Кавитация
Гидродинамическая кавитация — это явление образования в жидкости каверн (пустот), заполненных растворенными в ней газами и паром. Каверны возникают при обтекании жидкостью препятствия или, наоборот, при перемещении препятствия (лопатки) относительно жидкости.
Образованные каверны в жидкости распадаются на мельчайшие кавитационные пузырьки, которые при определенных условиях лопаются. При их лопании развиваются: локальное давление до 103 Па, кумулятивные струи со скоростями 700 — 800 м/с, удельная локальная энергия доходит до 10 кВт/м 3 .
Комплекс кавитационной обработки воды с широким применением.
Данный комплекс предназначен для выполнения большого круга технических и технологических задач в промышленности, а так же применение в бытовых условиях.
В процессе проведения экспериментальных работ выявились интересные эффекты, которые позволили предположить, что при возникновении кавитационных процессов в воде, вода проходит через зоны сверхкритических параметров (флюиды). Это предположение основывается на том, что в воде, после кавитационных процессов, происходит растворение жидких и твёрдых углерод-водородных соединений. Растворение мазута, дизельного топлива, битума. В обычных условиях, даже при температурном воздействии, добиться качественного смешения, без расслоения, не удаётся. Разработчики наблюдали растворение не только нефти и нефтепродуктов, но и растительных масел. Причём, процесс смешения (химической реакции) идёт очень быстро, в результате получается продукт, который по своим физическим свойствам отличается от свойств компонентов смеси.
Многие исследователи кавитации в воде, пришли к выводу, что при схлопывании кавитационных пузырьков наблюдается выброс тепловой энергии и энергии давления. При этом выделяется суммарная аномально большая энергия на локальном уровне. То есть создаются все предпосылки перехода воды через сверхкритические параметры (зона флюидов).
«Вода является уникальным для Земли и человечества растворителем по своей распространенности, экологической чистоте и практической безопасности при использовании в технологических процессах. Когда вода нагревается до критической точки (Tk = = 374C, Pk = 218 атм), она испытывает более сильные изменения, чем большинство других жидкостей. Вода превращается из полярной жидкости в практически неполярную среду. Это изменение происходит в достаточно широком температурном интервале. При 200С плотность воды падает до 0,8 г/мл, и при Tk она становится смешиваемой как с органическими растворителями, так и с газами. Скорость диффузии возрастает, а ее окисляющая способность увеличивается сильнее, чем можно было ожидать только от повышения температуры.
Уместно вспомнить, что в природе существует громадный естественный химический сверхкритический реактор. Это земные недра, в которых вода находится в сверхкритических условиях (на глубине более 50 км) и активно идут химические процессы с участием СК-воды, приводящие к синтезу минералов, — так называемые гидротермальные процессы. Технологические процессы гидротермального синтеза, то есть перекристаллизации или выращивания монокристаллов в условиях, моделирующих физико-химические процессы образования минералов в земных недрах, уже более 30 лет успешно используются в промышленности для синтеза многих соединений. В основе гидротермального синтеза лежит способность СК-воды и ее водных растворов растворять вещества, практически нерастворимые в обычных условиях: силикаты, оксиды, сульфиды, фосфиды. Гидротермальными методами в специальных автоклавах получают такие важные монокристаллы, как SiO2 , GeO2 , ZnO, AlPO4 , Al2O3 и многие другие.
Существенно, что гидротермальные процессы позволяют синтезировать крупные монокристаллы исключительно высокого качества, как это, впрочем, часто реализуется и в земных недрах.
В последние годы исследователи работают над использованием СК-воды для полного окисления органики (печь без выхлопа) — процесс, имеющий большие перспективы для разложения высокотоксичных отходов и химических отравляющих веществ. Процесс весьма эффективен, однако возникает проблема коррозии металлических материалов реакторов.
Кавитационная обработка жидкости способствует ее активации, изменяет физико-химические свойства, интенсифицирует химико-технологические процессы. После кавитационной обработки чистая питьевая вода становится «мягкой» и «лечебной», у неё происходит структурные изменения.
Экспериментальные работы показали, что при кавитационном воздействии происходит дегазация (удаление из воды растворённых газов) воды
Вода, прошедшая обработку в вихревом кавитаторе не образует отложения в каналах, и разрушает старые отложения. При кавитационной обработке жидкой среды, в ней протекают сложные физико-химические процессы.
Водородный показатель воды смещается в щелочную область. Жесткость уменьшается, т.е. происходит умягчение воды. Электропроводность снижается.
Цветность уменьшается более чем в 2 раза, вследствие распада молекул гуминовых кислот на радикалы, которые выпадают в осадок.
В результате использования эффекта кавитации практически полностью обезвреживаются в воде микробиологические примеси: бактерии, споры, вирусы. То есть происходит обеззараживание воды без применения хлорирования и озонирования. Доказана высокая эффективность бактерицидного действия гидродинамической кавитации при наименьших энергетических и экономических затратах.
Данный эффект нашел свое применение в установке обеззараживания воды в бассейнах.
Станции очистки воды бассейнов (ТУ 4859-005-03149576-2013)
Основные конкурентные преимущества:
В технологической схеме обработки воды использовано оптимальное сочетание процессов гидродинамической кавитации и УФ-излучения , что позволяет очистить воду до требований СанПИНа.
В процессе очистки воды используется принцип гидродинамической кавитации и происходящих в системе физических процессов без наличия в станции озонатора или хлоратора, что на 30% уменьшает себестоимость, а также ее энергопотребление при эксплуатации.
Массогабаритные размеры станции меньше аналогов на 50-60%.
Технологические и конструктивные решения защищены патентами РФ.
Технические характеристики:
напряжение 220В(380В), частота 50 Гц
При обработке воды в вихревом кавитаторе происходит активация молекул, атомов, ионов и перераспределение ионов в возникшем магнитном поле. В результате вода приобретает восстановительные свойства и запасает потенциальную энергию.
При решении экологических проблем загрязнения территорий, достаточно часто требуется обеззараживать всевозможные жидкие отходы деятельности человека, как в промышленности, так и бытовые. С помощью данной технологии можно обеззаразить жидкую составляющую до норм СанПина и сброса в окружающую природу, не навредив ей.
Источник
Что такое кавитация?
Термин «Кавитация» происходит от латинского — Cavitas (впадина, углубление, полость).
Данным термином принято обозначать физический процесс, протекающий при ряде условий в жидкостях, и сопровождающийся образованием и схлопыванием большого количества пузырьков (пустот, каверн).
Кавитацию можно условно разделить на два подтипа согласно происхождению: гидродинамическая и акустическая.
В свою очередь, гидродинамическая Кавитация имеет ещё два подкласса — назовем их статический и динамический.
Что собой представляет кавитация как процесс физико-химического свойства?
Воздействие кавитации ускорило осаждение солей из воды, что привело к заклиниванию рабочего колеса насоса НВВ-25.
| P (атм.) | T°C |
| 0.01 | 6.7 |
| 0.02 | 17.2 |
| 0.04 | 28.6 |
| 0.1 | 45.4 |
| 0.2 | 59.7 |
| 0.3 | 68.7 |
| 0.4 | 75.4 |
| 0.5 | 80.9 |
| 0.6 | 85.5 |
| 0.7 | 89.5 |
| 0.8 | 93 |
| 0.9 | 96.2 |
| 1 | 99.1 |
| 1.033 | 100 |
Вода в природе не является однородной и чистой средой без примесей. Все жидкости являются растворами, в которых достаточно большое количество примесей, в основном атмосферных газов. Из атмосферного воздуха в воде растворяется почти в два раза больше азота, нежели кислорода.
Так, в 1 л воды при температуре 20°С растворяется приблизительно 665 мл углекислого газа, а при 0°С — в три раза
больше, 1995 мл. При температуре 0°С в одном литре H2O может быть растворено: He — 10 мл, H2S — 4630 мл.
Повышение давления влечёт за собой увеличение растворимости газов.
Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9.Понижение давления даёт, соответственно, обратный эффект. Если оставить ёмкость с водой на ночь, на стенках образуются пузырьки газа. Ещё более наглядно и быстрее это можно увидеть в стакане с газировкой. В процессе кипячения воды мы также видим процесс образования пузырьков с газом и паром.
Кавитация (тепловая) в некотором смысле — тот же процесс кипения, вызванный не только повышением температуры
(хотя и это тоже один из факторов образования кавитации).В сочетании двух факторов, повышенной температуры и пониженного давления над жидкостью, происходит процесс кавитации, при котором жидкость переходит в газо-водяную смесь.
Откачивая вакуумным насосом воздух из стеклянной бутылки — Получаем процесс кавитационного «кипения» при комнатной температуре.
 |  |
Видеодемонстрация описанного эффекта.
Это особо критично и чаще всего встречается в насосных системах, работающих на всасывание. Рабочее колесо или винт создают во всасывающей магистрали разряжение, которое в случае недостатка жидкости на входе (заужение прохода, излишнее количество поворотов трубопровода и т.д.), создают условия для кавитационного закипания жидкости.
Очень часто клиенты обращаются с вопросом — почему нельзя всасывать жидкости с высокой температурой? Ответ лежит на поверхности – при понижении давления во всасывающем патрубке большая часть воды переходит в следующее агрегатное состояние, т. н. водно-газовую смесь (проще говоря, кавитационный кипяток), поднять который обычным насосом для воды уже нельзя в принципе.
Раствор жидкости с газом находится в обычных условиях в равновесии, т.е. давление в жидкости больше давления насыщенных паров газа, и система стабильна. В тех случаях, когда в системе нарушается данное равновесие, и происходит образование кавитационных пузырьков.
Рассмотрим случай образования Кавитации в статичной системе.
Чаще всего кавитация образуется в зоне, расположенной на напорной магистрали насоса, в случае её сужения.
Т.е. давление жидкости после сужения падает (согласно закону Бернулли), т.к. увеличиваются потери и кинетическая энергия.
Давление насыщенных паров становится больше внутреннего давления в жидкости с образованием пузырьков/каверн. После прохождения узкой части (это может быть приоткрытый затвор, местное сужение, и т. п.) скорость потока падает, давление возрастает и пузырьки газов и паров схлопываются. Причём энергия, высвобождаемая при этом, весьма и весьма велика, в результате чего (особенно если это происходит в пузырьках, находящихся на стенках) происходят микро-гидроудары, влекущие за собой повреждения стенок. При этом, если не принять мер, то процесс дойдёт и до полного разрушения стенок насосной части. Вибрация и повышенный шум в насосе и трубах — первейшие признаки кавитации.
Основные слабые места в гидросистемах — места сужения, резкого изменения скорости потока жидкости (клапаны, краны, задвижки) и рабочие колёса насосов. Более уязвимыми они становятся при увеличении шероховатости поверхности.
 | Но кавитация имеет помимо негативных последствий ещё и позитивные. Её воздействие может полировать детали, очищать трубы. Всё же чаще всего есть необходимость избежать кавитационных явлений. Способ первый, основной, но не единственный – учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы. |
Учёт кавитационного запаса насоса на стадии проектирования системы.
Для расчёта достаточного кавитационного запаса системы надо посчитать
H – максимально возможную для данных условий, для данного насоса и его производительности, высоту всасывания.
H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs,где
Hf — потери во всасывающей магистрали (м.в.ст.) в метрах водяного столба,
Hv — давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре (м),
Hs — запас надёжности, принимаемый проектировщиками – 0,5 м.в.ст.,
Pb — давление над жидкостью — в открытой системе это атмосферное давление, приблизительно равное 10,2 м.в.ст. (Pb*10.2)
Характеристика насоса NPSH (Net Positive Suction Head) означает высоту всасывания, измеренную на всасывающем входе в насос, с поправкой на давление насыщенных паров конкретной перекачиваемой жидкости,на максимальной производительности насоса.
Т.е. физический смысл формулы H= Pb*10.2 – NPSH – Hf – Hv – Hs состоит в том, чтобы на максимальных рабочих параметрах насоса разряжение в его всасывающем патрубке не превышало бы давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре, т.е. система имела бы требуемый для бескавитационной работы подпор.
Совершенно очевидны отсюда и остальные пути снижения вероятности появления кавитации:
— изменить диаметр на всасывании на больший – уменьшить потери (Hf),
— переместить насос ближе к месту забора жидкости – уменьшить потери (Hf),
— поставить более гладкую трубу, уменьшить число поворотов, задвижек, клапанов– уменьшить потери (Hf),
— понизить разряжение на всасывании изменением высоты установки насоса или использованием бустерного насосного оборудования – повысить (Pb),
— снизить температуру жидкости — уменьшить (Hv),
— уменьшить производительность насоса, снизить число оборотов – понизить (NPSH).
Все эти меры направлены на уменьшение возможности возникновения кавитации в насосе и ведут к долговременной и безопасной работе насосов.
Источник
