СПОСОБ ГИДРОКАВИТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SURFACE HYDROCAVITATION CLEANING AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к технологии и оборудованию для очистки поверхности от всевозможных покрытий и загрязнений.
Общеизвестны способы и методы очистки поверхности: пескоструйный, гидроабразивный, гидродинамический и т.д.
Пескоструйный метод очистки основан на использовании энергии сжатого воздуха для транспортировки, разгона и удара абразивных частиц о поверхность. За счет механической работы абразивной частицы идет разрушение материала покрытий с одновременной подготовкой поверхности для нанесения новых защитных материалов (Научно-технический энциклопедический словарь http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/3471/ПЕСКОСТРУЙНАЯ).
Очень большим недостатком этого метода является большая запыленность рабочего места, превышающая параметры санитарных норм. Пыль оседает на оборудование, где есть вращающиеся узлы и детали. Подготовка производства технологически сложна, абразив должен быть просушен, просеян, хорошо упакован.
Гидроабразивный метод очистки поверхности основан на использовании энергии высокоскоростного потока воды, в который эжектируются частицы абразива (Большой энциклопедический словарь http://dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnic/2013/ГИДРОАБРАЗИВНАЯ).
Основным недостатком является большой расход воды и абразива для очистки больших площадей и заливка рабочего места отработанной водой, абразивом и продуктами удаления покрытий.
Гидродинамический метод очистки поверхности основан на использовании энергии высокоскоростной струи воды, которая за счет динамического воздействия на поверхность очищает ее от старого покрытия и загрязнений (Физическая энциклопедия http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/629/ГИДPOДИHAMИЧECKИЙ).
Основным недостатком является большой расход воды на единицу площади поверхности, заливка рабочего места отработанной водой и продуктами удаления покрытий.
Наиболее эффективным в плане очистки является кавитационное воздействие на очищаемую поверхность.
Высокоскоростной поток кавитирующей парогазовой смеси может быть получен при последовательном воздействии на воду нескольких физических факторов:
- высокое давление (≥9,0 МПа);
- виброакустические колебания высоконапорного столба воды с частотой, кратной резонансным частотам молекул воды;
- нагревание воды, находящейся под давлением, до температуры, превышающей температуру кипения в условиях внешней среды (100°С≤Т°≤120°С);
- резкое падение давления, возникающего при выходе высоконапорной струи из соплового аппарата.
Известны различные способы кавитационной очистки поверхности с помощью воды и/или пара.
Согласно изобретению по патенту РФ №2280101 очистка поверхности труб от отложений заключается в выщелачивании отложений активированной водой, при этом активацию воды проводят в роторном кавитационном аппарате в замкнутом циркуляционном контуре в присутствии 0,4-2% масс., суспензии лигносульфоната и 0,5% суспензии угля при числе оборотов ротора кавитатора 3000-6000 в минуту, числе циклов 5-25 и температуре 17-68°С.
Эффективность данного способа относительно низкая. Таким способом невозможно удалить полимерные или лакокрасочные покрытия.
В изобретении по патенту РФ №2113652 вода под давлением 30-40 МПа через форсунки и щелевые сопла подается на очищаемую поверхность, погруженную в ванну с солью. На острых кромках щелей и форсунок происходит срыв потока, возникает кавитация, поверхность очищается под воздействием скоростной струи и гидравлических ударов, возникающих при разрушении кавитационных пузырьков.
Однако необходимость погружения (или заполнения внутренних полостей) очищаемых изделий значительно сокращает область применения. Кавитация на острых кромках приводит к высоким динамическим, ударным нагрузкам на узлы установки, что приводит к их разрушению. Примером может служить разрушение гребных винтов при возникновении кавитации. Кроме того, кавитация возникает на границах струи, разрушение пузырьков происходит не на очищаемой поверхности, то есть часть энергии теряется.
В изобретении по патенту РФ №2271300 защищен способ создания кавитирующих струй жидкости для обработки погруженных в жидкость поверхностей путем нагнетания ее под давлением через канал сопла-кавитатора, при этом в канале сопла-кавитатора и/или непосредственно перед ним организуют вихревое движение струи жидкости, жидкость до входа в канал сопла-кавитатора нагревают до кипения, а до входа в канал и/или непосредственно внутри канала сопла-кавитатора ее подвергают воздействию магнитного поля.
В этом изобретении кавитация генерируется при воздействии нескольких факторов на исходный объем воды:
- высокое давление;
- нагрев до температуры кипения;
- воздействие электромагнитного поля;
- вихревое вращение потока при истечении струи.
Однако и в этом способе обрабатываемая поверхность находится под слоем воды, что вызывает потери энергии при разрушении кавитационных пузырьков, а кроме, того сужает область применения способа.
В качестве прототипа выбраны «Способ гидрокавитационной очистки поверхности и агрегат для гидрокавитационной очистки поверхности» по патенту РФ на изобретение №2421285, дата подачи заявки 29.07.2009, дата публикации 20.06.2011.
Способ состоит в том, что на очищаемую поверхность воздействуют кавитирующей струей воды. При этом самовсасывающим насосом высокого давления насыщают рабочую воду воздухом, затем эжектором дозировано создают водовоздушную смесь. Смесь сжимают насосом высокого давления и направляют в напорную магистраль и далее в подогреватель. В подогревателе смесь под высоким давлением насыщают пузырьками парогазовой фазы, нагревая до температуры, превышающей температуру кипения воды при атмосферном давлении, затем подают на очищаемую поверхность соплом. При этом в результате резкого повышения давления объем парогазовых пузырьков уменьшается со скоростью, превышающей скорость звука в воде, вплоть до схлопывания.
Агрегат для осуществления способа содержит эжектор для дозированного насыщения рабочей воды воздухом, насос высокого давления, нагреватель водовоздушной смеси и сопло для направления струи смеси на очищаемую поверхность. Для забора рабочей воды и последующей ее подачи использован самовсасывающий насос высокого давления, создающий разрежение в приемном патрубке, обеспечивающее насыщение рабочей воды воздухом за счет эжекции воздуха непосредственно в рабочую воду.
Недостатком способа-прототипа и устройства для его осуществления является решение генерирования процесса кавитации насыщением воды воздухом. Кавитационные пузырьки образуются при выделении газов и паров, находящихся в воде в связанном состоянии. При этом происходит изменение структуры, уплотнение и переориентация кластеров. Насыщение молекул воды энергией на колебательном уровне позволяет получить выброс энергии при разрушении кавитационных пузырьков. Насыщение воды воздухом препятствует возникновению процесса кавитации, дегазация воды не является кавитацией. Насосы высокого давления не могут обеспечить паспортной расход и давление воды при работе с водой, насыщенной воздухом, т.к. воздух является средой сжимаемой и упругой, вода - средой жесткой, малосжимаемой. Давление воды не будет повышаться, энергия насоса пойдет только на сжатие воздуха в смеси. При возврате мембраны насоса давление резко снижается и происходит схлопывание пузырьков, то есть преждевременная кавитация. Для насосов подсос воздуха считается аварийным режимом, вызывающим разнос оборудования и выход его из строя. Таким образом, воздействие на очищаемую поверхность струи воды, насыщенной воздухом, будет недостаточным для удаления полимерных и др. покрытий с высокой адгезией.
Устройство для осуществления способа будет энергетически расходно и ненадежно, насос не обеспечит необходимого уровня давления, клапаны насоса и др. его детали из-за кавитации будут преждевременно выходить из строя.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности очистки поверхностей любых изделий, в том числе крупногабаритных и пространственных, от загрязнений и различных покрытий, в том числе полимерных, с использованием воды и ее производных без каких-либо дополнительных очищающих компонентов: абразивов, поверхностно-активных веществ, химических соединений и др., причем очистку производить на открытом воздухе.
Указанная задача решается за счет того, что в способе гидрокавитационной очистки поверхности от загрязнений и покрытий, в том числе полимерных путем обработки поверхностей высокотемпературной скоростной кавитирующей водной струей, согласно изобретению рабочую воду в процессе повышения давления подвергают виброакустическому воздействию с частотой, кратной частотам резонансного возбуждения кластеров воды.
Давление рабочей воды составляет не менее 9,0 МПа.
Температура рабочей воды не ниже температуры кипения.
Указанная задача решается также за счет того, что устройство для гидрокавитационной очистки от загрязнений и покрытий, в том числе полимерных, включающее насос высокого давления, нагревательное устройство и сопло, согласно изобретению включает узел виброакустического воздействия с блоком частотного регулирования.
Как следует из вышеприведенной сущности заявляемых способа и устройства, струя рабочей воды, предназначенной для кавитационной очистки поверхностей, подвергается последовательному ряду физических воздействий:
- созданию высокого давления (Р≥9,0 МПа) в исходном потоке рабочей воды;
- виброакустическому воздействию на воду, находящуюся под давлением, с частотой, кратной частотам резонансного возбуждения кластеров воды;
- нагрев рабочей воды, находящейся под давлением до температуры кипения.
Технический результат, достигаемый заявляемым способом и устройством, заключается в повышении кумулятивного ударного эффекта парогазовой среды за счет повышения энергетического возбуждения исходного объема воды и насыщения кавитационных полостей парогазовой смесью.
При этом само устройство и его составные части в значительно меньшей степени подвергается нежелательному преждевременному кавитационному воздействию, основной процесс кавитации происходит в момент выхода рабочей воды из сопла.
Проведенные патентные исследования показали, что заявляемые способ и устройство соответствуют условиям патентоспособности изобретения:
В изученном уровне техники не выявлено технических решений, имеющих всю совокупность признаков, содержащихся в независимых пунктах формулы, следовательно, оба заявляемых изобретения (способ и устройство для его осуществления) обладают новизной.
Не выявлены также решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками независимых пунктов формулы, следовательно, и способ, и устройство для его осуществления соответствуют критерию «Изобретательский уровень».
Заявляемые технические решения отвечают требованию промышленной применимости.
Сущность заявляемых технических решений поясняются чертежом, где представлена схема устройства для гидрокавитационной очистки от загрязнений и покрытий, и таблицей технических параметров заявляемого устройства для кавитационной очистки.
Заявляемое устройство для кавитационной очистки включает:
- емкость 1 для воды;
- фильтр 2 грубой очистки;
- заборный шланг 3;
- насос высокого давления 4;
- узел виброакустического воздействия 5;
- блок частотного управления 6;
- шланги высокого давления 7 и 8;
- проточный нагреватель высокого давления 9;
- сопловое устройство 10.
Заявляемый способ гидрокавитационной очистки от загрязнений и покрытий включает следующие действия:
Вода из емкости для воды 1 через фильтр 2 грубой очистки подается по заборному шлангу 3 в насос высокого давления 4. При этом вода не содержит каких-либо дополнительных включений, например абразивов, ПАВ и др. Создаваемое в рабочей воде давление должно быть не менее 9,0 МПа. Под воздействием на воду высокого давления происходит уплотнение ее структуры, переориентация кластеров, уменьшение их размеров. В межкристаллическое пространство вытесняются свободные молекулы воды, газы, парогазовые включения. Происходит энергетическая накачка воды на колебательном уровне. В диапазоне температур 10-100°С происходит значительный рост вязкости, что связано с повышением плотности воды.
Далее вода под давлением подвергается виброакустическому воздействию посредством узла такого воздействия 5. При этом частота воздействия может регулироваться посредством блока частотного управления 6. В процессе регулировки устанавливается частота, кратная частотам резонансного возбуждения кластеров воды. Установлено, что частота колебательного воздействия f≤1,0 кГц. При вибрационном, акустическом воздействии на рабочую воду, в процессе сильных завихрений при ее движении вблизи твердых поверхностей и других действий, характеризующихся значительным градиентом скорости, срывом потока, возникает кавитация - образование микрополостей, парогазовых пузырьков. Возникают области повышенного и пониженного давления, происходит разрушение, схлопывание одних пузырьков, образование других. В результате возникают зоны с высокой энергией межмолекулярных связей, происходит энергетическое насыщение молекул воды.
Затем рабочая вода нагревается до температуры, равной или выше температуры кипения, в частности до температуры 100°С≤Т≤120°С. Для этого вода по шлангу высокого давления 7 подается в проточный нагреватель 7 высокого давления. При нагревании воды, находящейся под давлением, происходит дополнительное насыщение ее колебательной энергией, растет газовыделение, увеличивается количество парогазовых пузырьков. Они насыщаются парогазовой смесью. Внутри них повышается давление, размеры пузырьков растут, кратно возрастает энергия, выделяющаяся при схлопывании пузырьков. При росте давления происходит резкое возрастание гидравлического сопротивления, обусловленное касательным трением в канале, по которому перемещается вода. Касательное трение в воде, вблизи стенки пропорционально произведению вязкости на градиент скорости. Градиент скорости пропорционален корню квадратному из вязкости. Для получения высокой скорости истекающей струи при прохождении узкого канала соплового аппарата необходимо существенно снизить ее вязкость. Нагревание воды позволяет снизить указанную вязкость. При этом нагрев должен быть до температуры, превышающей температуру кипения воды при условиях внешней среды.
Подготовленная вода по шлангу высокого давления 8 подается в сопловое устройство 10.
За сопловым устройством возникает скоростная струя, разрушающая загрязнения или покрытия за счет кумулятивного эффекта, возникающего при деструкции кавитационных полостей с парогазовой смесью.
После выхода из сопла струя дробится на очищаемой поверхности с разрушением кавитационных полостей, возникновением кумулятивного удара и ударных нагрузок.
На срезе соплового устройства 10 вода имеет температуру более 100°С, скорость более 150 м/сек.
8
-4
В процессе схлопывания, разрушения пузырьков возникают ударные волны, распространяющиеся в воде, давление в них достигает 10 Па. Достаточно устойчивые кавитационные пузырьки имеют радиус порядка 10 мм. Под воздействием перепада давления стенки пузырька деформируются, прогибаются, на них возникают выступы и впадины. Разрушение пузырька происходит по впадине, в полость врывается струя воды, скорость которой достигает 170 м/сек. Возникающая отдача вызывает колебательное возбуждение окружающих молекул воды, при этом выделяется значительная энергия. Для диссоциации, разложения одной молекулы воды требуется колебательная энергия 160 кДж/моль, в результате в окружающее пространство выделяется 494 кДж/моль колебательной энергии, т.е. в три раза больше затраченной. Выделяющаяся энергия передается окружающим молекулам воды и возникает самоподдерживающаяся цепная реакция диссоциации с выделением большого количества свободной энергии, практически происходит микровзрыв молекул воды, находящихся на вершине выступа на стенке пузырьков. Этим обусловлена высокая энергия кумулятивной струи, возникающей при разрушении кавитационного пузырька.
После воздействия на препятствие и выброса энергии вода переходит в газообразное состояние и может быть легко удалена из рабочей зоны.
Таким образом, отказ от насыщения воды воздухом посредством эжектора и введение дополнительной операции - виброакустического воздействия на воду, находящуюся под давлением, позволил значительно повысить эффективность очистки. Кроме того, повышен срок службы устройства и его составных частей.
Опытная установка, построенная по предложенной схеме, показала высокую эффективность, надежность, простоту в эксплуатации. Установка смонтирована из покупных изделий высокой технической готовности. Технические параметры установки приведены в таблице 1.
В процессе испытаний металлические поверхности успешно очищались от солевых отложений, различных полимерных покрытий: ЭП-437, ХС-436, УР-11, ОС-1203, а также эпоксидно-полиуретанового покрытия «ProtegoIUR-Cating 32-60» и «UP-1000|Frucs 1000 А». Покрытие разрушалось, на поверхности следов, остатков покрытия не сохранялось.
Таблица 1
Характеристика, параметр
Обозначение
Единица измерения
Значение
Потребляемая мощность
W
кВт
4,5
Давление за насосом
МПа
22,0
Давление на срезе сопла
Р<sub>сс</sub>
МПа
17,0
Температура на срезе сопла
Т<sub>сс</sub>
°С
120
Скорость потока на срезе сопла
V<sub>cc</sub>
м/сек
170,0