Определение режима работы и производительности кавитационного конденсатора
|
Введение 4
1 Обзор 7
1.1 Полезное применение кавитации 7
1.2 Смешивающие конденсаторы 9
2 Экспериментальная установка 21
2.1 Основное оборудование 22
2.1.1 Кавитационный участок 22
2.1.2 Насос ЛМ 65-20/25 24
2.1.3 Счетчик воды ВСХНд 100 26
2.1.4 Сепаратор воздуха и шлама СВШ-100 28
2.2 Вспомогательное оборудование 30
2.2.1 Манометр 30
2.2.2 Мановакуумметры 32
2.2.3 Нагреватель воды 33
2.2.4 Вакуумметр 34
2.2.5 Пирометр 36
2.2.6 Аппаратная часть для измерения скорости в LabVIEW 38
3 Подготовка и принцип работы экспериментальной установки 39
4 Проведение эксперимента по определению режимов работы и
производительности кавитационного конденсатора 42
Заключение 51
Список использованных источников
1 Обзор 7
1.1 Полезное применение кавитации 7
1.2 Смешивающие конденсаторы 9
2 Экспериментальная установка 21
2.1 Основное оборудование 22
2.1.1 Кавитационный участок 22
2.1.2 Насос ЛМ 65-20/25 24
2.1.3 Счетчик воды ВСХНд 100 26
2.1.4 Сепаратор воздуха и шлама СВШ-100 28
2.2 Вспомогательное оборудование 30
2.2.1 Манометр 30
2.2.2 Мановакуумметры 32
2.2.3 Нагреватель воды 33
2.2.4 Вакуумметр 34
2.2.5 Пирометр 36
2.2.6 Аппаратная часть для измерения скорости в LabVIEW 38
3 Подготовка и принцип работы экспериментальной установки 39
4 Проведение эксперимента по определению режимов работы и
производительности кавитационного конденсатора 42
Заключение 51
Список использованных источников
При движении тела в капельной жидкости с большой скоростью, в большинстве случаев, возникает кавитация. По классификации, предложенной Блейком и принятой на сипозиуме в Лондоне в 1955 г. [1], механизм возникновения кавитации трактуется или как инерционное развитие пузырьков, или как диффузия растворенного газа в ядре кавитации из текущей жидкости или из трещин, имеющихся на поверхности тела (гипотеза Корнфельда-Суворова [2, 3]).
Кавитация - это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление понижается до давления насыщенных паров. Этот процесс сопровождается образованием большого числа полостей или пузырьков, заполненных в основном парами жидкости, а также газами. В зависимости от соотношения пара и газа в пузырьках они могут быть паровыми или газовыми. Находясь в зоне пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Далее они уносятся потоком в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно вследствие конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченный кавитационный участок, заполненный движущимися пузырьками [4].
Образование кавитационного участка наиболее хорошо демонстрируется при протекании жидкости через трубу с местным сужением - сопло Вентури. Данный метод был использован при создании экспериментальной установки, представленной на рисунке 5.
Физический процесс кавитации схож с процессом закипания жидкости. Основное различие между этими процессами заключается в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.
Самым основным механизмом возникновения процесса кавитации является образование пузырьков в зонах разряжения, которые возникают за счет быстрого движения жидкости. Гидродинамическая кавитация - это явление, при котором в жидкости образуются пузырьки газа, которые затем быстро расширяются и схлопываются под действием давления. Это может привести к разрушению поверхностей и другим повреждениям оборудования, работающего с жидкостями. Однако, достаточно интенсивная кавитация может использоваться для определенных технологических процессов, таких как смешивание, очистка и усиление реакций во многих отраслях промышленности. Этот процесс может приводить к механическим повреждениям, таким как коррозия, износ и прочность материала [5].
Гидродинамическая кавитация имеет локальный воздействие и происходит только там, где есть сопутствующие условия. Исследования показали, что большую роль в возникновении пузырьков при гидродинамической кавитации играют газы, которые выделяются внутри образовывавшихся пузырьков (паровая кавитация), или как диффузия растворенного газа в ядре кавитации (газовая кавитация) из текущей жидкости или из трещин, имеющихся на поверхности тела. Эти газы носят название свободные газы и все время находятся в жидкости, и при местном снижении давления происходит интенсивное выделение газов внутри указанных пузырьков.
Также существует другой механизм возникновения кавитации - при помощи акустических волн. Акустическая кавитация - это явление, при котором высокочастотные акустические волны вызывают образование пузырьков газа в жидкости. Эти пузырьки быстро расширяются и схлопываются под воздействием различных сил, таких как давление и турбулентность, что приводит к выделению большого количества энергии. Акустическая кавитация может использоваться в медицине для диагностики и лечения различных заболеваний, таких как литотрипсия для разрушения камней в почках, а также в промышленности для очистки поверхностей, смешивания, усиления реакций и других технологических процессов.
Концентрация растворенных газов, в частности воздуха, может изменяться из-за перемещения отдельных объемов жидкости относительно друг друга или за счет диффузионных процессов переноса вещества из одних микрообъемов жидкости в другой [6]. Для того, чтобы растворить мелкие зародыши пузырьков, используются ресорберы, которые устанавливаются в кавитационные трубы [7].
Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию металлов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации.
Основные места возникновения кавитации - насосы, винты. Так как лопасти гидротурбины (в насосах) вращаются в жидкости, то возникают области низкого давления, поскольку вокруг лопастей жидкость ускоряется и следует за ними. Чем быстрее будут вращаться лопасти, тем ниже может оказаться давление между ними. Таким образом, достигается давление насыщенного пара, жидкость испаряется и образует небольшие пузыри газа. После разрушения пузырей образуется сильная ударная волна, которая приводит к шуму и повреждает лопасти.
Кавитация - это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление понижается до давления насыщенных паров. Этот процесс сопровождается образованием большого числа полостей или пузырьков, заполненных в основном парами жидкости, а также газами. В зависимости от соотношения пара и газа в пузырьках они могут быть паровыми или газовыми. Находясь в зоне пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Далее они уносятся потоком в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно вследствие конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченный кавитационный участок, заполненный движущимися пузырьками [4].
Образование кавитационного участка наиболее хорошо демонстрируется при протекании жидкости через трубу с местным сужением - сопло Вентури. Данный метод был использован при создании экспериментальной установки, представленной на рисунке 5.
Физический процесс кавитации схож с процессом закипания жидкости. Основное различие между этими процессами заключается в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.
Самым основным механизмом возникновения процесса кавитации является образование пузырьков в зонах разряжения, которые возникают за счет быстрого движения жидкости. Гидродинамическая кавитация - это явление, при котором в жидкости образуются пузырьки газа, которые затем быстро расширяются и схлопываются под действием давления. Это может привести к разрушению поверхностей и другим повреждениям оборудования, работающего с жидкостями. Однако, достаточно интенсивная кавитация может использоваться для определенных технологических процессов, таких как смешивание, очистка и усиление реакций во многих отраслях промышленности. Этот процесс может приводить к механическим повреждениям, таким как коррозия, износ и прочность материала [5].
Гидродинамическая кавитация имеет локальный воздействие и происходит только там, где есть сопутствующие условия. Исследования показали, что большую роль в возникновении пузырьков при гидродинамической кавитации играют газы, которые выделяются внутри образовывавшихся пузырьков (паровая кавитация), или как диффузия растворенного газа в ядре кавитации (газовая кавитация) из текущей жидкости или из трещин, имеющихся на поверхности тела. Эти газы носят название свободные газы и все время находятся в жидкости, и при местном снижении давления происходит интенсивное выделение газов внутри указанных пузырьков.
Также существует другой механизм возникновения кавитации - при помощи акустических волн. Акустическая кавитация - это явление, при котором высокочастотные акустические волны вызывают образование пузырьков газа в жидкости. Эти пузырьки быстро расширяются и схлопываются под воздействием различных сил, таких как давление и турбулентность, что приводит к выделению большого количества энергии. Акустическая кавитация может использоваться в медицине для диагностики и лечения различных заболеваний, таких как литотрипсия для разрушения камней в почках, а также в промышленности для очистки поверхностей, смешивания, усиления реакций и других технологических процессов.
Концентрация растворенных газов, в частности воздуха, может изменяться из-за перемещения отдельных объемов жидкости относительно друг друга или за счет диффузионных процессов переноса вещества из одних микрообъемов жидкости в другой [6]. Для того, чтобы растворить мелкие зародыши пузырьков, используются ресорберы, которые устанавливаются в кавитационные трубы [7].
Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию металлов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации.
Основные места возникновения кавитации - насосы, винты. Так как лопасти гидротурбины (в насосах) вращаются в жидкости, то возникают области низкого давления, поскольку вокруг лопастей жидкость ускоряется и следует за ними. Чем быстрее будут вращаться лопасти, тем ниже может оказаться давление между ними. Таким образом, достигается давление насыщенного пара, жидкость испаряется и образует небольшие пузыри газа. После разрушения пузырей образуется сильная ударная волна, которая приводит к шуму и повреждает лопасти.
В Выпускной квалификационной работе была исследована эффективность использования кавитационных процессов для конденсации пара.
Были рассмотрены все виды струйных конденсаторов и определено, что кавитационный конденсатор по устройству и принципу работы больше всего схож с эжекторным конденсатором.
Был рассмотрен экспериментальный стенд по изучению процесса кавитации, описано оборудование входящее в установку и обоснована установка данного оборудования в стенд.
В работе был описан принцип работы установки, это было сделано для того, чтобы показать последовательность действий для правильного проведения эксперимента, соблюдения необходимых мер безопасности и правильной эксплуатации кавитационного стенда, для того, чтобы избежать быстрого износа или выхода из строя оборудования.
Проводились эксперименты по определению производительности кавитационного конденсатора, для более точного анализа эксперименнты проводились при разной температуре в стенде. По результатам экспериментов были построены графики зависимостей.
Из анализа графиков и данных, можно сделать вывод, что кавитационные явления возможно использовать для конденсации пара. Однако параметром, ограничивающим производительность кавитационного конденсатора в проведенных экспериментах, являлась скорость пара в паропроводе. Из-за большого количества гидравлических потерь в кавитационном стенде поток воды не может достичь определенной скорости, необходимой для более эффективного процесса конденсации.
Были рассмотрены все виды струйных конденсаторов и определено, что кавитационный конденсатор по устройству и принципу работы больше всего схож с эжекторным конденсатором.
Был рассмотрен экспериментальный стенд по изучению процесса кавитации, описано оборудование входящее в установку и обоснована установка данного оборудования в стенд.
В работе был описан принцип работы установки, это было сделано для того, чтобы показать последовательность действий для правильного проведения эксперимента, соблюдения необходимых мер безопасности и правильной эксплуатации кавитационного стенда, для того, чтобы избежать быстрого износа или выхода из строя оборудования.
Проводились эксперименты по определению производительности кавитационного конденсатора, для более точного анализа эксперименнты проводились при разной температуре в стенде. По результатам экспериментов были построены графики зависимостей.
Из анализа графиков и данных, можно сделать вывод, что кавитационные явления возможно использовать для конденсации пара. Однако параметром, ограничивающим производительность кавитационного конденсатора в проведенных экспериментах, являлась скорость пара в паропроводе. Из-за большого количества гидравлических потерь в кавитационном стенде поток воды не может достичь определенной скорости, необходимой для более эффективного процесса конденсации.