БОНДАРЕНКО ИВАН ИГОРЕВИЧ

КАВИТАЦИЯ

• Введение
• Что такое кавитация?
• Методы возбуждения кавитации
• Применение кавитации
• Возможности ДонНТУ
• Литература

В процессе изучения предмета «Процессы и аппараты химических производств» студент может встретить упоминание о разрушающем воздействии кавитации на рабочие элементы машин, примером может служить расчет высоты всасывания для центробежных насосов, в уравнение которой входит параметр высоты запаса напора, необходимый для исключения кавитации (в центробежных насосах) или предотвращения отрыва поршня от жидкости вследствие сил инерции (в поршневых насосах) [1, стр. 20]. С момента упоминания об этом явлении, автор данной статьи был заинтересован, что это такое, как этого избежать, а если не получается избежать, то как возможно использовать данное явление. Оказывается, что все намного интереснее, чем, кажется на первый взгляд. К тому же, если сегодня студент желает быть более конкурентоспособным завтра, то ему необходимо владеть информацией, и теми технологиями (это касается не только производственных сфер деятельности), с которыми не знакомят в процессе обучения в учебных заведениях, в силу не всегда ясных причин.

В процессе изучения кавитационных явлений, воздействия ультразвука на различные среды, вы сможете увидеть, что данная область не имеет к настоящему времени четко выстроенной теории, что могла бы полностью описать данное явление. Тем не менее, как когда-то человечество научилось сначала использовать огонь, а уже позже смогло в определенной мере изучить и понять процессы, что способствуют его появлению, так и сейчас явление кавитации и сопутствующие ему, человечество применяет и изучает. Автор статьи не претендует на полноту изложения информации по данной теме, т.к. для этого понадобится необъятное терпение читателя и колоссальные объемы иных ресурсов. Задача данной статьи - помочь читателю «открыть дверь» в практически безграничную область применения данного явления, в первую очередь в химической технологии.

Кавитация представляет собой процесс неустойчивого изменения размеров парогазовых пузырьков при знакопеременном давлении в жидкости. Расширение пузырьков происходит при существовании в жидкости растягивающих или отрицательных давлений, а их сжатие – при положительных давлениях, превосходящих равновесное значение. Значения растягивающих давлений, при которых возможны разрыв жидкости образование новой фазы – парогазового пузырька для чистых жидкостей, - определяются силой межмолекулярных связей. Поскольку работа по образованию новой поверхности единичной площади определяется поверхностным натяжением σ , а расстояние, на которое надо раздвинуть частицы среды для разрыва межмолекулярных связей, равно приблизительно удвоенному расстоянию между соседними молекулами r, минимальное критическое растягивающее давление (1) [2, стр. 107]:

(1)

Оценка по формуле (1) дает значения давления порядка десятка тысяч атмосфер. Учет температурных флуктуаций, нарушающих однородную структуру жидкости и, следовательно, снижающих ее прочность на разрыв, согласно Зельдовичу, дает выражение (2):

(2)

где: p₀ - равновесное давление в жидкости;

p_п - давление насыщенного пара;

k – постоянная Больцмана;

vA - константа, варьируемая от 10¹⁴ до 10³⁶;

T – температура жидкости, К;

Столь широкое изменение константы мало влияет на кавитационную прочность, поскольку она входит в (2) множителем (ln vA)^0,5 . Поэтому использование значения vA= 10 ²⁵ дает неопределенность p_к, не превышающую 20%. Использование формулы (2) по сравнению с (1) на порядок снижает значение p_к, однако в реальных жидкостях экспериментальные измерения дают значения, не превышающее нескольких сотен атмосфер. Столь значительное расхождение экспериментальных и теоретических оценок критического растягивающего давления обусловлено присутствием в жидкости так называемых зародышей кавитации в виде парогазовых микро-пузырьков или твердых не смачиваемых частиц. Микро-пузырьки могут возникнуть даже после тщательной очистки и дегазации жидкости в результате воздействия частиц высоких энергий.

Для заданных давления и частоты звукового поля существуют минимальный R_к и максимальный R_p радиусы пузырьков, участвующих в кавитационном движении. Отсюда следует, что чем выше частота, тем меньших размеров должны быть зародыши кавитации и тем выше пороговое значение давления, отвечающее началу кавитации.

Кавитация представляет собой не вообще пульсацию пузырьков в поле переменных давлений, а вполне определенное нестабильное движение стенок полости, сопровождаемое характерными физическими эффектами. При неустойчивых пульсациях пузырек представляет собой как бы трансформатор энергии: в течение периода растяжения он накапливает энергию пропорционально максимальному объему или R_max³ и затем в короткий промежуток времени она превращается в кинетическую энергию движения. Парогазовая смесь адиабатически сжимается до давлений порядка тысяч атмосфер, нагреваясь до температур около тысячи кельвин. Количество газа в полости определяет тот минимальный радиус R_min, до которого сжимается полость. В зависимости от начального радиуса соотношение между максимальным и начальным радиусами меняется, причем при приближении начального радиуса R₀ к R_p пузырек вырождается в пульсирующий с небольшим изменением размеров относительно начального.

Определяющим фактором в процессах измельчения материалов в ультразвуковом поле является ультразвуковая кавитация.

Для управления интенсивностью кавитации и для разработки оптимальных технологических режимов необходим единый критерий для оценки эрозионной активности кавитации (КЭА) – н [2, стр. 299]:

(3)

где: T - период колебаний, за который кавитационный пузырек накапливает энергию, с;

τ₀ - время перехода накопленной в кавитационном пузырьке энергии в энергию ударной волны, с;

R_max - максимальный объем кавитационной полости (кавитационного пузырька), м;

R_min - минимальный объем кавитационной полости (кавитационного пузырька), к которому схлопывается последний в процессе образования ударной волны, м;

f - частота колебаний, Гц;

Данное выражение критерия эрозионной активности указывает на широкие возможности управлять ультразвуковой кавитацией, а следовательно, и эффективностью технологических процессов, протекающих в жидких средах с воздействием ультразвука. Для этой цели необходимо определить зависимость КЭА от параметров звукового поля (звукового давления, частоты колебаний), физико-химических свойств жидкости (поверхностного натяжения, вязкости, плотности, упругости пара внутри кавитационного пузырька), а также от статического давления в объеме жидкости.

Задача решается с применением ЭВМ, так как время сжатия кавитационной полости, в особенности в последней стадии ее захлопывания, достигает десятых и даже сотых долей микросекунды.

Более подробно вы можете ознакомиться с выводом КЭА и оценкой влияния на него перечисленных параметров в [2, стр. 297-306].

Для создания кавитации, как уже было сказано ранее, необходимо иметь источник колебаний.

Многообразные технические средства создания интенсивных ультразвуковых колебаний – пьезоэлектрические и магнитострикционные, гидродинамические и аэродинамические источники ультразвука позволяют реализовывать возможности кавитационных явлений. Также источниками ультразвуковых колебаний, способных порождать кавитацию являются источники монохроматических излучений, например лазеры.

Магнитострикция представляет собой деформирование тел при изменении их магнитного состояния. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферримагнитным металлам и сплавам (ферромагнетикам) и ферритам. Однако благодаря преобразованию электрической энергии в магнитную и уже потом в акустическую магнитострикционные преобразователи обладают сравнительно низким к.п.д. от 40 до 50%, а так, как большая часть теряемой энергии преобразуется в тепловую, то они также требуют водяного охлаждения.

Пьезоэлектрический эффект – образование электрической поляризации при механической деформации – и обратный пьезоэлектрический эффект – деформация кристалла при наложении разности потенциалов – присущи целому классу диэлектриков и полупроводников, причем обратный пьезоэффект является частным случаем явления электристрикции – изменения размеров тела под действием внешнего электрического поля, свойственным всем кристаллическим веществам. Для создания пьезоэлектрических преобразователей применяются титанат бария (ТБ-1), титанат бария, кальция (ТБК-3), различные цирконат-титанаты-свинца (ЦТС-8, ЦТС-10, ЦТС-19, ЦТС-23, ниобат свинца, PZT-5, PZT-8. Пьезоэлектрические преобразователи имеют более высокий к.п.д. около 80%. Следует отметить, что температура кристалла преобразователя, как магнитострикционного, так и пьезоэлектрического не должна превышать температуру Кюри, т.к. при этой температуре происходит скачкообразное изменение магнитных свойств для ферромагнетиков, и электрических для сегнетоэлектриков, что на практике приводит к безвозвратному выходу из строя аппарата. Для указанных сплавов температура Кюри находится в пределах 180-300 °C, хотя и существуют монокристаллы, такие как ниобат лития с температурой Кюри в 1210 °C [2, стр.139-156].

Примеры расчета пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей читатель может найти в [3].

Гидродинамические генераторы-излучатели служат для превращения кинетической энергии в струи в энергию упругих акустических колебаний. Генерация звука происходит в области турбулентного движения струи. По своей конструкции, определяющей принцип образования акустического излучения, гидродинамические излучатели можно разделить на определенные группы. К первой относят излучатели, в которых используется возбуждение колебаний резонирующих элементов в виде пластин, стержней или мембран набегающей струей жидкости, к таким относятся пластинчатые излучатели. В многостержневых гидродинамические излучателях струя круглого сечения вытекает из сопла, ударяется в лункообразный отражатель и веерообразно расходится, попадая на заостренные выступы стержней, закрепленных по цилиндрической образующей параллельно оси сопла, происходит возбуждение колебаний стержней, которые создают в окружающей среде достаточно мощное звуковое поле. В другой группе гидродинамических излучателей звуковое поле создается за счет пульсаций кавитационной области. К ним относятся конструкции типа излучателей Назаренко, в которых рабочими элементами служат сопло и отражатель.

Также применяются вихревые излучатели, принцип действия которых соответствует вихревым аэродинамическим свисткам, и излучатели типа свистка Левавассера. Интересные тепловые эффекты наблюдаются при применении роторно-пульсационных аппаратов, принцип действия которых аналогичен действию динамических сирен.

Более подробную информацию по расчету и применению гидродинамических преобразователей читатель может найти в [4].

Несколько слов о лазерах. Применение лазеров как источника монохроматического излучения довольно удобно использовать в исследовательских задачах, т.к. пользователь имеет возможность с достаточной точностью контролировать параметры излучения, может с легкостью манипулировать ими посредству оптических устройств. К тому же, лазеры не являются источниками вибраций, которые могли бы создать дискомфорт при их обслуживании. Однако низкий к.п.д. лазеров и их стоимость резко сужают область их применения.

Интересно заметить, что ультразвуковые излучатели вместе с растворами, способными под их воздействием изменять свою прозрачность, применяются в системах накачки лазеров для создания отражателей с переменной прозрачностью.

В процессе изучения общей химической технологии разграничиваются процессы, протекающие в кинетической и диффузионной областях. В таких процессах в зависимости от лимитирующего этапа можно наблюдать области: внешнедиффузионную, переходную от внешне- к внутридиффузионной, внутридиффузионную (в порах твердого материала), внутреннюю – переходную и кинетическую. Такие области имеют наибольшее значение для гетерогенно-каталитических процессов [5,стр. 35]. Скорость реакции в кинетической области характеризуется константой скорости химической реакции, что определяется согласно уравнению Аррениуса, и коэффициентами диффузии для диффузионной области [5, стр. 69-70]. Применение кавитации способно практически снимать диффузионные ограничения и на порядки увеличивать скорости реакций в кинетичекой области, чем , например, объясняется растворение йода при нормальных условиях в воде под воздействием кавитации, хотя без воздействия последней йод считается практически нерастворимым в воде; или ускорение процессов перемешивания, экстракции – путем увеличения поверхности взаимодействующих частиц экстрагента и экстрагируемого вещества; очистка поверхностей и т.д. С учетом возникающих давлений и температур, при захлопывании кавитационных полостей в растворах, а это давления порядка сотен атмосфер и десятков тысяч кельвинов (в зависимости от условий ведения процесса) не существует материала, способного в течение продолжительного периода противостоять воздействию данного явления, чем обуславливается применение кавитации для интенсификации гидрометаллургических процессов, процессы обработки металлов, диспергирования и гидроабразивной обработки, ультразвуковой очистки.

Кавитация образуемая, в ультразвуковом поле в жидком металле при охлаждении металла способствует уменьшению работы образования зародышей кристаллизации и уменьшению энергии активации перехода атомов из жидкой фазы в твердую фазу, что приводит к увеличению скорости зарождения центров кристаллизации и тем способствует формированию мелкозернистой структуры слитка [2, стр.263-264].

Кавитационная обработка жидкого металла, при которой успешно преодолеваются капиллярные ограничения на межфазной границе твердое тело – жидкость, предопределяет пути создания композиционных материалов по жидкофазной технологии. При формировании из жидкого металла композиций – металлическая матрица и наполнитель в виде дисперсных включений частиц и волокон – главная трудность состоит в полноценном смачивании наполнителя и его равномерном распределении по матрице [2, стр. 290]. Под воздействием ультразвуковой кавитации данный процесс протекает в три этапа: предварительный, состоящий в подготовке поверхности твердых частиц (волокон) к смачиванию, смачивание и «металлизация» поверхности частиц расплавом и распределение «металлизированных » частичек по объему расплава (отливки, слитка и др.). На первом этапе применение кавитации состоит в интенсификации процесса очистки поверхности порошков или волокон от различных пленок, мешающих смачиванию. На этапе смачивания благодаря воздействию кавитации происходит развитие поверхности наполнителя и увеличение микронеровностей на поверхности частиц и волокон, что облегчает сам процесс смачивания. На этапе распределения частиц в объеме расплава положительно сказываются радиационное давление, акустические течения, звуковое давление.

Радиационное давление (давление звука) представляет собой средние по времени напряжения, возникающие в неоднородном звуковом поле, т.е. при наличии одностороннего излучения, поглощения или рассеяния звука [2, стр. 81].

Акустические течения представляют собой стационарный, однонаправленный поток массы, образующийся как в свободных неоднородных полях в результате вязких потерь импульса волны, так и вблизи препятствий, помещенных в звуковое поле, или вблизи колеблющихся тел из-за инерционных потерь [2, стр. 93].

Более подробную информацию по возможностям применения кавитации и ультразвука читатель может почерпнуть из литературных источников приведенных в соответствующем разделе в частности в [6]. Производители ультразвукового оборудования представлены по ссылкам [7, 8, 9].

Автор считает необходимым отметить возможности Донецкого национального технического университета в рассматриваемой области, в большей мере это касается факультета экологии и химической технологии.

Кафедра «Химическая технология топлива» специализируется на подготовке специалистов технологов в области коксохимии. Однако нет принципиальных преград для внедрения направления по ультразвуковой обработке, т.к. курсы общей химической технологии и процессов и аппаратов химической технологии вычитывается в обязательном порядке, также существует довольно сильный преподавательский состав, с достаточным опытом, в области математического моделирования и проектирования.

На кафедре «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» совместно с кафедрами «Общая химия» и «Физическая и органическая химия» помимо подготовки специалистов, ведутся разработки сплавов на основе титанат-цирконат-свинца и ему подобных, что уже является достаточным условием для разработки ультразвуковых аппаратов.

Кафедра «Машины и аппараты химических производств», что входит в состав факультета инженерной механики и машиностроения, готовит инженеров-механиков для химических производств.

Таким образом, существуют отдельные компоненты, которые при наличии мотивации и четкой программы действий на базе ДонНТУ, способны обеспечить интегрированную цепочку от разработки отдельных компонентов ультразвуковых аппаратов, до технологии их применения, а также обеспечить потенциального потребителя квалифицированным персоналом.

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия. 1991. – 496 с.
2. Основы физики и техники ультразвука: Учеб. пособие для вузов/ Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский и др. – М.: Высш. шк., 1987. – 352 с.: ил.
3. В.Ф. Казанцев. Расчет ультразвуковых преобразователей для тенологических установок. Учеб. пособие для слушателей заочных курсов повышения квалификации ИТР по применению ультразвука в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1980. – 44 с.
4. Р.Ш. Муфазалов, И.Г. Арсланов, Р.Н. Гимаев, Р.К. Зарипов. Акустическая технология в нефтехимической промышленности. Казань: Изд-во «Дом печати». – 2001. 152 стр.
5. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. Спец. Вузов. В 2-х т. Т.1: Теоретические основы химической технологии/ И.П. Мухленов, А.Я. ВАвербух, Е.С. Тумаркина и др.; Под ред. И.П. Мухленова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1984. – 256., ил.
6. Ультразвук в порошковой металлургии. Б.А. Агранат, А.П. Гудович, Л.Б. Невежевенко М.: Металлургия, 1986. 168с.
7. utinlab.ru
8. melfiz-uz.narod.ru
9. u-sonic.ru