Dziś jest środa, 23 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8408 +0.26% 1EUR 4.2792 +0.04% 1GBP 4.97 -0.02%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
3 wrzesień 2012.

Możliwość oceny liczby kawitacji w procesach kawitacji hydrodynamicznej z uwzględnieniem wpływu geometrii wzbudnika kawitacji

Możliwość oceny liczby kawitacji w procesach kawitacji hydrodynamicznej z uwzględnieniem wpływu geometrii wzbudnika kawitacji

W artykule omówiono problematykę określenia wielkości liczby kawitacji w strefie skwitowanej cieczy w funkcji ciśnienia zasilania oraz długości strefy kawitacji z uwzględnieniem wpływu kształtu wzbudnika kawitacji. Badania przeprowadzono na opisanym stanowisku doświadczalnym z wykorzystanymi do rejestracji manometrami piezoelektrycznymi i wykonanymi torami pomiarowymi współpracującymi z komputerowym systemem zbierania i przetwarzania danych. W pracy podano przykłady zmian ciśnienia i temperatury po stronie rozprężnej kawitatora, a także zmian ciśnienia w funkcji odległości od miejsca powstawania kawitacji. Omówiono także możliwości oceny pulsacji ciśnienia w funkcji odległości od wzbudnika. Opracowana metodyka badań umożliwia analizę wpływu konstrukcji wzbudnika kawitacji hydrodynamicznej na długość strefy skwitowanej cieczy oraz określenia lokalnych oscylacji ciśnienia kawitacji.

1. Wprowadzenie

Nazwa kawitacja - używana w fizyce i technice wywodzi się od łacińskiego słowa cavitas (pustka, jama). Pierwszą poprawną analizę tego zjawiska przedstawił w 1894 r. Reynolds. Mianem kawitacji określa się szczególne zjawisko jakie pojawia się w cieczy pod wpływem zmieniającego się w czasie i przestrzeni pola jej ciśnienia. Zmiany te związane są z rozprężaniem się cieczy do poziomu ciśnienia krytycznego, przy którym w cieczy pojawiają się przestrzenie nasycone parą mokrą cieczy, a także gazami w niej rozpuszczonymi i następnie na gwałtownym sprężaniu do poziomu ciśnienia przy którym mają miejsce implozje w przestrzeniach wypełnionych parą i gazami.
W gazach zjawiska kawitacji nie obserwuje się, co jest wynikiem przede wszystkim braku napięcia powierzchniowego, a także innymi cechami gazowego stanu skupienia. Ciecze natomiast nawet przy izotermicznym obniżaniu ciśnienia do poziomu ciśnienia nasycenia, przechodzą w stan pary, przy czym zjawisko to jest nieciągłe w przestrzeni cieczy a para uwalniana jest w postaci kulistych bąbli z całej objętości.
Tak więc w skawitowanej cieczy tworzą się pęcherzyki lub tzw. kawerny kawitacyjne, wypełnione parami cieczy i rozpuszczonymi w niej gazami. W obszarach podwyższonego ciśnienia, powyżej wartości krytycznej, pęcherzyki gwałtownie implodują co wywołuje w mikroobszarach implozyjnych uderzeniowy, gwałtowny wzrost ciśnienia. Stąd kawitacja narusza warunek ciągłości substancji w przestrzeni gdyż tworzą się miejsca, wypełnione nie samą cieczą, lecz także parą mokrą i gazami w niej rozpuszczonymi. Jeżeli ciśnienie cieczy jest niższe od ciśnienia pary nasyconej pęcherzyki zwiększają swoją objętość, co powoduje powstanie większych obszarów skawitowanej cieczy.

Przyczyny powstania zjawiska kawitacji mogą być różne (rys. 1), najczęściej jednak pojawiają się one w charakterystycznych procesach jakim poddawane są ciecze, a mianowicie:
1) W procesach hydrodynamicznych - kawitacja powstaje w przepływającej cieczy podczas spadku ciśnienia statycznego, wywołanego warunkami przepływu lub oddziaływaniami zewnętrznymi. Często pojawia się w przewężeniach kanałów przepływowych oraz w miejscach zakrzywienia przepływów a także wskutek ruchu ciał stałych w cieczach np. śruby okrętowe. Tak więc kawitacja tego rodzaju pojawia się jako skutek lokalnego przewężenia linii prądu przemieszczającej się cieczy lub oderwania strug od powierzchni opływowych ciał.
2) W procesach z udziałem ultradźwięków, kawitację w tych przypadkach wywołują pulsacje wewnątrz cieczy spowodowane rozprzestrzenianiem się fal akustycznych powstających pod wpływem uderzeń, drgań ścianek ograniczających ciecz lub drgań ciał zanurzonych w cieczy. Rozrywanie ciągłości cieczy i powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych następuje w czasie półokresów rozprężania, a ich zanikanie w czasie półokresów sprężania skawitowanego medium.
3) W procesach dostarczania znacznych porcji energii do niewielkich obszarów wewnątrz cieczy np. poprzez wiązkę laserową lub strumień cząstek ciężkich - np. protonów. Sposoby te wywołują lokalne zwiększanie energii wewnętrznej cieczy aż do granicy, przy której ciecz przechodzi w stan pary a także uwalniają się gazy w niej zawarte. Efektem tego jest powstanie pęcherzy pary i gazów podobnie jak w przypadku kawitacji hydrodynamicznej.


Rys. 1. Główne przyczyny wywołujące zjawisko kawitacji w cieczach

W przypadku kawitacji hydrodynamicznej oraz aku-stycznej pęcherzyki kawitacyjne pojawiają się w cieczy w rezultacie lokalnych rozerwań ciągłego ośrodka pod wpływem dużych sił rozciągających, które powstają w wyniku lokalnych nagłych obniżeń ciśnienia, jakie mogą zachodzić albo w procesach hydrodynamicznych, albo też w polu ultradźwiękowym o dużym natężeniu (20 kHz÷ 1 MHz).
Pojawienie się kawitacji optycznej oraz cząsteczko-wej jest konsekwencją lokalnego dostarczenia energii, którego źródłem może być na przykład silna wiązka lase-rowa powodująca elektrostrykcję ośrodka i powstanie lokalnych ciśnień (Śliwiński 2001, Elpiner, 1968). Ten sposób generowania kawitacji daje możliwość precyzyjnej kontroli parametrów zjawiska, takich jak rozmiar pęcherzyka oraz jego lokalizacja w cieczy. Ze względu na wysokie koszty eksploatacyjne procesu zarówno kawitacja optyczna jak i cząsteczkowa nie znalazły zastosowania praktycznego na szerszą skalę, stanowią jedynie przedmiot badań laboratoryjnych (Margulis, 2004, Piotrowska, 1968, Hoffman, 1996).

2. Liczba kawitacji

Analizując zjawisko kawitacji powinno się określić parametr lub liczbę kryterialną, pozwalającą na ilościową ocenę przepływu w dwu aspektach:
- parametr, który przyjmuje jednakową wartość przy dowolnych i podobnych dynamicznie warunkach kawitacji,
- parametr określający warunki przepływu bezkawi-tacyjnego oraz warunki powstawania, zanikania lub rozwoju poszczególnych stadiów kawitacji.
Jako parametr charakteryzujący zjawisko kawitacji można przyjąć współczynnik kawitacji K, zwany też liczbą kawitacji K.

gdzie: p1 - ciśnienie statyczne w przepływie niezakłóconym [Pa], pn - prężność pary [Pa], p - gęstość cieczy [kg/m3], w1 - prędkość cieczy w przepływie niezakłóconym [m/s]

3. Stanowisko badawcze i wyniki przeprowadzonych badań

Schemat układu stanowiska wykorzystywanego do badań procesu kawitacji hydrodynamicznej w warunkach laboratoryjnych przedstawia rys. 2. Reaktor kawitacyjny (1), połączony jest przewodami cieczowymi ze zbiornikiem (3) i pompą wirową typu Wilo (2). W układzie przewodów zainstalowane są zawory: Z1 - zawór odcinający dopływ cieczy do kawitatora, Z2 - zawór odcinający od-pływ roztworu badawczego z reaktora do zbiornika, Z3 - zawór regulacyjny. Stanowisko wyposażone jest w układ pomiarowy, w skład którego wchodzą: manometry piezoelektryczne PR-35X firmy Keller (6.1 oraz 6.2) o rozdzielczości 1 mbar, połączone torami pomiarowymi z komputerowym systemem zbierania i przetwarzania danych pomiarowych oraz przepływomierz elektromagnetyczny typ M1500AA firmy Badger Meter Inc. o rozdzielczości 0.05 dm3.min-1, połączony również torem pomiarowym z systemem komputerowym. Pomiary temperatury w trakcie procesu kawitacji mierzone były z wykorzystaniem czujników piezoelektrycznych typu PR-35X.


Rys. 2. Schemat stanowiska badawczo-pomiarowego procesu generowania kawitacji hydrodynamicznej, 1 - reaktor hydrokawitacyjny, 2 - pompa wirowa, 3- zbiornik cyrkulacyjny, 4 -wymienne tarcze z otworkami (wzbudniki kawitacji), 5 - komputerowy system zbierania i przetwarzania danych pomiarowych, 6.1 i 6.2 - czujniki piezoelektryczne firmy Keller, 7 - przepływomierz elektromagnetyczny, Z1, Z2 - zawory odcinające, Z3 - zawór regulacyjny, 8 - manometr sprężynowy, 9 - termometr, 10 - dozownik badanej substancji

Modelowy roztwór związków poddawany procesowi kawitacji kierowany był za pomocą pompy (2) ze zbiornika (3) o pojemności 30 dm3 do reaktora kawitacyjnego (1), a następnie był ponownie zawracany do zbiornika (3). Układ zasilania kawitatora cieczą o podwyższonym ciśnieniu wraz z układem pomiaru natężenia przepływu cieczy przepływomierzem elektromagnetycznym przedstawia rys. 3.


Rys. 3. Doświadczalny kawitator na stanowisku laboratoryjnym

Dla analizy procesu kawitacji wykorzystano trzy różne geometrycznie wzbudniki kawitacji w postaci tarcz różnią-cych się pomiędzy sobą ilością, rozmieszczeniem oraz kształtem otworów, a mianowicie tarczę z jednym otwo-rem walcowym położonym w osi tarczy o średnicy 3 mm (tarcza nr 1), tarczę z czterema otworami o przekroju prostokąta (1mm x 5mm) rozłożonymi równomiernie po obwodzie tarczy (tarcza nr 2) oraz tarczę z pięcioma otworami walcowymi o średnicy 1 mm każdy rozłożonymi równomiernie po obwodzie i w osi tarczy (tarcza nr 3). Uzyskane charakterystyczne dane zmian ciśnienia jako przykład oddziaływania określonej geometrii wzbudnika na intensywność prowadzonego procesu podano dla tarczy nr 3 ( 5 x Ø1mm).

3.1. Zmiany ciśnienia w strefie kawitacji

W trakcie badań procesu kawitacji rejestrowane były z wykorzystaniem manometru piezoelektrycznego typ PR-35X firmy Keller zmiany ciśnienia po stronie rozprężnej reaktora. Przykładowe zmiany ciśnienia w strefie kawitacji w odległości 45 mm od wzbudnika kawitacji w zależności od ciśnienia zasilania dla tarczy nr 3 przedstawiono na rys. 4.
W pierwszych 7-8 min następuje wzrost pulsacji a następnie stabilizuje się i zanikają różnice dla badanych ciśnień zasilania. Wzrost pulsacji w pierwszym okresie procesu kawitacji spowodowany jest głównie tym, że czas cyrkulacji wynosi ok. 5 min i w tym czasie następuje dalsze rozpuszczanie cząsteczek gazu podczas cyrkulacji, które są zarodnikami kawitacji. Wzrost ciśnienia zasilania kawitatora wpływa na wzrost pulsacji ciśnienia w strefie kawitacji.


Rys.4. Zmiany ciśnienia w strefie kawitacji w trakcie trwania okresu kawitacji dla tarczy nr 3

Zmiany pulsacji ciśnienia w obszarze kawitacji, w krótkich interwałach czasu przedstawia rys. 5. Amplituda ciśnień zmienia się w granicach 0-15%. Wpływa ona głównie na efekt i intensywność szumu kawitacyjnego.


Rys.5. Pulsacja ciśnienia w odległości ok. 45 mm od wzbudnika kawitacji|

Przykładowe zmiany ciśnienia i temperatury po stronie rozprężnej kawitatora w funkcji ciśnienia zasilania w odległości 40 cm od kryzy przedstawiono na rys. 6 w zależności od ciśnienia zasilającego kawitator


Rys.6. Zmiany ciśnienia w strefie kawitacji i temperatury skawitowanej cieczy przy ciśnieniu zasilania: a) 6 bar, b) 7 bar, c) 8 bar, d) 9 bar, tarcza nr 3

Dla określenia zasięgu oddziaływania strefy kawitacji w trakcie badań wydłużono konstrukcyjnie część rozprężną reaktora hydrokawitacyjnego do 1 m. Na długości tej rozmieszczono piezoelektryczne czujniki ciśnienia typu Keller. Przykładowe zmiany ciśnienia po stronie rozpręż-nej kawitatora dla ciśnienia zasilającego p= 7 bar i tarczy nr 3 (5 x Ø1 mm) przedstawia rys. 7.


Rys. 7. Zmiany ciśnienia po stronie rozprężnej kawitatora w funkcji odległości od kryzy kawitacyjnej dla tarczy nr 3 i ciśnienia zasilania

4. Zakończenie

Omówiony w pracy problem oceny zjawiska kawitacji związany jest z opisem zaprojektowanego stanowiska badawczego procesu kawitacji hydrodynamicznej. Umoż-liwia ono ocenę m.in. wpływu geometrii wzbudnika kawitacji na przebieg prowadzonego procesu. Problematyka dotyczy konstrukcji wzbudnika wykonanego w postaci tarcz różniących się pomiędzy sobą ilością, rozmieszczeniem oraz kształtem otworów. Przykład podany w artykule dotyczy uzyskanych danych zmian ciśnienia w strefie rozprężnej reaktora kawitacyjnego dla racjonalnie dobranej konstrukcji wzbudnika, tj. tarczy z pięcioma otworami walcowymi o średnicy 1 mm każdy rozłożonymi równo-miernie po obwodzie i w osi tarczy. Uzyskane dane zmian ciśnienia pozwalają oceniać zachodzący proces kawitacji hydrodynamicznej poprzez określone zmiany wielkości charakterystycznej jaką jest liczba kawitacji K.

Bibliografia

1. Arrojo S., Benito Y., A theoretical study of hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15, 203 - 211.
2. Bagieński J., Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 1998, Poznań
3. Braeutigam P., Franke M., Wu Z.L., Ondruschka B., Role of different parameters in the optimization of hydrodynamic cavitation. Chem. Eng. Technol., 2010, 33(6), 932-940.
4. Cai J., Huai X., Li X., Dynamic behaviors of cavitation buble for the steady cavitating flow,.Journal of Thermal Science, 18, 2009, 338-344.
5. Franc J.P., Michel J.M., Fundamentals of cavitation, Kluwer Academic Publishers, 2004, Dordrecht.
6. Gogate P.R., Cavitational reactors for process intensification of chemical processing applications: A critical review. Chemical Engineering and Processing, 47, 2008, 515-527.
7. Jyoti K., Pandit A., Effect of cavitation on chemical disinfection efficiency. Water Research, 38, 2004, 2249-2258.
8. Litwinienko A., Nekroz A., Łukasik K., Technologiczne zastosowanie kawitacji hydrodynamicznej - doświadczenia i perspektywy. Lubelskie Towarzystwo Naukowe, 2005, Lublin.
9. Ozonek J., Odrzywolski A., Depta M., Kujawska J., Degradacja WWA w roztworze wodnym w warunkach kawitacji hydrodynamicznej, Monografie Komitetu In-żynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, 58, 2009, 167-175.
10. Sivakumar M., Pandit A., Wastewater treatment: a novel energy efficient hydrodynamic cavitation tech-nique, Ultrasonic Sonochemistry, 9, 2002, 123-131.
11. Szulżyk-Cieplak J., Fijałkowski S., Ozonek J., Wykorzystanie zjawiska kawitacji hydrodynamicznej w technologii oczyszczania wody i ścieków, Materiały II Kon-gresu Inżynierii Środowiska, tom 1, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 33, 2005, 279-282.

prof. dr. hab. inż. Klaudiusz Lenik dr. hab. inż. Janusz Ozonek, prof. PL
Ukończył studia na Politechnice Śląskiej w Gliwicach. Obecnie pracuje na Wydziale Podstaw Techniki Politechniki Lubelskiej. Jest kierownikiem Katedry Podstaw Technik. Specjalność - tribologia, organizacja i zarządzanie procesami wytwórczymi, technologia, eksploatacja, wspomaganie komputerowe, edukacja techniczno-informatyczna.
e-mail: wz.kpt@pollub.pl
Ukończył studia na Wydziale Che-micznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Obecnie pracuje na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej w Instytucie Inżynierii Ochrony Środowiska. Specjalność - inżynieria chemiczna, inżynieria i ochrona środowiska, chemia plazmy niskotemperaturowej. e-mail:
j.ozonek@wis.pol.lublin.pl
Źródło: Politechnika Lubelska
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl