Экспериментальное изучение кавитационных процессов в теплоэнергетическом оборудовании
|
Введение 4
1 Обзор на проведенные исследования в области кавитации 7
1.1 Исследования кавитации в области материаловедения 7
1.2 Прогнозирование кавитационной эрозии 9
1.3 Очистка и переработка при помощи кавитации 10
1.4 Применение кавитации в сонохимии 12
1.5 Оптимизация устройств кавитации с использованием
шероховатости и изменением рабочей жидкости 13
2 Экспериментальная установка 15
2.1 Основное оборудование 16
2.1.1 Насос ЛМ65-20/25 16
2.1.2 Сепаратор воздуха и шлама СВШ-100 18
2.1.3 Счетчик воды ВСХНд 100 19
2.1.4 Кавитационный участок 21
2.2 Вспомогательное оборудование 25
2.2.1 Мановакуумметры 25
2.2.2 Манометр 26
2.2.3 Пирометр 27
2.2.4 Вакуумметр 28
2.2.5 Нагреватель воды 29
2.2.6 Аппаратная часть для измерения скорости в LabVIEW 30
3 Работа экспериментальной установки 32
4 Проведение экспериментов по изучению влияния различных
параметров на кавитационную каверну 35
4.1 Процедура снятия и обработки данных 35
4.2 Анализ зависимости образования кавитационной каверны от
различных параметров 40
Заключение 51
Список сокращений 53
Список использованных источников 54
Приложения А-Г 56-70
1 Обзор на проведенные исследования в области кавитации 7
1.1 Исследования кавитации в области материаловедения 7
1.2 Прогнозирование кавитационной эрозии 9
1.3 Очистка и переработка при помощи кавитации 10
1.4 Применение кавитации в сонохимии 12
1.5 Оптимизация устройств кавитации с использованием
шероховатости и изменением рабочей жидкости 13
2 Экспериментальная установка 15
2.1 Основное оборудование 16
2.1.1 Насос ЛМ65-20/25 16
2.1.2 Сепаратор воздуха и шлама СВШ-100 18
2.1.3 Счетчик воды ВСХНд 100 19
2.1.4 Кавитационный участок 21
2.2 Вспомогательное оборудование 25
2.2.1 Мановакуумметры 25
2.2.2 Манометр 26
2.2.3 Пирометр 27
2.2.4 Вакуумметр 28
2.2.5 Нагреватель воды 29
2.2.6 Аппаратная часть для измерения скорости в LabVIEW 30
3 Работа экспериментальной установки 32
4 Проведение экспериментов по изучению влияния различных
параметров на кавитационную каверну 35
4.1 Процедура снятия и обработки данных 35
4.2 Анализ зависимости образования кавитационной каверны от
различных параметров 40
Заключение 51
Список сокращений 53
Список использованных источников 54
Приложения А-Г 56-70
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.
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.
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.
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.
Подобные работы
- Повышение безопасности системы водоснабжения из подземных источников на Рыбинской ЛПДС
Магистерская диссертация, техносферная безопасность. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2017