Особенности работы гидромеханических диспергаторов типа роторных аппаратов с модуляцией потока Текст научной статьи по специальности «Физика»

---------------------------------------- © В.П. Ружицкий, 2004

УДК 622.24.054 В.П. Ружицкий

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДИСПЕРГАТОРОВ ТИПА РОТОРНЫХ АППАРАТОВ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПОТОКА

щ ш редшественниками роторных аппара-

-И.-1 тов с модуляцией потока (РАМП) являются с одной стороны аэродинамические сирены Зеебека и Гельмгольца [1] - источники звука в газе; высокочастотные механические генераторы [2], гидродинамические аппараты роторного типа (ГАРТ) [3], ультратурракс, политрон; с другой стороны - коллоидные мельницы, дисковые мешалки, диспергаторы - технологические аппараты. Основным фактором воздействия на процесс являются сдвиговые напряжения в коаксиальном (коллоидная мельница), радиальном (дисковые мешалки) зазоре или турбулизация обрабатываемой среды (в ГАРТ, ульртратурракс) при течении жидкости через местные гидравлический сопротивления.

Перепад давления жидкости (газа) на гидравлическом участке при стационарном течении определяется суммой линейного и квадратичного сопротивлений относительно скорости [4]. Причем, линейное сопротивление зависит от числа Рейнольдса, а квадратичное - от геометрии течения или местных сопротивлений. Для коротких патрубков или аппаратов с большим числом местных сопротивлений, когда квадратичное сопротивление на участке много больше линейного, скорость течения будет определяться квадратичным слагаемым, а точнее будет автомодельным не зависит от числа Рейнольдса. Таким образом, аппараты с турбулизаторами отличаются тем, что в них искусственно создаются местные гидравлические сопротивления - отбойные перегородки в мешалках, местные сужения и расширения типа гофрированных трубок и т.д. Средние относительные турбулентные пульсации скорости, давления, температуры (интенсивность турбулентности) имеют небольшие значения: с увеличением числа Рейнольдса и искусственной турбулизации достигают нескольких процентов [5] от средних их значений. Коэффициент полезного действия технологических процес-

сов определяется средними величинами пульсации, что и способствовало развитию аппаратов турбулизаторами на базе вибраторов и акустических излучателей с пульсирующими потоками. Как показали исследования режимов течений в роторном аппарате [6], переходной режим течения наблюдается при модифицированных числах Рейнольдса:

Яе0 = ,

V

-0 =7 2 АР / р - скорость установившегося

течения идеальной жидкости через модулятор при разности давлений жидкости на нем, равной ДР; р - плотность жидкости, с1э - эквивалентный гидравлический диаметр модулятора аппарата, V - коэффициент кинематической вязкости жидкости), равным 400. Если учесть, что скорость У0 никогда недостижима даже за период истечения жидкости, то среднюю скорость истечения или среднее число Яе меньше модифицированного в ^ раз, где ^ - коэффициент расхода, который для РАМП в зависимости от параметров аппарата всегда меньше 0,8, т.е. Яе переходного течения достигает 40 и меньше.

РАМП имеют преимущества коллоидной мельницы, так как часть обрабатываемого объема протекает через малый зазор между коаксиальным ротором и статором, промежутки между ротором и статором можно рассматривать как турбулизирующие обрабатываемую текущую среду перегородки известного типа мешалок. Перепад давлений жидкости (газа) на модуляторе (РАМП) определяется не только переменным гидравлическим сопротивлением модулятора, но и инерцией жидкости в модуляторе, то есть ускорением жидкости - одно из основных отличий гидродинамики РАМП от традиционных аппаратов. Как показал опыт -не эти факторы являются решающими при

проведении процессов в текучей обрабатываемой среде.

Определяющим фактором скорости процесса является возбуждение кавитации в камере РАМП. В связи с этим режимы работы РАМП классифицируются на докавитацион-ный, гидродинамической кавитации, акустической кавитации, смешанной кавитации, суперкавитации. Как гидродинамическая, так и акустическая типы кавитации в РАМП носят импульсный характер. Импульсная гидродинамическая кавитация возникает вследствие переменной площади проходного сечения модулятора, образованного отверстиями в боковых стенках ротора и статора. В данном случае модулятор можно рассматривать как трубу Вентури с периодически изменяющейся площадью проходного сечения сужения. Импульсная акустическая кавитация возникает при излучении отверстием статора отрицательного импульса давления жидкости при ее резком торможении в процессе закрывания отверстия статора боковой стенкой движущегося ротора. Величина отрицательной амплитуды импульса давления зависит от максимальной и минимальной скорости течения жидкости за период модуляции, то есть от коэффициента модуляции расхода через модулятор и временем торможения жидкости - от отрицательного ускорения жидкости.

С целью увеличения максимальной скорости необходимо уменьшить гидравлическое сопротивление модулятора, когда отверстие статора открывается, а время ускорения - увеличить.

С целью уменьшения минимальной скорости необходимо увеличить максимальное гидравлическое сопротивление за период модуляции, причем это сопротивление должно иметь достаточно протяженное время, чтобы жидкость успела достигнуть минимального значения за относительно небольшое время. Большие отрицательные импульсы давления достигаются расчетом геометрических, кинематических и динамических параметров аппарата и обрабатываемой среды. Гидродинамика РАМП характеризуется средними гидравлическими величинами: коэффициентом расхода, коэффициентами модуляции расхода и объема, коэффициентом обработки жидкости в зазоре между ротором и статором - интегральные за период характеристики РАМП.

РАМП можно рассмотреть с точки зрения преобразователя энергии обрабатываемой

жидкости. Внешний источник давления подает жидкость на вход аппарата с постоянной плотностью потенциальной энергии Рвх. протекая через модулятор, жидкость пульсирует и максимум импульсной плотности энергии увеличивается в десятки раз. Пузыри, которые всегда имеются в технологической жидкости, в отрицательном импульсе давления начинают совершать радиальные нелинейные затухающие пульсации и излучают акустическую энергию как источник типа «монополь». Эксперименты показали, [7], что максимум импульсной плотности энергии увеличивается уже в тысячи раз. В обрабатываемой жидкости возникает равномерно по всему объему микропульсации, скорость которых может превышать звуковую в жидкости, то есть несоизмеримо большую, чем скорость жидкости на входе и выходе РАМП.

РАМП совмещает аппарат идеального вытеснения - время пребывания обрабатываемой жидкости в аппарате меньше 0,1 с и аппарат идеального смешения - при общих расходах через аппарат, достигающих сотню кубометров в час [8], жидкость обрабатывается порциями порядка 1 мм3, сто позволяет получать однородные смеси практически любых жидкостей, суспензий и аэрозолей.

Аппарат может быть использован при смешивании, эмульгировании, диспергировании ньютоновских, псевдопластических, тиксо-тропных, дилатантных текучих сред (удельный расход энергии при эмульгировании порядка 1,5 кВтч/м3 при моде распределения частиц по диаметрам порядка 0,6-5 мкм); растворении, выщелачивании, экстракции, в том числе и биологически активных веществ (уменьшается удельный расход энергии, выход конечного продукта и т.д.); абсорбция газа жидкостью; разделении гомогенной смеси жидкостей; интенсификации и инициировании химических реакций; генерации частотно-модулированного звука, например, для коагуляции частиц с целью повышения эффективности пылеулавливания. большая эффективность аппарата объясняется тем, что постоянное давление жидкости от внешнего источника давления, равное плотности энергии, преобразуется в импульсное давление, то есть, стационарная однополярная плотность энергии преобразуется в кратковременный импульс, который воздействует на вещество уже совершенно по другому (если на гвоздь давить с силой меньше силы трения покоя, то он не войдет в дерево, а при ударе гвоздь легко входит в дерево). Работа

РАМП аналогична работе лазера. Действительно, световая энергия лампы накаливания постоянной интенсивности, которая является источником энергии лазера, преобразуется в импульсную световую энергию, излучаемую лазером в виде кротких импульсов. При импульсной кавитации роль «оптического активного вещества» выполняет смесь жидкости и пузыри газа, которые в процессе прохождения

1. Лакур П.И., Аппель Я. Историческая физика. Одесса. Вестник опытной физики, 1908, 432 с.

2. Fuchs O. Uber hochfrequente stoffbehandlunq. Chemiker -Ztq. Chemiche Apparatur. V.184, №24, 1960, s.s. 809-814.

3. Гершгал Д.А., Фридман В.M. Ультразвуковая аппаратура. - М.: Энергия, 1967, 264 с.

4. Юдаев В. Ф. Методы расчета роторных аппаратов с модуляцией потока. - в кн.: Разработка, исследование

отрицательного импульса давления увеличиваются в объеме, то есть запасают потенциальную энергию, затем после прохождения импульса давления синхронно резко сжимаются и излучают импульс давления длительностью порядка микросекунд. Этот процесс сопровождается огромными градиентами давления и скорости в микрообъемах обрабатываемой среды.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

и расчет машин и аппаратов химических производств.-М.: МИХМ, 1984, с. 139-143.

5. Соу С.Л. Гидродинамика многофазных систем. -М.: Мир, 1971, 536 с.

6. Юдаев В.Ф. Переходный режим течения жидкости через модулятор роторного аппарата. Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века. №12, 2002. с. 27.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Ружицкий Владимир Петрович - профессор, доктор технических наук, ОАО «Малаховский экспериментальный завод».

------Ф

^-------

--------------------------------------- © В.П. Ружицкий, 2004

УДК 662.8.051.5 В.П. Ружицкий

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ НА УСТАНОВКЕ С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИМ ДИСПЕРГАТОРОМРОТОРНОГО ТИПА

Гидромеханические процессы диспеги-рования гетерогенных систем лежат в основе многих технологий и производств самых различных отраслей промышленности: химической, нефтехимической, горнодобывающей, микробиологической, пищевой фармацевтической, парфюмерной, крахмалопаточной, лакокрасочной, машиностроительной и других.

Особое место среди них занимают процессы диспергирования систем «жидкость - жидкость» и «жидкость - твердое тело», «жидкость-газ» [1]. Поэтому экспериментальное исследование процесса диспергирования имеет как научный, так и практический промышленный интерес с точки зрения совершенствования конструкций аппаратов-диспергаторов и технологии приготовления дисперсных систем в