CC BY
13
3. ТЕХНОЛОГИЯ ТА УСТАТКУВАННЯ
ISSN 1994-7836 (print) I. С. Афтаназ1в, Л. I. Шевчук, О. I. Строган
ISSN 2519-2477 (online) . . . „ .
НУ Льв1вська пол1техн1ка , м. Льв1в, Украша
УДК 534.29:66.084
д , Р РЕЗОНАНСНИИ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИИ В1БРОКАВ1ТАТОР
Article into
Received 29.03.20t7 р. Резонансний електромагнiтний Bi6poKaBiTaTop призначений для кавиацшного оброблення рiдин на 0CH0Bi води. Цi кaвiтaтори ефективнi у використанш для очищення води басейшв aквaпaркiв вiд бюлопч-них забруднень, для покращення структури питно'1 води. Резонансш електромaгнiтнi вiброкaвiтaтори ав-тори створили вперше, Тх конструктивна будова захищена патентом на винaхiд. Конструкщя цього вiбрa-цiйного кaвiтaторa доволi унiверсaльнa, що створюе передумови для усшшного використання i"i як для трубопроводiв незначних перерiзiв у дiaпaзонi вiд одного до трьох дюймiв, так i для промислових труб водогошв дiaметром до 250-300 мм. Особливо ефективним, на нашу думку, вiбрaцiйний кaвiтaтор мав би виявитись для бiологiчного знезараження питно'1 води. Простота його конструкцй та обслуговування створюють передумови для вмонтовування кавгтатора у трубопроводи перепомповування води в ба-сейнах, аквапарках та водоймах громадського використання, де поряд iз знезараженням води здшснюва-тиметься i TT очищення. Внaслiдок сплескування кавгтацшних бульбашок тут утворюються aктивнi xiмiч-нi речовини: гiдроксильнi радикали, озон, пероксид водню тощо. По суп, ця теxнологiя е комбiновaним способом очищувального впливу на воду. Основними вузлами цих кaвiтaторiв е статор iз електромагнгта-ми, коливний яюр iз збурювачами кaвiтaцiT та резонансна пружна система, що з'еднуе яюр iз статором. Продуктивнiсть кaвiтaцiйного оброблення води басейшв - 1,5-2,0 м3/год, стушнь очищення стокiв моло-копереробних пiдприемств - 97-98 % за продуктивной до 100 л/год. Продуктившсть очищення стокiв пивовaрiння вiд дрiжджiв становить 200-250 дм3/год.
Ключовi слова: кaвiтaцiя; електромaгнiтний привiд; яшр; статор; пружна система; резонанс; очищення; знезараження; стоки; бактерй; забруднення; коливання.
Вступ. На сьогоднi для кавиацшного оброблення рь дин i суспензiй на !х основi здеб1льшого використову-ють ультразвуковi генератори та гiдродинамiчнi кавиа-тори. Ультразвукове каштацшне оброблення вiдрiз-няеться високою штенсившстю формованого кавиа-цшного поля, проте вона надзвичайно низькопродук-тивна через швидке згасання ультразвуково! хвилi в рь динному середовищi. Та й енергетичш витрати в ультразвукових генераторах вельми ввдчутш - до 500 Вт/дм3, що здебшьшого обмежуе використання ультразвуку сферою лабораторних дослiджень.
Особливо перспективними для покращення екологн навколишнього середовища виявились дослiдження вчених "Львiвськоl полiтехнiки", як1 переконливо довели можливкть ефективного використання кавиацп для знезараження стоюв переробних виробництв вщ орга-нiчних i бiологiчних забруднювач1в. Цi дослiдження вiдкривають перспективу яюсного кавiтацiйного очищення стокiв молокопереробних пiдприемств, виробництв пива, напо!в i спирту, а також i водойм громадського користування (басейшв, аквапарюв i т. iн.). Згуб-ний вплив цих переробних виробництв на еколопю навколишнього середовища особливо вщчутно не тшь-ки через вщсутшсть якiсних i дешевих технологш очищення !х сток1в, але i через значне поширення цих виробництв практично в кожному населеному пункта Ввдповвдно i внесок цих тдприемств у забруднення водних ресурсiв досить вiдчутний. Адже здебшьшого стоки цих виробництв без належного очищення скида-
ють в довколишш водоймища.
Мета цього до^дження - розробити вiбрацiйнi кавiтатори резонансно! ди, здатнi забезпечити поеднан-ня високо! продуктивностi та якостi кавiтацiйного впливу на рвдини.
Основнi завдання до^дження:
• ан^з i перспективи використання низькочастотних вiб-рацiй для збудження в рiдинах кавiтацiйних полiв;
• експериментальне дослiдження умов зародження i ста-бiльного iснування кавггащйного поля в умовах низькочастотних вiбрацiй;
• розроблення методик розрахунку i проектування вiбро-кавiтаторiв резонансно!' ди;
• експериментальне визначення основних технолопчних параметрiв вiброкавiтацiйного оброблення;
• перевiрка технолопчних можливостей i придатност вiб-рокавiтацiйного оброблення для очищення стоюв переробних шдприемств, вод водойм громадського користування (басейшв i аквапарюв), природно! води.
Виклад основного матерiалу. Основною перевагою низькочастотних вiброкавiтаторов, якi вперше ми встановили, е зниження на 20^25 % енерговитрат на збудження i забезпечення стабiльностi, що формуються в рiдинах кавiтацiйних полiв. Досягаеться це шдведен-ням до резонансу присутшх в оброблюванiй рiдинi за-родюв кавиацн, в ролi яких здебшьшого виступають мiкропухирцi розчинених у рвдиш повiтря i газ1в, рiзно-маштш зваженi в рiдинi включения i мiкрочастинки. Однак, як показали результати наших дослвджень, i
Цитування за ДСТУ: Афтаназiв I. С. Резонансний електромагштний Bi6poKaBiTaTop / I. С. Афтаназiв, Л. I. Шевчук, О. I. Строган //
Науковий вюник НЛТУ Укра'ни. - 2017. - Вип. 27(3). - С. 124-130 Citation APA: Aftanaziv, I. S., Shevchuk, L. I., & Strogan, О. I. (2017). Electromagnetic Resonance Vibrocavitator. Scientific Bulletin of UNFU, 27(3), С. 124-130. Retrieved from: http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/362
тут е певн1 резерви стр1мкого п1двищення 1нтенсивност1 пдродинам1чного кав1тацшного оброблення. Виявило-ся, що резонансу зародив кав1таци можна досягти 1 за частот зовшшнього силового впливу не тшьки р1вних частотам коливань зародив кав1таци, але 1 за частот, яю кратш резонансним. У мехашщ це явище досить поши-рене 1 використовуеться в технолопчних цшях. Наприк-лад, у в1брацшно-ввдцентрових машинах для змщню-вального оброблення деталей, у планетарних в1брозбу-рювачах 1 шших под1бних '!м пристроях. Мехашзм цього явища досить простий по сво'!й сут1 1 найбшьш наочно можна прошюструвати на приклад1 дитячих гойдалок - немае потреби для збшьшення ампштуди коливань гойдалки, шдштовхують Г! в кожному з перь од1в коливань. Достатньо з певною частотою, але головне регулярно, прикладати до гойдалки, що коли-ваеться, силовий вплив, напрямок 1 вектор якого зб1га-ються з напрямком коливань гойдалки. При цьому, за-лежно вщ частоти 1 величини зовшшнього силового впливу, ампштуда коливань гойдалки може як зменшу-ватися, так 1 стр1мко збшьшуватися. У практищ в1бра-цшно'! техшки щ частоти силового впливу на гармо-шйно коливш тша, що сприяють шдведенню до резо-
нансу коливальну систему, називають дтпазонами частот кратност1 резонансу 1 в1др1знятися в1д резонансних частот вони можуть у сотш 1 тисяч1 раз1в. Але головне неухильне дотримання двох основних вимог до них -стабшьнють у чаш 1 зб1г у напрямку перемщень колив-ного об'екта.
Виявилося, що принципи 1 законом1рност1 частот кратност1 поширюються 1 на пдравл1чш об'екти, зокре-ма 1 на зважеш в рщинному середовищ1 предмети -бульбашки газ1в 1 повиря, мехашчш включення та '!м под1бш утворення - по сут1 на зародки кавтаци! Експе-риментальне тдтвердження цього явища 1 стало ключо-вим етапом на шляху створення принципово нового класу кав1тацшного обладнання, який названо низько-частотними в1брацшними кав1таторами резонансно! ди.
Принципову схему кшьцевого електромагштного в1брацшного кав1татора (КЕВК) резонансно' ди (81агеЬеу8ку1 Ш а1., 2014; 8ЬеуеЬик, Лйаиа21у & 81хоЬап, 2011) наведено на рис. 1, фрагмент деки-збурювача ка-в1таци з насадками-форсунками тд час переткання кр1зь не'! рщини, що супроводжуеться утворенням кав1-тацшних каверн, вщтворено на рис. 2.
Рис. 1. Принципова схема кшьцевого вiбрацiйного електромагнiтного кавiтатора (КЕВК) резонансно! ди
До його складу входять завантажувальна 6, робоча 9 та вщвщна 14 камери. Робоча камера 9 з'еднана 1з за-вантажувальною 6 та вщвщною 14 1з можливютю в1д-носних перемщень через гнучю гофри 8 та 12. На робо-чш камер1 9 закр1плено набраний 1з листового зал1за кшьцевий яюр 10, а камера та яыр через кронштейни 2 та цилшдричш пружш стержш 5 з'еднаш 1з закр1пле-ними на трубах завантажувально! 6 та вщвщно! 14 камер реактивних масах 11. Стввюно якорев1 10 до кож-но'! 1з закр1плених на завантажувальнш 6 та вщвщнш 14 камерах реактивних масах 11 прикршлено корпус 4 електромагшту. У корпус 4 сшввюно якорев1 10 роз-ташоваш кшьцев1 статор 15 1з котушкою обмотки 3. Ко-жен 1з статор1в 15 1з котушкою обмотки 3 та спшьним якорем 10 (ф1г. 1) формують два симетрично розмще-них вщносно якоря 10 електромагшти. Обмотки елек-тромагнтв тд'еднаш до мереж1 змшно'! напруги жив-лення 1з змщенням по фаз1 таким чином, що у першому твперюд1 синусо'дально! змшно! напруги яыр притя-
гуеться до одного 1з крайн1х електромагншв, а в шшо-му швперюд1 - до шшого електромагшту.
Сшввюно розташоваш статор 15 1з котушками обмоток 3 та яюр 10 з робочою камерою 9 утворюють кшь-цевий електромагштний в1брозбурювач 1з двома елек-тромагштами та спшьним якорем. Електромагштний в1брозбурювач у поеднанш 1з прикршленими до реактивно' маси пружними стержнями 5 формують двома-сову резонансну коливну систему. Перша з коливних мас - наповнена оброблюваною рвдиною робоча камера 9 1з прикршленим до не! якорем 10 та деками 7, друга -статор 15 1з обмотками 3, реактивш маси 11 1з масивни-ми трубами завантажувально! 6 та в1дв1дно'1' 14 камер.
До якоря та статора жорстко прикр1плеш деки 7 та збурювач1 кав1таци 13 1з р1вном1рно розташованими по вс1й '!х площ1 отворами для прот1кання оброблювано'! р1дини. Д1аметри отвор1в у деках 7 та 13 дор1внюють ампл1туд1 коливання робочо'! камери, а вщдаль м1ж су-с1дн1ми отворами - потршному значенню ампл1туди.
Пари прикршлених до якоря та статора дек розмщеш симетрично на входi та виходi робочо! камери 9.
Ввд потрапляння стороннiх предметiв до коливних систем електромагнiтнiй вiброзбурювач захищено за-хисних кожухом 1.
Для штенсифжащ! збурення кавiтацiйних каверн шд час перетiкання крiзь деки 7 i 13 оброблювано! рiдини на отвори дек запресоваш насадки-форсунки 16 з цилш-дричною зовнiшньою а i сферичною внутрiшньою в по-верхнями (див. рис. 2). Дiaметр цилiндричноi поверхнi Дц = 2А i рaдiус сферично! внутрiшньоi поверхнi Я = 2А доршиюють розмаху, тобто подвшному значению aмплiтуди А коливно! деки. У перетинi з торцевою пло-
Електромaгнiти почергово притягують до себе якiр 10 iз наповненою оброблюваною рiдиною робочою камерою 9, прогинаючи при цьому пружш цилiндричнi стержнi 5. Прогин та пружшсть цилiндричних стержнiв 5 розраховано таким чином, що вони забезпечують ре-зонансш коливнi режими робочо! камери 9 та унемож-ливлюють спiвудaряиня якоря 10 та стaторiв 15 мiж собою (фiг. 1). Почергове протягування якоря 10 до елек-тромaгнiтiв 15 трансформуеться у направлен плоскопа-рaлельнi коливнi перемщения наповнено! оброблюваною рiдиною робочо! камери 9. Ц коливания ввдбува-ються iз певними розрахунковими ампттудами та частотою, що доршнюе подвоенiй чaстотi подaчi напруги на котушки кiльцевих електромaгнiтних вiброзбурювa-чш. Так, за частоти змiнно! напруги мережi живлення обмоток 3 електромагштш 50 Гц частота коливань робочо! камери 9 буде доршнювати 100 Гц. Разом iз ко-ливною робочою камерою 9 плоскопаралельш перемь щения здiйснюють i прикрiпленi до камери деки 7 iз от-ворами, пересiкaючи потж оброблювано! рiдини, що неперервно надходить до ще! камери. В мiру наближен-ия коливних дек 7 до нерухомих дек 14 тиск рвдини мiж деками наростае, що сприяе проштовхуванню оброблювано! рвдини ^зь отвори у нерухомих деках 14 iз швидкiстю, що дорiвнюе швидкостi перемiщень дек 7.
За рекомендовано! ампттуди коливань дек 1,52,0 мм i частоти 100 Гц швидюсть, з якою дека перети-нае потiк рвдини, становить 0,95-1,15 м/с. Сшввкним розташуванням коливних та нерухомих дек, що здшснюють коливнi рухи нaзустрiч одна однш, забезпе-чуеться пiдвищения тиску та швидкосп гiдрaвлiчних поток1в оброблювано! рвдини шд час Г! протiкaния ^зь
щиною у насадки-форсунки 16 внутршия сферична по-верхия в утворюе отвiр для перетiкaния рiдини, дiaметр якого р1вний До = А. Цим отвором насадка 16 обернена в сторону, протилежну напрямку потоку оброблювано! рвдини (див. рис. 2). Ввдстань мiж сусiднiми отворами в деках доршнюе подвшному значению розмаху коливань, тобто 1 = 4А.
Робота вiбрaцiйного електромагшгного кавиатора здшснюеться таким чином. По трубi завантажувально! камери 6 в робочу камеру 9 шд незначним тиском або самострумом подають оброблювану рвдину. Одночасно на обмотки 3 котушок електромaгнiтiв iз вище вiдзнa-
отвори, яю влaштовaнi у деках-збурювачах кавп-аид. Унaслiдок цього струменi рiдини втрачають щшьшсть та мiцнiсть, а iз завжди наявних у рiдинi зародкш кaвi-тaцii лaвиноподiбно зароджуються, збшьшуються у своему об'емi та сплескують кaвiтaцiйнi бульбашки, якi i формують кавиацшне поле високо! iнтенсивностi. Рш-номiрним розташуваниям отвор1в у деках 7 та 14 забез-печуеться рiвномiрнiсть iнтенсивностi кaвiтaцiйного поля по всш площi поперечного перерiзу робочо! камери 9, тобто рiвномiрнiсть оброблення рiдини.
Цiеi швидкостi рвдинного струмеия досить для утво-рення iз присутнiх в оброблювaнiй рвдиш i розчинених в нiй повпря i газ1в повiтряних кaвiтaцiйних каверн. Шд час перемщення повпряних каверн вздовж сферично! внутршньо! поверхш насадок-форсунок 16 тиск всерединi каверн стрiмко наростае, збiльшуючи !х об'ем, внаслвдок чого на виходi з насадки каверна ство-рюе в оброблюванш рiдинi iмпульси удариих хвиль. Дiя iмпульсiв ударних хвиль на присутш в рiдинi зарод-ки кавиаци супроводжуеться миттевим зароджениям, розширеииям i подальшим спаданиям кaвiтaцiйних бульбашок. Рiвномiриим розташуваниям отворiв у деках забезпечуеться рiвномiрнiсть iнтенсивностi кавга-цiйного поля по всiй площi поперечного перерiзу робочо! камери, тобто рiвномiрнiсть обробления рiдини.
Завдяки симетричному розташуванню дек-збурюва-чш кaвiтaцi! рiдинa, що протiкaе через робочу камеру 9, двiчi пвддаеться кaвiтaцiйиому оброблению. Пiсля про-ходження в робочiй кaмерi подвiйного кавиацшного оброблення рiдинa через вiдвiдну камеру 14 выводиться для подальшого ц1льового використания.
Рис. 2. Фрагмент деки-збурювача кавiтацil з насадками-форсунками шд час перетiкання каверн (нумерацiя позицш вiдповiдно до рис. 1)
Регулювання якост оброблених у вiбрацiйному електромагнiтному KaBiTaTopi резонансно! дii рiдин здiйснюють регулюванням iнтенсивнoстi сформованого ним у рвдинах кaвiтaцiйнoгo поля, яка залежить вщ ам-плiтуди А коливань дек-порушниюв кавггацп, частоти цих коливань i дiaметpa отвор1в До для перетжання pi-дини. Амплiтуду коливань дек регулюють змiнoю вели-чини струму живлення котушок електpoмaгнiтiв, 3i змь ною яко! змiнюeться сила притягання якоря до електро-мaгнiтiв статора, чим, власне, i зумовлена величина просторових пеpемiщень, тобто розмах i aмплiтудa ко-ливання пеpемiщень дек-збуpювaчiв кaвiтaцii. Частоту коливань дек регулюють за допомогою тиристорно! схеми регуляцн частоти пoдaчi напруги на обмотки котушок живлення електромагнтв, зi змiнoю яко! змь нюеться частота притягання якоря до електромагнтв статора, тобто частота просторових перемщень жорстко з'еднаних з якорем дек, що збурюють кавиа-ц1ю. Оптимaльнi значения ампштуди i частоти коливань шдбирають дoслiдним шляхом залежно ввд фiзич-них параметр1в оброблюваних рвдин - !х щiльнoстi, в'язкoстi, сил поверхневого натягу тощо. Особливу ува-гу при пiдбopi технoлoгiчних параметров вiбpaцiйнoгo кaвiтaцiйнoгo оброблення прид1ляють вибору частот коливань дек, прагнучи пвдбрати !х максимально близькими в кратносп до власних частот коливань, присуттх у кoнкpетнiй oбpoблювaнiй piдини i мжропу-хирц1в розчинених газ1в i пoвiтpя, що вiдiгpaють роль зародюв кaвiтaцi!. Цим забезпечують здiйснения кавиа-цiйнoгo оброблення в т. зв. резонансному pежимi за мь шмальних енергетичних втрат.
Розрахунок пpужнoстi коливальних систем, потуж-нoстi електpoмaгнiтiв приводу та !х конструктивних елемент1в (форму i poзмipи електpoмaгнiтiв, попереч-ний пеpеpiз i кiлькiсть витк1в обмоток тощо) здшсню-ють за загальноприйнятими методиками poзpaхункiв вiбpaцiйних машин з електромагштним приводом (La-nets, 2008).
Пристро! для вiбpopезoнaнснoгo кaвiтaцiйнoгo оброблення piдин передбачають двi групи змiнних пара-метр1в регулювання забезпечуваних нею пoкaзникiв якoстi кaвiтaцiйнoгo оброблення, а саме групу конструктивних i групу технoлoгiчних параметр1в. До групи конструктивних належать:
• частота коливань дек-збурювачiв кавгтаци, яку регулюють встановленим у пульт управлшня регулятором частоти, наприклад, моделi AFC - 120;
• амплгтуда коливань дек-збурювачiв кавiтацií, яку регулюють потужтстю i конструктивними параметрами (промiжком мiж якорем i статором) електромагнтв приводу i жорстшстю пружно! системи (стрижнiв 2 i 5) шд-вiски дек;
• напрям коливань дек-збурювачiв кавiтацií (вздовж або поперек оброблюваного рiдинного потоку), що зумовле-но розташуванням електромагнтв приводу. Основним завданням змiни конструктивних пара-
метр1в тут е змша швидкoстi i нaпpямкiв просторових перемщень дек-збурювач1в кaвiтaцi! в piдиннoму пото-цi, що в пiдсумку, впливае на дiaпaзoн вiбpopезoнaн-сного збурення кaвiтaцi!.
До групи технoлoгiчних ввднесено:
• тиск i швидкiсть оброблювано! рiдини на дiлянцi кавгта-цшного оброблення, як1 регулюють насосом i дроселем трубопроводу, що подае оброблювану рiдину на робочу делянку;
• рiзновид, кiлькiсть i тиск супутнього оброблення газу або повiтря, яю регулюють дроселюванням трубопроводу подачi газу;
• кiлькiсть наявних в оброблювальнш рiдинi зародюв ка-вггацп, яку регулюють кiлькiстю поданого на дшянку оброблення газу.
Основним завданням змiни технологiчних парамет-рiв тут е вплив на енергетичний стан оброблювано! рь дини, а також вплив на тривашсть !! оброблення.
Отже, змшою конструктивних i технолопчних пара-метрiв ефективно впливають на мщшсть оброблювано! рiдини, 1! здатшсть до збурення i стабiльного кнування в нiй кавiтацiйних явищ, впливають на штенсившсть формованого в шй кавiтацiйного поля, що в шдсумку i зумовлюе якiсть кавiтацiйного оброблення рвдин.
Особливiстю вiбрацiйних кавiтаторiв, як i кавиато-рiв будь-якого шшого типу, е потреба в забезпеченш певного енергетичного впливу на оброблюване рiдинне середовище. Такого рiвня енергетичного впливу, яке супроводжуеться збуренням у рвдиш кавiтацiйних явищ, що шщдають ефективний перебiг специфiчних фiзичних процеав i хiмiчних реакцiй на оброблюване середовище. З позицш молекулярно! фiзики, створення певних передумов для появи i подальшого зростання з наявних у рвдиш зародкiв кавiтацi! кавиацшного поля, насиченого кавiтацiйними бульбашками, регламен-туеться безрозмiрним комплексом Рейнольдса Яе, т. зв. числом Рейнольдса Яе, яке пов'язуе змiни характеристик потоюв рiдин певно! щiльностi i в'язкостi зi змiною швидкостi i тиску рiдини. Критичне число Рейнольдса Яекр можна трактувати як параметр, який зумовлюе по-рiг зародження в рiдиннiй субстанцп кавiтацi!. У мате-матичному вираженнi число Рейнольдса Яе мае вигляд (УНепко, 2009)
Re =
p-v-L _ vL
m n '
(1)
де: р - щiльнiсть середовища, кг/м ; и - швидкiсть потоку рвдини, м/с; ¡л - динамiчний коефiцiент в'язкостi середовища, Па/с; тут у = р/р - кшематична в'язк1сть, м2/с; Ь - характерний для конкретного обладнання ль ншний розмiр, м.
Число Рейнольдса Яе якось вiдображае взаемозв'я-зок мiж характером рiдинного потоку i його швидкiстю. Наприклад, за числових значень у дiапазонi 2000 < Яе < 20000 перетiкання рвдин незначних щiльностi i в'язкос-п, як правило, здiйснюеться в ламшарному режимi, за вищих числових значень ламшарний режим перетво-рюеться у турбулентний. Безрозмiрний комплекс Рейнольдса Яе регламентуе i появу кавiтацiйних проце-с1в у рiдинному потоцi. Числовi значения безрозмiрних комплексiв Рейнольдса Яе, за яких у рiдинному потощ самоформуеться кавiтацiйне поле, називають критич-ним числом Рейнольдса Яекр Його величина зумовлена такими параметрами рвдини, як !! щiльнiсть i в'язюсть, тиском i швидкiстю рiдинного потоку, а також сформо-ваним цими параметрами градiентом мiжмолекулярно-го напруженого стану в рщиш.
Для рвдинних субстанцш iз щiльнiстю i в'язюстю, наближеними до щiльностi i в'язкосп води, критичне число Рейнольдса Яе^, як правило, неiстотно переви-щуе значения (1,5 - 2,0) 105, тобто Яе >(1,5 -2,0) 105
(УНепко, 2009).
Отже, задавши рiвнiсть (1) числовими значениями пaрaметрiв оброблювано! рiдин i критичного числа Рейнольдса Явкр, можна визначити потрiбну для збурен-ня кавтацп критичну швидкiсть коливальних рухiв ви-конавчих оргaнiв вiброкaвiтaторов, тобто !х коливних дек УД* iз зaлежностi
* _ т' _ V ■
Уп =-
p-Ld
(2)
Уд = -в-
(3)
Середия швидкiсть коливальних рух1в будь-яких вiбрaцiйних тiл, зокрема i дек-збурювaчiв кaвiтaцii, т. зв. вiброшвидкiсть, лiмiтуеться частотою / i aмплiтудою А !х коливань. Тому задавшись, наприклад, aмплiтудою А коливань i прир1виявши швидкостi мiж собою Ук = Уд *, визначають потрiбну частоту коливань дек, тобто
/ = Ук = т ■ = V ■ Яе^, 1 (4)
Ft =
Mg - w2 - Ао l-z2
(6)
1 - z2)2 + 4- g
- динам1чнии ко-
■ / ■ ;
Y = 0,004... 0,006; для гумових пружних систем у = 0,1... 0,15; z - коефщент резонансного налаштування.
Враховуючи, що спожиту енерггю на здшснення будь-якого технолопчного процесу, зокрема i процесу кавиацшного оброблення води, може бути визначено i3 залежностi Еоб = N-t, де: N - потужшсть приводу, Вт, t - тривашсть оброблення, год, величину питомо! енер-ri! кавггацн процесу можна обчислити i3 залежностi Ее/
e = ^ =
У У
У р У р
= Еоб - Ен = N-t - m-c (Tk - T)-t
Ур
Ур
= [ N - m-c (Tk - T0)]-У-
' n
(7)
де Ld - сумарниИ приведении розмiр довжини кiл отво-рiв коливно! деки, м. У разi одночасного використання на робочiИ позицп юлькох дек, якi коливаються у про-тифазi, швидкiсть коливних рухiв кожно! з них Уд може бути зменшена на загальну кiлькiсть цих дек n, тобто
де Ур - об'ем оброблено! рiдини, дм .
Ту частину юнетично! енерги, яка перетворюеться у теплову Ен, можна визначити експериментально, здш-снюючи вимiрювання температури рiдини впродовж и оброблення
Ен = m-c (Tk - Т0 )t,
де: m - маса рщинного середовища, яка обробляеться в пристро!, кг; с - и теплоемнiсть, Дж/(кр°С); Тк - температура середовища шсля оброблення, °С; То - початко-ва температура, °С; t - тривалкть оброблення, с.
Коефiцiент корисно! дн h вiброкавiтацiИного оброблення рвдини при цьому дорiвнюе
h =
2 -p- А 2 -p- A- p-Ld 2 -p- A-Ld c Тягове зусилля FT приводу, завдяки якому коливна дека при своему рус долае опiр з боку оброблювано! рь дини, пропорцiИне сумарнш величинi тискiв 2Рс на ко-ливну деку, сумарнiИ величинi площi ZS0 поверхнi от-вор1в для перетшання рiдини в коливнiИ дещ i куту в нахилу коливних дек до напрямку потоку оброблювано! рвдини, тобто
Ft = ( Е Рс)-(S S0)- sin Д (5)
У разi традицшних одно- i двомасових резонансних вiбрацiйних конструкцiИ, тягове зусилля електромагнгг-них вiброзбурювачiв, розраховують за формулою (La-nets, 2008)
Ер,
100 = 1 - Е« = N-t - m-c (Tk - T0)-1 =
(8)
де Мсв - т. зв. приведена коливна маса, яка в цьому рай е сумарною коливною масою робочо! камери i мктить масу тя якоря електромaгнiту вiброприводу, приведену масу тупр пружнi коливaльнi системи, масу тж оброблювано! рiдини щшьшстю р в робочiй кaмерi об'емом V, масу тд коливно! деки з отворами для перетiкaния оброблювано! рщини в сумi з елементами кршлення до не! герметизaцiйних гофр, тобто
Мае = Тя + ту„р + тр = тя + Ту„р + р ■ У,
де: о= 2-ж-/ - кругова частота коливань збурювач1в кaвiтaцii; /- частота коливань якоря електромaгнiту приводу; Аот - вiдноснa aмплiтудa коливань коливно! системи.
У вираи (6) Я = - 1
ефщент, в якому величина показника опору у для ста-лево! пружно! системи без конструкцшного гистерезису
у Езаг) Езаг. N - ^
= ЖЛ - т-с (Тк - Тр )■ х = - т-с (Тк - Т0) ^ 100 % Х-Х ^ N ) ' '
Експериментальну перевiрку технологiчних можли-востей вiброрезонaнсного оброблення здiйснювaли на спчних водах переробно! промисловостi, на очищенш води басейн1в громадського користувания, а також води природних водойм ввд забруднения цiaнобaктерiями.
Як дослiджувaнi зразки спчних вод переробно! про-мисловосп використовували зразки проб стокiв моло-копереробних пiдприемств i сток1в пивоварно! промис-ловостi. Дезинфiкувaльне кaвiтaцiйне оброблення цих стоюв здiйснювaли в режиш замкненого технологiчно-го циклу на експериментальнш вiброрезонaнснiй кaвi-тaцiйнiй установщ з об'емом робочо! камери 1,5 дм3 за частоти коливань збурювaчiв кавиацп 74^75 Гц та ам-плiтуди 1,0^1,5 мм.
Встановлено, що кавггацшне оброблення стокiв мо-локопереробних пiдприемств забезпечуе 97^98 % !х знезаражения вiд переважаючих у цих спчних водах т. зв. молочних бaктерiй i 92^93 % очищения ввд оргaнiч-них зaбруднювaчiв. Забезпечена при цьому продуктив-нiсть експериментально! установки знаходиться в межах 90^ 100 л/год. Однак на концентрацию присутньо! в цих стоках молочно! кислоти, що згубно впливае на кислотшсть води i землi при скиданш сток1в молокопе-реробних пiдприемств у природне середовище, кaвiтa-ц1йне оброблення ктотного впливу не мае.
П1д час кaвiтaцiйного очисного оброблення стоюв пивоварного виробництва, забруднених здеб1льшого пивними дрiжджaми, у технологiчну схему подaчi i вiд-ведення оброблювано! рвдини включали вiдстiйники, в яких кавиацшно обробленi стiчнi води вiдстоювaлися для подшу !х вiд зaлишкiв зруйнованих кавиащею
n
дрiжджових бактерш. Шсля вiдстоювання i розшару-вання рiдини i дрiжджових залишкiв рщину фiльтрують i повторно подають на кавиацшне оброблення. Експе-риментально встановлено, що вплив кавiтацiйного поля досить активно руйнуе дрiжджовi клiтини. Зумовлено це, очевидно, протяжшстю дрiжджових кштин, бiльш розвиненою, пор1вняно з шшими бактер1ями, повер-хнею, а отже, i бiльш iнтенсивного впливу на них енер-ги, що видшяеться в рiдинне середовище зхлопуваними кавиацшними мiкробульбашками. Як наслiдок, продук-тившсть очисного оброблення тут вельми висока. Вона приблизно вдвiчi перевищуе продуктившсть очищення стокiв молокопродукт1в i для дослвджувано! експери-ментально! установки становила 200^250 дм3/год.
Безумовно, що для таких великотоннажних вироб-ництв, як очищення стоюв пiдприемств переробно! про-мисловосп, на базi нашого експериментального облад-нання може бути створено потужнiшi вiброкавiтатори резонансно! дi!, продуктивнiсть очисного оброблення яких в десятки, а то i сотнi разiв перевищуватиме продуктившсть експериментального обладнання.
Не менш ефективне вiброрезонансне кавiтацiйне оброблення i для очищення i водопiдготовки води ба-сейнiв громадського користування. На сьогоднi при во-допiдготовцi басейнiв замiсть хiмiчних методiв очищення води на основi хлору використовують здебiль-шого озонування води, !! очищення пероксидом водню або ж очищення гшохлоридом натрда, що утворюеться в електролiзних установках рiзноманiтних моделей. За-гальним недолiком усiх перерахованих сучасних мето-д1в водопiдготовки е висока варпсть !х очисних реагентов. Найбiльш перспективною з позицш забезпечення якостi очищення води тут, безумовно, е електролiзне очищення. Однак широкому !! використанню перешко-джае не так дорожнеча електролiзних апарапв, як знач-нi енерговитрати шд час !х експлуатацi!. Для прикладу, найпоширешша для водоочищення модель електролiз-но! установки "Сиваш" ЕГР -1000 споживае до 10 кВт/год електроенергп. I це за потреби використання як мiнiмум двох установок для яюсно! водопiдготовки середнього за розмiрами басейну водотоннажнiстю 3,55,0 тис. м3 води. Настiльки висока енерговитратшсть негативно позначаеться на вартостi послуг для спожи-вач1в водних процедур.
Ми експериментально випробували вдосконалену технолопчну схему водопiдготовки басейну, що поеднуе електролiзне i вiброкавiтацiйне очищення води. Вщповвдно до ще! схеми забруднена вода перед подачею на очищення гшохлоридом натрда, утвореного в електролiзнiй установщ "Сиваш" ЕГР-1000, попередньо пiддаеться кавiтацiйному очищенню у вiброрезонан-сних кавiтаторах, сумарна потужшсть приводу яких не перевищуе 3 кВт/год. При цьому не тшьки полш-шуеться структура води та яюсть !! очищення, але i на 40^45 % зменшуються енерговитрати на процес водо-пiдготовки. Забезпечуеться це тим, що кавiтацiйне оброблення забруднено! води ефективно знезаражуе !! вiд бiологiчних i оргашчних забруднювач1в, зокрема i сечо-вини. Це дае змогу вдвiчi скоротити час експлуатацп енерговитратних електролiзних установок.
Вельми ефективним виявилося i вiбpopезoнaнсне ка-вiтaцiйне оброблення води природних водойм, яка ви-користовуеться для вирощування малька риби, пиття i приготування корм1в у твapинництвi, для поливу сшьськогосподарських рослин. Пояснюеться це тим, що кавиацшне оброблення води не тшьки очищае !! вiд бь олопчних i opгaнiчних зaбpуднювaчiв, а й покращуе структуру, перетворюючи !! iз кластерного в мономоле-кулярний стан, властивий джерельнш вoдi. А загально-вiдoмo, що в мономолекулярному стан воду краще зас-воюють не тшьки рослини, але i живi opгaнiзми, благодатно впливаючи i на органи травлення, i на кровонос-ну систему. Висновки:
1. Створено новий споиб вiбрацiйного низькочастотного збудження кавiтацiйних явищ (процеив) у рiдинах на основi води та обладнання для його реалiзацil. Вщмш-ною особливiстю процесу вiбрацiйного збурення кавь тацií е енергетичний вплив на рщинш потоки збурюва-чами кавiтацií за !х частот коливання, що кратнi частотам власних коливань, зважених в оброблюванш рщиш зародк1в кавiтацií.
2. Визначено i теоретично обгрунтовано умови збурення кавггацшних процесiв низькочастотними вiбрацiями, наведено залежноста для розрахунку швидкостей прос-торових перемiщень збурювачiв кавiтацií в рщинному потоцi, частот !х коливань, а також основних парамет-рiв приводу вiброрезонансних кавiтаторiв.
3. Порiвняннi з ультразвуковими кавiтаторами, яким зде-бiльшого властивi точковi магнiтострикцiйнi збурювачi кавiтацil, вiброкавiтатори забезпечують рiвномiрний розподш iнтенсивностi кавiтацiйного поля по всьому поперечному перерiзу робочоl камери, а вщповщно, i рiвномiрнiсть оброблення рщини.
4. Порiвняно з гiдродинамiчними кавиаторами, вiброрезо-нанснi кавiтатори забезпечують на 25^30 % пiдвищен-ня штенсивноста кавiтацiйного поля, а вiдповiдно, i пропорцiйне пiдвищення продуктивностi кавiтацiйного оброблення рщин.
5. Експериментальна перевiрка технолопчних можливос-тей вiброрезонансного кавiтацiйного оброблення подтвердила ii високу ефектившсть для очищення стiчних вод шдприемств перероблення сiльськогосподарськоl продукцil, очищення води природних водойм i ба-сейшв громадського користування.
Перелiк використаних джерел
Lanets, O. S. (2008). Vysokoefektyvni mizhrezonansni vibratsiini ma-shyny z elektromahnitnym pryvodom (Teoretychni osnovy ta prak-tyka stvorennia): monohrafiia. Lviv: Vyd-vo Nats. un-tu "Lvivska politekhnika", 324 p. [in Ukrainian]. Shevchuk, L. I., Aftanaziv, I. S., & Strohan, O. I. (2011). Vibratsiinyi elektromahnitnyi kavitator rezonansnoi dii. Avtomatyzatsiia vyrob-nychykh protsesiv u mashynobuduvanni ta pryladobuduvanni. Uk-rainskyi mizhvidomchii naukovo-tekhnichnyi zbirnyk, 45, 374-379. - Lviv: Vydavnytstvo "Lvivskoi politekhniky". [in Ukrainian]. Starchevskyi, V. L., Shevchuk, L. I., Aftanaziv, I. S., & Strohan, O. I. (2014). Patent Ukrainy № 107769. Vibratsiinyi elektromahnitnyi kavitator / zaiavl. 29.01.2014; reiestratsiinyi nomer zaiavky u 2014 00823, opubl. 10.07.2014, Biul. № 13. [in Ukrainian]. Vitenko, T. M. (2009). Hidrodynamichna kavitatsiia u masoobmin-nykh, khimichnykh i biolohichnykh protsesakh: monohrafiia. Ter-nopil: Vyd-vo TDTU im. I. Puliuia, 224 p. [in Ukrainian].
И. С. Афтаназив, Л. И. Шевчук, О. И. Строган РЕЗОНАНСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВИБРОКАВИТАТОР
Резонансный электромагнитный виброкавитатор предназначен для кавитационной обработки жидкостей на основе воды. Эти кавитаторы эффективны в использовании для очистки воды бассейнов аквапарков от биологических загрязнений, для улучшения структуры питьевой воды. Резонансные электромагнитные виброкавитаторы созданы авторами впервые, их конструктивное строение защищено патентом на изобретение.
Конструкция данного вибрационного кавитатора довольно универсальна, что создает предпосылки для успешного использования ее как для трубопроводов незначительных сечений в диапазоне от одного до трех дюймов, так и для промышленных труб водопроводов диаметром до 250-300 мм. Особенно эффективным, по нашему мнению, вибрационный кавитатор должен оказаться для биологического обеззараживания питьевой воды. Простота его конструкции и обслуживания создают предпосылки для вмонтирования кавитатора в трубопроводы перекачивания воды в бассейнах, аквапарках и водоемах общественного пользования, где наряду с обеззараживанием воды будет осуществляться и ее очистка. Вследствие схлопывания кавитационных пузырьков здесь образуются активные химические вещества: гидроксильные радикалы, озон, перекись водорода и др. По сути, данная технология является комбинированным способом очищающего воздействия на воду.
Основными узлами этих кавитаторов является статор с электромагнитами, колеблющийся якорь с возмутителями кавитации и резонансная упругая система, соединяющая якорь со статором. Производительность кавитационной обработки воды бассейнов - 1,5-2,0 м3/час, степень очистки стоков молокоперерабатывающих предприятий - 97-98 % при производительности до 100 л/час. Производительность очистки стоков пивоварения от дрожжей составляет 200-250 дм3/ ч.
Ключевые слова: кавитация; электромагнитный привод; якорь; статор; упругая система; резонанс; очистка; обеззараживания; стоки; бактерии; загрязнения; колебания.
I. S. Aftanaziv, L. I. Shevchuk, О. I. Strogan ELECTROMAGNETIC RESONANCE VIBROCAVITATOR
Electromagnetic resonance vibrocavitator is designed for cavitation processing water-based liquids. Such cavitators are effective when used for cleaning water pools of biological pollution, and for improving the structure of drinking water. The authors have designed electromagnetic resonance vibrocavitators for the first time, their constructive structure is protected by a patent on an invention. Electromagnetic resonance vibrocavitator action for disturbance of cavitation in liquids relates to cavitation equipment of chemical-engineering processes. It can be used for water treatment, including disinfection of drinking water, wastewater chemical, and food processing plants from a variety of contaminants, including biological. This equipment belongs to a group of physical and chemical methods. Cavitation initiates and activates the oxidation-reduction reactions in liquids splash of large amount of energy arising in fluid cavitation bubbles. The design of the vibrocavitator is quite universal, which creates prerequisites for successful use as conduits for small cross-sections ranging from one to three inches, and industrial water supply pipes with diameter up to 250-300 mm. In our opinion, vibrating cavitator would particularly be for the biological decontamination of drinking water. The simplicity of its design and service provides the stage for the installation of the cavitator in pipelines pumping water in swimming pools, water parks and public use reservoirs, along with the disinfection of water. Because of the gap cavitation bubbles form active chemicals, hydroxyl radicals, ozone, hydrogen peroxide and others. In fact, this technology is a combined method of refining exposure to water. The main units of cavitator is a stator with electromagnets oscillating breaker anchor with cavitation and resonance elastic system connecting the anchor of the stator. The performance of cavitation water treatment pools is 1.5-2.0 m3 / hr., the degree of effluent milk business ranges from 97 to 98 % with performance up to 100 l / h. Performance effluent from brewery yeast is 200-250 dm3 / h. To conclude, a new method of low-frequency vibration resonance cavitation phenomena (processes) in water-based liquids and equipment for its implementation are designed. A distinctive feature of the process of cavitation resonance is energy impact on liquid flow cavitation during their oscillation frequency.
Keywords: cavitation; electromagnetic drive; anchor; stator; resilient system; resonance; cleaning; disinfection; wastewater; bacteria; pollution; vibrations.
1нформащя про aBTopiB:
Афтаназiв 1ван Семенович, д-р техн. наук, професор, Нацюнальний ушверситет '^bBiBCbKa полгтехшка", м. Львiв, Укра'на.
Email: [email protected] Шевчук Л^я 1вашвна, д-р техн. наук, професор, Нацюнальний ушверситет '^bBiBCbKa полтехшка", м. Львiв, Украина.
Email: [email protected]
Строган Орися 1вашвна, канд. техн. наук, асистент, Нацюнальний ушверситет '^BiB^^ полгтехшка", м. Львiв, Украина.
Email: [email protected]
