Тема: Экспериментальное изучение кавитационных процессов в теплоэнергетическом оборудовании

Разработка новых технологий, в частности, в сфере гидродинамики, а именно уменьшения кавитационной эрозии или использования кавитации, в качестве полезного инструмента, в технологических процессах, к примеру в таких как обеззараживание воды, производства топлива и т.д. Из этого следует, что проблема является актуальной для обеспечения стабильной и долговечной работы теплоэнергетического оборудования, а также в разработке новых технологий для полезного использования кавитационных процессов.
Гидродинамическая кавитация (ГК) - это физический процесс, который способствует образованию пузырьков (пустот) в жидкой среде, с дальнейшем их схлопыванием и освобождением большого количества энергии, сопровождающейся шумом и гидравлическими ударами. Кавитационные пузырьки по большей части имеют в составе разреженный пар. ГК возникает из- за местного понижения давления в жидкости, потому что увеличивается скорость жидкости (примерно 30 м/с и выше), либо жидкость проходит акустическую волну высокой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), а также причиной может являться внешние физические воздействия, такие как перемещение кавитационного пузырька с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия. Когда пузырек схлопывается, он излучает ударную волну.
ГК имеет локальный воздействие и происходит только там, где есть сопутствующие условия. Исследования показали, что большую роль в возникновении пузырьков при ГК 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 (СГ) и все время находятся в жидкости, и при местном снижении давления происходит интенсивное выделение газов внутри указанных пузырьков.
Места нарушения сплошности жидкости должны быть связаны прежде всего с наличием в жидкости так называемых кавитационных зародышей - неоднородности (твердые включения и газы) в жидкости. Общее газосодержание жидкости, как правило, определяется количеством растворенного и СГ, именно СГ нарушает однородность структуры жидкости, также способствует уменьшению сопротивления растягивающим напряжениям, т. е. разрыву потока.
СГ, который находится в мельчайших пустотах внутри жидкости - микропузырьках, можно сказать образует своеобразный стабильно существующий пузырьковый ансамбль. Как правило, общее количество такого газа очень мало и поэтому может не занимать важное положение даже в таких жидкостных процессах, где фактор нарушения сплошности среды, как будто, должен быть на первом месте. Согласно, существующим оценкам доля СГ в отстоявшейся воде составляет менее 10-10 [1]. Также доказано, что фактическое относительное свободное газосодержание воды намного выше [2-4]. Даже в долго отстоявшейся дистиллированной воде при равновесных условиях оно может превышать 10-6, а для отстоявшейся водопроводной воды при тех же условиях может быть на порядок выше, т.е. более 10-5. 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 [5]. Для обеспечения абсолютного отсутствия воздуха в стенде является основной, а также сложной задачей, таким образом большинство исследователей опираются на методы, которые предполагают его наличие [6]. Для того, чтобы растворить мелкие зародыши пузырьков, используются ресорберы, которые устанавливаются в кавитационные трубы [7], однако отдельные исследования [8] замечают отрицательную роль ресорберов, связанную с сохранением пузырьков крупного размера, которые нежелательны с учетом ложной кавитации.
Под воздействием переменного местного давления в жидкости, пузырьки могут быстро сжиматься и расширяться, из-за этого температура газа внутри пузырьков изменяется в широких пределах, и может принимать значения в несколько сот градусов по Цельсию. Имеются расчётные данные, которые показывают, что температура внутри пузырьков может достигать 1000-1500°C [9]. Следует также принять в расчет, что в растворённых в жидкости газах имеется больше кислорода в процентном отношении, по сравнению с воздухом, и из-за этого газы в пузырьках при ГК химически более агрессивны, чем атмосферный воздух - вызывают в итоге окисление (вступление в реакцию) в большом количестве инертных материалов.
Несмотря на определенные успехи в области гидродинамики высоких скоростей для различных сфер исследований, из-за сложных физических процессов, которые происходят при кавитации, методика действия последней трудно поддается теоретическому изучению. Как вариант для повышения эффективности процессов, с которыми связаны кавитационные течения, это является разработка, построение и развитие экспериментальной техники для проведения модельных и натурных исследований с учетом масштабного эффекта.

Купить

В выпускной квалификационной работе было исследовано поведение кавитационной каверны от различных параметров, а именно от температуры и скорости на входе в кавитационный участок.
Был рассмотрен экспериментальный стенд по изучению кавитации, также было описано оборудование входящие в установку и его обоснованность для внедрения его в экспериментальный стенд.
В работе была описана, работа установки, это было сделано для того, чтобы показать правильную последовательность проведения эксперимента, соблюдения мер безопасности при работе на установке и как правильно эксплуатировать установку, для избегания быстрого износа и выхода из строя основного и вспомогательного оборудования.
Также была проведена разработка программного обеспечения по измерению скорости набегающего потока в системе, при помощи среды разработки и платформа для выполнения программ LabVIEW, для измерения скорости набегающего потока в системе. В свою очередь, это помогло оптимизировать и получить инструмент для более точного снятия данных с установки.
Было обращено внимание на процедуру снятия данных и их обработку. Были приведены формулы и этапы расчета. Снятые и расчетные данные были приведены в таблицах.
Проводились эксперименты по определению параметров от которых, изменяется длина каверны, было выполнено ряд экспериментов, при условиях, что давление на входе в кавитационный участок поддерживается постоянным (p=const) и не поддерживается постоянным, задается в начале эксперимента и не регулируется в дальнейшем (p-const). По результатам экспериментов был проведен анализ графиков зависимостей.
Из анализа графиков и данных, можно сделать вывод, что ростом температуры в установки, скорости и давления кавитационная каверна растет в длине, для избегания образования кавитационных процессов в теплоэнергетическом оборудовании следует, придерживаться ряда опытных рекомендаций, а именно:
- поддержание определенной режимной температуры и давления в теплоэнергетическом оборудовании, избегать резких перепадов этих параметров;
- избегание внутри теплоэнергетического оборудования шероховатостей на пути высокоскоростного набегающего потока воды;
- стараться избегать резкого сужения труб по ходу движения набегающего потока в теплоэнергетическом оборудовании;
- проводить оптимизацию и автоматизацию, это нужно для быстрого выявления изменения параметров в теплоэнергетическом оборудовании и быстрого регулирования этих параметров без участия человека.
Купить