатком является невозможность создания напорного потока обрабатываемой жидкости, что приводит к энергозатратам на работу дополнительного нагнетательного насоса.

Поэтому нами разработан RPPG на базе типовых схем центробежных и вихревых насосов. Оптимизация конструктивно-режимных параметров (схема расположения и геометрические параметры RPPG, частота вращения ротора, тип и концентрация газожидкостных фаз, давление, подача, температура в камере и т.д.) позволит эффективно управлять пространственно-временными характеристиками поля гидродинамической кавитации.

Основные этапы выполняемого проекта:

I. Структурно-параметрический синтез конструкции RPPG.

Цель исследований - определение рациональных конструктивных параметров RPPG, соответствующих достижению наибольшей полезной мощности работы и диссипации энергии в критических сечениях рабочей камеры.

Ожидаемые результаты:

- Определение оптимальных конструктивных параметров RPPG, обеспечивающих достижение высокой энергии диссипации и мощности диспергирования в жидкой среде.

- Изготовление опытного образца RPPG, оформление документов подтверждающих интеллектуальную собственность.

II. Исследования гидродинамики и эжекции при центробежном течении с потенциальным ядром кавитирующей жидкости.

Цель исследований - определение эксплуатационных параметров RPPG, соответствующих режиму с наибольшей степенью развитости гидродинамической кавитации. Объект воздействия - техническая вода.

Гипотеза исследования - энергия кумуляции, выделяемая при схлопыва-нии пузырьковых кластеров в жидкости при центробежном течении зависит как от режимных условий процесса (давление и температура жидкости и газа), так и от пространственных характеристик пузырьковых кластеров (концентрация и размеры пузырьков).

Способы исследований:

Исследование динамики процесса гидродинамической кавитации в центробежном течении будет проводиться с помощью видео и фотосъемки с высокой экспозицией (1 мкс). В таком режиме сверхточной регистрации можно будет визуально наблюдать картину образования, сжатия и схлопывания (кумуляции) единичных пузырьков и кавитационных кластеров в ядре центробежного

течения. Будет регистрироваться динамика изменения размеров и концентрации кавитационных пузырьков. Объем кавитационной области пузырьковых кластеров будет регистрироваться оптической системой контроля световых пучков в инфракрасном диапазоне (интерферометр Фабри-Перо). Оптическая система излучает световые пучки инфракрасного диапазона и принимает отраженные лучи от поверхностей рабочей камеры RPPG, ротора и статора. Сигнал подается на устройство контроля и обработки. По мере развития кавитационной области (размер и концентрация парогазовых пузырьков) изменяется рассеивание светового пучка. Величина выходного тока интерферометра изменяется. Таким образом, оптическая система контроля позволяет регистрировать и эффективно регулировать интенсивность кавитационной обработки жидких многофазных сред с целью достижения требуемых физико-химических свойств.

Ожидаемые результаты:

1) Фундаментальные: установление эмпирических зависимостей энергии сообщаемой жидкости, за счет схлопывания кавитационных пузырьков, от давления и температуры жидкости и паров газа в центробежном течении.

2) Прикладные: достижение развитого режима гидродинамической кавитации, соответствующего наибольшему объему заполнения пузырьковыми кластерами рабочей камеры RPPG.

III. Исследования фазовых превращений и диспергирования в многофазных средах при импульсных воздействиях.

Цель исследований - характеризация (классификация) многофазных сред, подвергнутых гидродинамической кавитации в RPPG и баротермическому воздействию в установках импульсного (взрывного) вспучивания растительного сырья. Объекты воздействия - жидкая многофазная среда (вода техническая, рапсовое масло, молоко) и зерновое сырье.

Ожидаемые результаты:

1) Фундаментальные: установление закономерностей изменения физико-химических свойств и фракционного состава многофазных сред;

2) Прикладные:

- увеличение сроков сохранения устойчивости (стабильности) жидких многофазных сред от расслоения на дисперсные фазы;

- повышение питательной ценности и срока хранения вспученных зерен злаковых культур;

- снижение удельных энергозатрат процессов диспергирования жидких многофазных сред и баротермического вспучивания (увеличения объемной массы) зерен злаковых культур.

Перспективы применения технологий импульсного ввода энергии в отраслях пищевой промышленности и сельском хозяйстве России следующие: импульсная технология обеззараживания и дистиллирования загрязненной воды, кавитационная технология очистки поверхностей от прочных механических загрязнений, импульсная технология консервации пищевых и биологически ак-

тивных эмульсий и суспензий, импульсная технология интенсификации процессов растворения и экстрагирования продуктов микробиологического синтеза (пектин, каротин, танин и др.) из сырья растительного происхождения, технология импульсной переработки растительных масел (рапсового, подсолнечного), кавитационная технология переработки отходов растениеводства и баро-термическая технология взрывного вспучивания растительного сырья для сельскохозяйственного кормопроизводства, импульсная технология получения ор-ганоминеральных удобрений из растительных отходов, импульсная технология переработки жидких сельхозотходов, импульсная технология производства биогаза, импульсная технология обогрева помещений, импульсная технология измельчения волокнистых и сыпучих материалов, импульсная технология получения дисперсионных водотопливных систем.

Таким образом, проводимые НИОКР по исследованию импульсного диспергирования жидких сред позволят создать новые образцы технических средств и дать практические рекомендации повышающие рентабельность многих областей промышленности и сельского хозяйства России.

Колпаков Антон Васильевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Оренбургский научный центр Уральского отделения Российской академии наук Тел. (3532)77-26-19 E-mail: otbiosistem@mail.ru

As a result of research and development staff of the Department of Biotechnical Systems developed the methodology of the pulse-hydrodynamic dispersing liquid (water, milk, vegetable oils) and barotermicheskogo explosive swelling of plant raw material (grain cereals, seeds and legumes). We prove a promising technology of reception -the pulse of high energy input into the substance of power gradients for ultra-low pulses. The results of completed stages, new stages of the project is scheduled for 2012-2014 y.y., prospects of application of technology are pulse input energy industries of Russia.

Keywords: dispersion, the pulse-hydrodynamic effects, cavitation, barotermicheskoe explosive swelling, liquid medium, grain, stand.