Київський національний університет

будівництва і архітектури

Коваль Олексій Дмитрович

УДК 532.133:66.063.8

Вплив кавітації на реологічні і гідравлічні характеристики степеневих

неньютонівських рідин

05.23.16 Гідравліка і інженерна гідрологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України "КПІ” Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Яхно Олег Михайлович, завідувач кафедри "Гідропневмоавтоматики та гідравліки" Національного технічного університету України "КПІ"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Савенко В'ячеслав Якович завідувач кафедри “Будівництва та експлуатації доріг” Національного транспортного університету

кандидат технічних наук, доцент Кравчук Андрій Михайлович, доцент кафедри “Гідравліки та водовідведення” Київського національного університету будівництва і архітектури

Провідна установа Інститут гідромеханіки НАН України.

Захист відбудеться 10.10.2001р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 у Київському національному університеті будівництва і архітектури, ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Автореферат розісланий 06.09.2001р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Василенко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Багатокомпонентні середовища, зокрема нафтопродукти, як відомо, є одним із основних об'єктів в енергетиці, нафтопереробній галузі і машинобудуванні. Паливо, мастила і синтетичні матеріали знаходять широке застосування у машинобудуванні. Суттєві проблеми виникають із збереженням цих матеріалів, їх транспортуванням до споживача та економічним використанням, оскільки продукти нафтопереробки і багато інших рідких матеріалів, що використовуються у різних галузях промисловості, мають властивість розшаровуватись при тривалому зберіганні, що негативно позначається на якості кінцевого продукту. Одним із найбільш розповсюджених способів запобігання розшаруванню є підігрів і циркуляція рідини в резервуарі-сховищі, однак така технологія вимагає додаткових матеріальних витрат і не завжди забезпечує однорідність рідини, що зберігається. У теперішній час перспективним є використання при перемішуванні енергії кавітації.

Подана робота присвячена одному із напрямків у енергетиці і нафтопереробній галузі, пов'язаному з кавітаційною обробкою середовищ на базі нафти і нафтопродуктів; вирішенню деяких з даних проблем, зокрема дослідженню кавітаційного впливу на подібного типу багатокомпонентні рідини. При таких дослідженнях виникає цілий ряд задач, пов'язаних із питаннями впливу кавітації на зміну властивостей розглянутих рідин залежно від їх структурно-групового складу, температурних факторів та ін.

Програмою досліджень передбачено розгляд структури й особливостей течії таких середовищ, як коксохімічна сировина, термогазойль, піролізна смола та крекінггазойль, впливу на їхні властивості різного типу механічних явищ і ряду інших факторів, що пов'язані з особливостями їхньої переробки.

Актуальними у даному напрямку є питання кавітаційного перемішування; вивчення впливу кавітації на зміну реологічних і фізико-хімічних властивостей рідин, що досліджуються, на підвищення ефективності гідротранспорту і зниження гідравлічних втрат.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з науковим напрямком кафедри гідропневмоавтоматики та гідравліки НТУУ ”КПІ”, держбюджетною темою №2431 “Автоматизована система очищення резервуарів для зберігання нафтопродуктів та інших ємностей за допомогою струминного кавітаційного пристрою”, а також договорів з підприємствами.

Метою роботи є наукове обґрунтування та розробка кавітаційних методів впливу на гідравлічні (реологічні) характеристики степеневих неньютонівських рідин, зміну їх властивостей, пов'язаних із в'язкістю.

Задачі дослідження:

·

· розробити ефективні кавітаційні реактори для аномально-в'язких матеріалів типу коксохімічної сировини, термогазойлю, піролізної смоли, крекінггазойлю і встановити механізм і особливості кавітаційного впливу на ці середовища;

· розробити математичний опис гідродинамічного процесу в механічній мішалці та виявити структуру потоку;

· провести експериментальне дослідження процесу кавітаційного впливу на досліджувані середовища;

· зробити висновок про якість перемішування багатокомпонентних середовищ при кавітаційно-кумулятивній течії та зміну їх реологічних (гідродинамічних) властивостей;

· розробити методи кавітаційного впливу (потокові, струминні кавітаційні змішувачі, мішалки) на багатокомпонентні середовища і на їх підставі провести експериментальні дослідження, що дозволять визначити вплив інтенсивності кавітації на ступінь зміни в'язкості та інші фізико-хімічні властивості середовища;

· скласти методики щодо удосконалення гідравлічних систем підготовки сировини для виробництва технічного вуглецю.

Об'єкт дослідження – продукти переробки нафти і кам'яновугільної смоли, такі як газойлі каталітичного й термічного крекінгу, газойлі коксування, фенольні смоли і коксохімічна сировина.

Предмет дослідження – вплив кавітації на реологічні і гідравлічні характеристики степеневих неньютонівських рідин.

Методи дослідження – математичний опис та експериментальне дослідження процесів кавітаційного перемішування степеневих неньютонівських рідин, що описуються законом Оствальда де Віле, використання чисельних та аналітичних методів обробки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· вперше виявлено, що за певних умов кавітаційна обробка таких матеріалів, як коксохімічна сировина, піролізна смола, термогазойль, крекінггазойль та їх сумішей, може привести до зміни їхньої в'язкості;

· вперше запропоновано використання кавітаційних апаратів при адсорбційному очищенні трансформаторних мастил;

· отримані аналітичні і графічні залежності для визначення коефіцієнта гідравлічного тертя і рекомендації щодо його застосування за тимчасовим показником;

· запропонована науково обґрунтована технологія, яка дозволяє шляхом кавітаційно-кумулятивного перемішування середовищ забезпечувати зниження в'язкості структурованих сировинних композицій; змінювати в'язкісно-температурні залежності; підвищувати однорідність і стійкість нафтових дисперсних систем проти розшарування.

Практичне значення одержаних результатів. Проведені дослідження дозволяють використати їх результати для більш надійного обґрунтування, розрахунку і проектування технологічних і конструктивних параметрів робочих елементів кавітаційних апаратів з урахуванням реологічних властивостей середовищ, що перемішуються. Розроблено критерії, що дозволяють описати ступінь впливу кавітації на досліджувані середовища, і подано їх фізичне тлумачення. Це дозволило удосконалити технологію перемішування рідин, що зберігаються в резервуарах, що полягає в тім, що на відміну від раніше існуючих схем у технологічний контур встановлюється кавітаційний змішувач, що дозволяє одержувати більш однорідні рідини, стійкі до розшарування протягом визначеного часу.

Введення в зону кавітації відповідних адсорбентів дозволяє при істотній їх економії (майже у 3 рази), порівняно з іншими технологіями, забезпечити достатньо високий ступінь очищення.

Встановлено залежність між кавітаційною обробкою багатокомпонентних середовищ та їх реологічними і фізико-хімічними властивостями. На підставі досліджень представлені конструктивні рішення (А.с.№1727255, А.с.№1597333 ) задач, що пов'язані з виробництвом технічного вуглецю на Стаханівському заводі, удосконаленням лінії підготовки палива на Ладижинському заводі ферментних препаратів, підготовкою та зберіганням сировини на Трипільському біохімзаводі та приготуванням мастильно-охолоджуючої рідини на заводі “Ленінська кузня”.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, які викладені в дисертації, одержані особисто автором на основі проведеного їм аналізу існуючих методів реологічних та гідродинамічних досліджень таких неньютонівських рідин, як коксохімічна сировина, піролізна смола, термогазойль і крекінггазойль, проведено дослідження та одержано результати по визначенню фактору стійкості, рідин, що змішуються, а також дані про методи зниження гідравлічних опорів після кавітаційної обробки рідин.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і окремі розділи дисертації доповідались: на науково-практичних конференціях НТУУ “КПІ” (Київ, 1989, 1995, 2000); на всесоюзній науково-технічній нараді (Омськ, 1990); в Українському транспортному університеті (Київ, 1994); на українсько-польській науково-технічній конференції (Львів, 1996); на конференції “Гідромеханіка в інженерній практиці” (Київ, 1998, 2000; Черкаси, 1997; Суми, 1999).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі 5 у фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів основної частини, загальних висновків; викладена на 165 сторінках машинописного тексту, містить 13 малюнків, 10 таблиць, список використаних джерел з 120 найменувань, 6 сторінок додатків; загальний обсяг роботи 180 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проведення дисертаційного дослідження, встановлюється зв'язок із науковими програмами організацій, де виконувалась робота, визначається мета роботи та завдання; сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, що виносяться на захист; визначений особистий внесок здобувача; поданий перелік наукових семінарів та конференцій, де були представлені результати дисертаційних досліджень; приведений список публікацій, в яких висвітлено основні результати дисертації.

У першому розділі подано огляд літературних джерел, де розглянуто сучасні уявлення про колоїдні розчини та системи і визначено напрямки досліджень у нафтопереробній галузі.

Застосування газойлю каталітичного і термічного крекінгу, газойлю коксування, фенольних смол і коксохімічної сировини, які являють собою складні дисперсні системи, що містять асфальтени, смоли, поліциклічні ароматичні вуглеводні і парафіни як сировини для виробництва технічного вуглецю в промислових масштабах потребує розробки спеціальних засобів їх підготовки.

Фізико-хімічні й реологічні властивості сировини для виробництва технічного вуглецю, який є складною дисперсною системою, що містить асфальтени, смоли, поліциклічні ароматичні вуглеводні і парафіни, достатньо повно описані у роботах З.І.Сюняєва, Т.Г.Гюльмісаряна, та Л.О.Морозової.

У дисертаційній роботі наведений опис реологічної поведінки багатокомпонентних середовищ, зокрема, коксохімічної сировини, піролізної смоли, термогазойлю і крекінггазойлю, а також подано теоретичне обґрунтування можливості впливу на їх фізико-хімічні й реологічні властивості.

Як показав експеримент, подані рідини у робочому діапазоні градієнтів швидкостей можна моделювати за законом Оствальда де Віле.

Разом із тим встановлено, що кавітаційно-кумулятивний вплив на складне багатокомпонентне реологічне середовище, має цілий ряд наслідків як пов'язаних з однорідністю цього середовища, так і зі зміною його хімічного складу і фізико-механічних властивостей.

Аналіз літератури свідчить, що дотепер ще не достатньо повно вивчені аспекти впливу гідродинамічної кавітації на багатокомпонентні середовища. Відсутні порівняльні характеристики ефективності такого впливу на середовище у механічній мішалці і проточному кавітаційному змішувачі, а також точні методи опису цього процесу. Основна увага приділяється кавітації у ньютонівських рідинах. Що ж стосується неньютонівських середовищ, то їхнє поводження в зоні каверни майже цілком не вивчене. Також відсутні які-небудь достовірні відомості про вплив кавітації на реологічні властивості складних рідинних композицій, що найбільш часто застосовуються на практиці, та майже не проводився аналіз зв'язку між інтенсивністю кавітаційно-кумулятивного впливу у механічних мішалках, проточних і струминних змішувачах на реологічні властивості середовища і його хімічний склад.

Тому виникла необхідність проведення дослідів на стендах різних типів. Для одержання відповідних висновків автор вважає за доцільне вивчення структури потоку як у механічних мішалках, так і в проточних кавітаційних змішувачах.

У другому розділі наведено математичний опис та результати експериментальних досліджень процесів перемішування у механічній мішалці за наявності кавітації.

Залежно від конструкції мішалок, форми лопатей, інших факторів можливе існування двох схем:

- схема, при якій токи й вихори є взаємоортогональними. Дисипативні процеси в цьому випадку переважно визначаються інтенсивністю вихроутворення;

- схема, при якій токи й вихори збігаються. При цьому спостерігається гвинтовий рух рідини. Інтенсивність енергетичного обміну значно менше, ніж у першому випадку.

Доведено, що рівняння руху рідини в механічній мішалці за певних умов, може бути подано у вигляді:

, (1)

де k - напруга гвинтового руху.

Розв'язавши рівняння (1) методом Фур'є, одержуємо:

, (2)

де I1(kr) – бесселева функція першого роду; Y1(kr) - другий розв'язок рівнянь Бесселя, що перетворюється на нескінченність при r=0. Тоді рівняння (2) набуває вигляду:

, (3)

де і - сталі інтегрування.

Граничні умови окремих задач при виборі значень k можуть бути такими:

- при безперервному розподілі компоненти швидкості на контурі, що аналізується, чи за наявності в даному перерізі реактора декількох замкнених контурів k може мати будь-яке значення;

- у випадку рівності нулю компоненти швидкості по всьому контуру значення k визначаються методом добору.

Тоді: ; (4)

. (5)

При визначенні сталих A і B у рівнянні (3) вводимо граничні умови, базуючись на експериментальних даних Нагати, аналіз яких показав, що uj змінюється за законом площ поза зоною квазітвердого обертання рідини ujmax=wrc, (uj)r=R=0,64 ujmax, (при відношенні висоти стовпа рідини до діаметра мішалки L/D=1).

За умови непроникності рідини через стінку ємкості для ur гранична умова запишеться так: при r=R , ur=0.

; (6)

; (7)

(8)

Враховуючи прийняті граничні умови, за допомогою рівнянь (6)-(8) можна охарактеризувати поведінку потоку у механічній мішалці і знайти співвідношення між складовими швидкості. При зростанні числа Рейнольдса (Re) складові ur, uz, uj можуть досягнути свого критичного значення, при якому виникає кавітація. Значення абсолютної швидкості:

де .

При цьому корінь бесселевої функції I1(kr) визначається з умови I1(kr)=0.

Швидкості ur, uz, uj можуть істотно відрізнятися одна від одної. Значення колової швидкості uj може на порядок перевищувати середні значення ur , uz і майже не змінюється по висоті мішалки. Виникнення радіальної течії сприяє створенню зон зниженого тиску, а отже, при достатньо високих числах Рейнольдса (Re) - формуванню каверни. У вторинних, течіях вихрові лінії збігаються з траєкторіями часток.

Структура потоку у мішалці така, що, завдяки вищенаведеному, можна спостерігати гвинтовий рух.

Таким чином, можна визначити число кавітації у конкретній точці, що знаходиться на відстані r (за умови, що відомо ). Водночас через невизначеність (існування різних підходів до визначення числа кавітації) разом з числом кавітації c необхідно використовувати число Рейнольдса (Re), критерій Фруда (Fr) або критерій Вебера (We).

Залежно від типу мішалки різною буде і структура потоку середовища, що перемішується. Як зазначено у роботі П.Г.Романкова, при достатньо високих значеннях модифікованого числа Рейнольдса () потік може з ламінарного режиму перейти у турбулентний (5Ч102…103), а потім виникає кавітація.

Під час експериментів (результати яких наведено у дисертації) було встановлено, що кавітація виникала при Reм=2600…3200 для різноманітних типів рідин. Поява кавітації за даних умов руху багатокомпонентного середовища сприяє прояву ряду ефектів, пов'язаних із фізико-хімічними властивостями рідини. Через складність процесів, що відбуваються при цьому (багатокомпонентне середовище є аномально в'язкою рідиною), структура потоку має складний характер, дослідження впливу гідродинамічних процесів (у тому числі й кавітації), що виникають у мішалці, проводилися експериментально.

Враховуючи вищезгадане, експеримент проводився у два етапи:

1. Одержання якісної картини на механічній мішалці із кількісним аналізом кінцевих результатів після кавітаційної обробки.

2. Уточнення отриманих експериментальних даних на напівпромисловому стенді з оцінкою ефективності впливу на потік.

У зв'язку з цим було проведено планування експерименту з урахуванням того, що на розмір в'язкості при кавітаційному перемішуванні таких середовищ, як компоненти сировини для одержання технічного вуглецю, впливають параметри:

Тобр - температура обробки сировинної композиції, К; р - тиск, Па;

uсер - середня швидкість, м/с; t - час перемішування, с;

ma, mb, mc - масові частки компонентів композиції, кг;

W - об'єм суміші, що перемішується, м3; r - густина рідини, кг/м3;

Тф - температура фазового переходу, що відповідає найменшій в'язкості практично зруйнованої структури, К; t - напруга зсуву, Н/м2.

У результаті планування експерименту та використання p-теореми встановлені межі зміни вищезгаданих чинників.

Рис.1. Принципова схема експериментальної кавітаційної установки

Експериментальні дослідження проводились на стенді замкненого типу (рис.1), що передбачав можливість дослідження течії багатокомпонентних неньютонівських середовищ.

Тиск за лопаттю крильчатки 7 вимірювався вакуумметром 9, об'єм газопарової фази в ємкості 5 дорівнював кількості рідини в ємкості 4, кількість обертів вала електродвигуна 1, що був з'єднаний муфтою 2 з валом 3, цифровим тахометром 8. Для запобігання розкручуванню рідини у ємкості 5 встановлено перегородки 6.

Дослідження проводилися за двома напрямками:

1) при фіксованому часі перемішування змінювалися гідродинамічні параметри (швидкість обертання крильчатки, тиск у ємкості з досліджуваною рідиною);

2) при фіксованій швидкості обертання крильчатки змінювався час обробки рідини.

Крім того, змінювалася температура оброблюваної рідини. Конструкція установки дозволяла незалежно один від одного варіювати всі перераховані вище параметри, що значно розширило область експериментальних даних, отриманих під час досліджень.

Крім досліджень характеристик потоку й властивостей рідини в мішалці, у процесі її роботи, паралельно проводилися дослідження, пов'язані з вивченням розподілу тисків на поверхні лопатей мішалки. Такі дослідження були необхідні для виявлення зон розрідження на лопатях, визначення їх розмірів, розміри розрідження й впливу на нього кількості обертів лопатей.

Реологічні властивості робочих рідин вивчалися як до проведення експерименту з ними в мішалці, так і після, що дозволило зробити висновок про ступінь кавітаційно-кумулятивного впливу на досліджуване середовище.

У ході експерименту використовувалась трилопатева мішалка з лопатями, що виконані у формі трапеції, одного типорозміру з діаметром крильчатки dк=50мм. На поверхні лопаті, товщиною d=3мм, були виконані отвори, за допомогою яких у фіксованих точках вимірювався тиск (розрідження).

Дослідження проводилися при обертанні лопатей у циліндричному об'ємі із діаметром циліндра Dцил=100 мм. Кількість обертів крильчатки змінювалася від 3000 до 8000 1/хв. На рис.2 показано розподіл тисків (розрідження) по поверхні лопаті при різній кількості обертів крильчатки.

Про характер зміни ступеня розрідження у різних фіксованих точках лопатей, залежно від кількості обертів, можна судити з рис.2. За ступенем розрідження на лопаті можна судити про інтенсивність кавітації.

Оскільки одним із найважливіших показників, що визначає технологічність сировини, є в'язкість, було вивчено вплив кавітаційно-кумулятивної дії на її реологічні властивості. На рис.3 подана залежність зміни в'язкості для коксохімічної сировини, що оброблялась протягом 2 хв при температурі 20°С і частоті обертання крильчатки 6000 1/хв і 7500 1/хв.

За залежністю (рис.3), можна зробити висновок, що в'язкість коксохімічної сировини, обробленої при 6000 1/хв (рис.3, крива 1), відновлюється до початкового значення через 3 доби, а в'язкість сировини, обробленої при 7500 1/хв (рис.3, крива 2), не відновлюється навіть через 14 діб. Зменшення в'язкості можна пояснити руйнуванням складних структурних одиниць (ССО) нафтової дисперсної системи мікроструменями з високими ударними тисками, що виникають у результаті схлопування кавітаційних бульбашок.

Рис. 2. Розподіл розрідження на лопаті крильчатки залежно від кількості обертів, на відстані від передньої кромки

Процес руйнування ССО може мати невідновний характер, що свідчить про високу агрегативну стійкість системи.

Для коксохімічної сировини до процесу кавітаційної обробки реологічні константи будуть такими k=0,1255(ПаЧсn) і n=0,81. Для цієї ж сировини, обробленої протягом 2хв при температурі 20°С, реологічні константи k і n дорівнюють відповідно 0,1095(ПаЧсn) і 0,9. Отримані результати дозволяють зробити висновок про те, що може бути підібраний такий режим кавітаційного перемішування сировинних композицій, у результаті якого їхні властивості істотно наблизяться до властивостей ньютонівської рідини. Подібні особливості кавітаційного методу перемішування високов'язких середовищ виявляються у зміні в'язкісно-температурних залежностей.

При вивченні в'язкісно-температурних залежностей досліджуваних сировинних композицій установлено, що вони можуть мати складний характер.

Так, для суміші 20% крекінггазойлю і 80% коксохімічної сировини крива, що характеризує зміну в'язкості, має екстремум при 80°С (рис.4, крива 1).

Пояснюється це, очевидно, тим, що під дією температури товщина сольватної оболонки ССО зменшується, сили міжмолекулярної взаємодії зростають і в'язкість збільшується. Подальше збільшення температури веде до руйнування ССО і зменшення в'язкості. Крива в'язкісно-температурної залежності цієї суміші після кавітаційного впливу "згладжується", тобто зникає екстремальна точка на кривій в'язкісно-температурної залежності (рис.4, крива 2), оскільки ССО руйнується, що покращує експлуатаційні властивості сировини.

Оцінку стійкості нафтових дисперсних систем проводять за фактором стійкості, що є відношенням концентрацій дисперсної фази, встановленої за фіксований час у двох прошарках, які знаходяться один від одного на визначеній відстані у напрямку сил осадження. Аналіз літературних джерел і результатів лабораторних експериментів дозволив рекомендувати для оцінки колоїдної стійкості відношення в'язкості верхнього й нижнього прошарків, проб сировинних композицій, що названо фактором стійкості. На рис.5 наведена зміна фактора стійкості з часом для суміші 40% термогазойлю і 60% коксохімічної сировини, що зазнала кавітаційного впливу різної інтенсивності протягом 2 хв.

Криві 1 та 2 характеризують фактор стійкості композиції 40% термогазойлю і 60% коксохімічної сировини, що оброблена при 6000 та 8000 1/хв, відповідно. Крива 3 являє собою зміну у часі фактора стійкості необробленої композиції.

Як видно з рис.5, при збільшенні інтенсивності кавітаційного впливу, фактор стійкості суміші досягає найбільшого значення і мало змінюється в досліджуваному діапазоні часу. Збільшення фактору стійкості сировинних композицій після кавітаційної обробки пов'язано зі зміною складу дисперсійного середовища і його розчинюючої здатності.

Таким чином, отримані результати дають можливість шляхом кавітаційно-кумулятивного перемішування середовищ забезпечувати зниження в'язкості структурованих сировинних композицій; змінювати в'язкісно-температурні залежності; підвищувати однорідність і стійкість нафтових дисперсних систем проти розшарування.

У третьому розділі для порівняння ефективності кавітаційного впливу на багатокомпонентні середовища у мішалці і потоковому змішувачі увагу зосереджено на фізичному моделюванні процесів перемішування за наявності кавітації. Подано результати дослідження перемішування у каверні, що утворюється у потоці в'язкої або аномально-в'язкої рідини, яка рухається в циліндричній трубі.

Наведено опис експериментальної гідродинамічної труби, що являє собою установку замкненого типу безупинної дії з вертикально розташованим прямим каналом і горизонтально розташованим оберненим каналом, сполученими відповідно з ресорбером і деаератором, та горизонтально розташованою робочою ділянкою (РД) з конусним затвором, системами вимірювання і регулювання швидкості потоку в РД, розподілу тиску в РД, температури, вимірювання й регулювання вмісту газу.

Подано опис напівпромислової установки, що є кавітаційною трубою розімкненого типу з горизонтально розташованою робочою ділянкою. Ця установка розроблена на базі існуючої технологічної схеми Стаханівського заводу технічного вуглецю для дослідження гідродинаміки кавітаційних течій рідких вуглеводнів, що застосовуються у виробництві технічного вуглецю, і впливу кавітаційно-кумулятивного перемішування на їхні фізико-хімічні властивості.

У промисловості існує багато технологічних процесів, що припускають використання адсорбентів і мають недоліки, наприклад такі як велика витрата адсорбенту й необхідність його фракціонування, низька продуктивність, висока трудомісткість та ін. Тому для вивчення впливу кавітації на перемішування рідин і сипучих матеріалів була спроектована і виготовлена установка, опис якої, методика проведення експериментів і їх основні результати так само подані в третьому розділі.

Експерименти показали, що введення в зону кавітації відповідних адсорбентів дозволяє при істотній їх економії (майже у 3 рази), порівняно з іншими технологіями, забезпечити достатньо високий ступінь очищення. Це пояснюється кавітаційним впливом на збільшення питомої площі контакту адсорбенту з мастилом. Проведені експериментальні дослідження показали ефективність роботи потокових змішувачів і їхні переваги порівняно з механічною мішалкою, що визначаються безперервністю процесу й можливістю використовувати їх як пристрої для інтенсифікації адсорбційного очищення мастил.

У четвертому розділі розглянуто виявлений ефект зниження в'язкості після кавітаційної обробки багатокомпонентних середовищ і дані пропозиції при транспортуванні нафтопродуктів із меншими витратами енергії.

У розглянутих нами роботах не зверталась увага на те, що гідравлічні опори при транспортуванні багатокомпонентних середовищ можна здійснювати на підставі технології, яка пов'язана з попередньою кавітаційною обробкою рідин, що призводить до зменшення на визначений час динамічної в'язкості.

У результаті експериментів було встановлено, що в'язкість сировини після кавітаційної обробки може змінитися, тобто

mк=bm0,

де m0- коефіцієнт динамічної в'язкості вихідної (необробленої) сировини або сировинної композиції;

b- коефіцієнт, що враховує зміну в'язкості і, як наслідок, інтенсивність кавітаційного впливу на середовище.

Отже, коефіцієнт b залежить від природи сировини або сировинної композиції, інтенсивності кавітаційної обробки, температури, часу обробки, часу збереження після обробки, реологічних і фізико-хімічних параметрів рідини:

b=f(c, T, uсер, t, k, n, r, ),

приймаючи, що mк=m m0, отримаємо

,

де Red - число Рейнольдса, розраховане для безкавітаційної течії рідини;

Reк- число Рейнольдса, розраховане для течії рідини, підданій кавітаційній обробці.

Як відомо, коефіцієнт гідравлічного тертя залежить від числа Рейнольдса, тобто l=f(Re) і для ламінарного режиму течії дорівнює у загальному випадку для рідини, що підпорядковується закону

,

де n - індекс течії, а число Рейнольдса записано відповідно до закону Оствальда де Віля.

Для турбулентного режиму течії коефіцієнт гідравлічного тертя lт може бути визначений, наприклад, за формулою Блазіуса, яка з урахуванням Reк набуває вигляду

.

Залежно від фізико-хімічних властивостей рідини коефіцієнт b може бути більше або менше одиниці, тобто l0< lк <l1 .

Проте недоліком є те, що в явному вигляді у формулу не входить залежність коефіцієнта гідравлічного тертя l від реологічних параметрів рідини (n,k), хоча n може істотно впливати на коефіцієнт b, що враховує зміну в'язкості, оскільки зі зміною m може змінитися реологічний закон або його параметри (n,k). Доджем і Метцнером був визначений вигляд функції l=f(Re,n) для неньютонівських рідин, що описуються степеневим законом. Ця функція являє собою узагальнений логарифмічний закон Кармана:

.

Для визначення l у першому наближенні при 2320?Re?105 можна використовувати формулу Блазіуса, отриману для ньютонівських рідин, яку Додж і Метцнер, узагальнюючи, перетворили до вигляду

l=4a (Re) -b ,

де a і b - параметри, що залежать від n.

За аналогією з даними дослідженнями були побудовані криві залежно від ступеня кавітаційної обробки, яка може впливати на n.

При цьому після кавітаційної обробки m і n змінюються, що відображено на відповідних графіках (рис. 6).

Як показали експериментальні дослідження, кавітаційна обробка, поданих у роботі складних реологічних середовищ приводить у деяких випадках до зменшення в'язкості і зміни індексу течії рідини у реологічному законі Оствальда де Віля.

Таким чином, у фіксованому інтервалі часу після кавітаційної обробки можна забезпечити течію рідини при однакових енергетичних втратах, але при значно більших швидкостях, тобто підвищити пропускну здатність трубопроводу.

Ступінь пропускної здатності буде відрізнятися так само в залежності від зміни коефіцієнта гідравлічного тертя l, як функції індексу течії l=f(n).

У проведених експериментах індекс течії “до” і “після” кавітаційної обробки змінювався від 0,7 до 1,2, тому експериментальні точки розташовуються на графіку близько одна від одної. Проте при порівняно незначній зміні індексу течії в'язкість змінювалася істотно: приблизно до 10%, чим можна пояснити ефект підвищення пропускної здатності трубопроводу.

Як видно з графіка (рис.6), коефіцієнт гідравлічного тертя l має різні значення при однакових числах Рейнольдса. Так, наприклад, для коксохімічної сировини при Re=10000 значення lобр має найменше значення протягом приблизно 1 години після обробки і відрізняється від значення lнеобр для необробленої сировини на 3,12%. Отже, при транспортуванні обробленої сировини втрати на тертя по довжині будуть менші. З іншого боку, при lобр=lнеобр, Reобр>Reнеобр, тобто оброблену сировину можна транспортувати з більшою швидкістю.

Рис.6. Визначення коефіцієнта тертя l як функції числа Рейнольдса для коксохімічної сировини, обробленої у механічній мішалці при 60001/хв протягом 2 хв

Таким чином, при визначенні гідравлічних втрат запропоновано використовувати таку методику.

1. Обробивши певним чином за допомогою кавітації досліджувану рідину визначають ступінь зміни в'язкості і якою мірою початкові реологічні константи змінилися під впливом кавітації.

2. На підставі цих відомостей для даного технологічного режиму транспортування (відомої uсер або Q) визначається число Рейнольдса (Re), і залежно від відкоректованого індексу течії n визначається ?.

Варто враховувати період часу, протягом якого значення в'язкості є стабільним. Зважаючи на те, що, як показали експерименти, в'язкість після кавітаційної обробки відновлюється частково або повністю, n=f1(t), k=f2(t), отже, цей чинник необхідно враховувати при розрахунку втрат.

ВИСНОВКИ

1. Досліджено реологічні властивості колоїдних розчинів і систем (коксохімічної сировини, термогазойлю, піролізної смоли, крекінггазойлю та їх сумішей) і надані рекомендації щодо побудови реологічних кривих і розрахунку відповідних коефіцієнтів.

2. З урахуванням реологічних особливостей багатокомпонентних середовищ проведені експериментальні дослідження і математичний опис гідродинамічних процесів у механічних мішалках, у тому числі і за наявності кавітації. Як показали результати такого моделювання, при визначеній інтенсивності кавітаційного впливу коксохімічна сировина може змінювати свої реологічні властивості, зокрема, за певних умов може зменшитися в'язкість із наступним відновленням через 144 години.

3. Кавітаційна обробка коксохімічної сировини дозволила підвищити розчинюючу здатність дисперсійного середовища, що обумовлює високий ступінь перемішування і збільшення фактору стійкості Фс, що дорівнює 0,9…1.

4. Узагальнення відомостей про кавітаційний вплив на зміну реологічних властивостей багатокомпонентних середовищ дало можливість розробити й запропонувати рекомендації щодо підвищення продуктивності трубопровідних систем, які забезпечують транспортування досліджуваної сировини. Таким чином, уперше був розроблений спосіб зменшення гідравлічних опорів при транспортуванні багатокомпонентного середовища за рахунок його попередньої кавітаційної обробки.

5. Розроблені методики, що використовують досліджувані ефекти, покладено в основу розробок, впроваджених на Стаханівському заводі технічного вуглецю, Ладижинському заводі ферментних препаратів, Трипільському біохімзаводі і Московському дріжджовому заводі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кавитация в переработке нефти / Яхно О.М., Коваль А.Д., Пищенко Л.И., Паскалов В.П., Яске Н.Н. -К.: Світ, 1999. -257с.

2. Коваль А.Д. Исследование кавитационного воздействия на реологические свойства многокомпонентных жидкостей// Вестник НТУУ“КПИ”. –2000. –Вып.38. –Т.2. –С.180-184.

3. Коваль А.Д., Яхно Б.О. Метод снижения гидравлического сопротивления потока путем кавитационного воздействия на жидкую среду// Вестник НТУУ “КПИ”. –2000. –Вып.39. –С.147-154.

4. Яхно О.М., Яске Н.Н., Коваль А.Д. Особенности кавитационной технологии перемешивания высоковязких жидкостей// Химическое и нефтяное машиностроение. –1996. – №3. –С.23-26.

5. Влияние температуры на коллоидно-химические свойства сырья для производства технического углерода/Н.Н.Яске, О.М.Яхно, А.Д.Коваль, А.С. Самохвалов, В.В.Монятовский // Хим. технология. –1990. –№6. –С.48-51.

6. Влияние кавитационной обработки на коллоидно-химические свойства сырья для производства технического углерода / Н.Н.Яске, О.М.Яхно, А.Д.Коваль, А.С.Самохвалов, В.В.Монятовский // Хим. технология –1991. –№4. –С.67–71.

7. Анализ размерностей для определения зависимости структурно-механических свойств смесей от факторов воздействия на процесс их приготовления/Н.Н.Яске, О.М.Яхно, А.Д.Коваль, А.С.Самохвалов, В.В.Монятовский // Хим. технология –1992.-№6. –С.67-69.

8. Способ выгрузки из цистерн наливных грузов с твердым осадком: А.с. 1597333 СССР, МКИ B65D88/74/ В.В.Монятовский, Б.В.Русин, Л.И.Пищенко, А.М.Ермолов, В.А.Кленин, М.С.Цеханович, А.С.Самохвалов, Г.М.Давидан, Л.Н.Олейник, В.В.Ушаков, А.Д.Коваль (СССР). -№4423896/31-13; Заявлено 11.05.88; Опубл. 07.10.90, Бюл. №37. –2с.

9. Коваль А.Д., Яхно О.М., Яске Н.Н. Анализ результатов смешения сложных реологических сред в механической мешалке при наличии кавитации// Праці II Української науково-технічної конференції “Гідромеханіка в інженерній практиці”. –Черкаси: ЧІТІ, 1998. –С.130-135.

10. Олег Яхно, Олексій Коваль Кавітація в процесах очищення стічних вод промислових підприємств// Українсько-польська науково-технічна конференція “Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод”. –Львів: Жовтень, 1996. –С.492.

АНОТАЦІЇ

Коваль А.Д. Вплив кавітації на реологічні і гідравлічні характеристики степеневих неньютонівських рідин. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – Гідравліка та інженерна гідрологія - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2001.

У дисертації обґрунтована фізична модель кавітаційного впливу на багатокомпонентні неньютонівські рідини типу піролізної смоли, термогазойлю, коксохімічної сировини, крекінггазойлю. Наведено опис процесу перемішування рідин у мішалках і проточних змішувачах при дії на рідину кавітації. Розроблено експериментальні стенди і наведено результати дослідження, пов'язані з аналізом наслідків кавітаційного впливу на багатокомпонентні середовища. Проведені реологічні дослідження таких середовищ, які показали, що в певному діапазоні температур і градієнтів швидкостей ці середовища можуть бути описані степеневим законом Оствальда де Віля.

Виявлено, що при проходженні досліджуваних середовищ та їх сумішей через кавітаційний змішувач у ряді випадків відбувається помітна зміна реологічних властивостей, зокрема, коефіцієнта динамічної в'язкості. Даний ефект дозволяє розробити методики, пов'язані з транспортуванням продуктів із меншими енергетичними втратами.

Визначено критерії, що дозволяють проводити оцінку ступеня кавітаційного впливу на складне реологічне середовище. На підставі результатів експериментальних досліджень і математичного опису процесів перемішування запропоновано методики розрахунку кавітаційних змішувачів-реакторів і їх впроваджено на підприємствах нафтохімічної, харчової і хімічної промисловості.

Ключові слова: кавітація, гідравлічні втрати енергії, в'язкість, реологічний закон, швидкість зсуву, градієнт швидкості, фактор стійкості.

Коваль А.Д. Влияние кавитации на реологические и гидравлические характеристики степенных неньютоновских жидкостей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология- Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2001.

В диссертации обоснована физическая модель кавитационного воздействия на многокомпонентные неньютоновские жидкости типа пиролизной смолы, термогазойля, коксохимического сырья, крекинггазойля. Дано описание процесса смешения жидкостей в мешалках и проточных смесителях при воздействии на жидкость кавитации. Разработаны экспериментальные стенды и приведены результаты исследования, связанные с анализом последствий кавитационного воздействия на многокомпонентные среды. Проведенные реологические исследования таких сред показали, что в рассматриваемом диапазоне температур и градиентов скоростей эти среды могут быть описаны степенным законом Оствальда де Виля, причем при определенных условиях данные среды близки по своим свойствам к псевдопластичным и дилатантным жидкостям.

Приведено математическое описание поведения рассматриваемых сред в механической мешалке, с целью выяснения структуры потока в них. Работа мешалки в кавитационном режиме исследована на экспериментальном стенде, позволявшем осуществлять визуализацию потока.

Получены характеристики реологических сред после их кавитационной обработки, в частности фактора устойчивости Фу, характеризующим стабильность смесей против расслоения.

Обнаружено, что при прохождении рассматриваемых сред и их смесей через кавитационный смеситель в ряде случаев происходит заметное изменение реологических свойств, в частности коэффициента динамической вязкости. Данный эффект позволяет разработать методики, связанные с транспортировкой продуктов с меньшими энергетическими затратами.

Определены критерии, позволяющие проводить оценку степени кавитационного воздействия на сложную реологическую среду. На основании физического и математического моделирования предложены методики расчета кавитационных смесителей-реакторов и осуществлено их внедрение на предприятиях нефтехимической, пищевой и химической промышленности.

Ключевые слова: кавитация, гидравлические потери энергии, вязкость, реологический закон, скорость сдвига, градиент скорости, фактор устойчивости.

Koval A.D. The Effect of Cavitation upon Rheological and Hydraulic Characteristics of Exponential Non-Newton Liquids. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Science degree in Technique by speciality 05.23.16 –Hydraulics and engineering hydrology - National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2001.

In the thesis the physical model of cavitational influence on multicomponent non-Newtonian fluid such as pyrolysis resin, thermal gas oil, raw materials of chemical-recovery carbonisation, cracked gas oil is grounded. The description of fluid mixing process in stirring rod and flow mixers under the cavitational influence is given. Experimental stands have been worked out and the results of the research connected with the analysis of cavitational influence consequence for multicomponent medium are brought. Carried out rheological researches of such medium can be described by exponential Ostvald-de-Ville's law.

It has been found out that while passing of the considered medium and its mixtures through cavitational mixer in a number of cases remarkable change in rheological properties take place, in particular in the dynamic viscosity coefficient. The given effect makes it possible to develop techniques concerning product transportation with lower power expenditures.

The criteria permitting the assessment of the degree of cavitational influence on complex rheological medium have been distinguished. On the basis on physical and mathematical simulation the methods for the design of cavitational mixers-reactors have been offered and implemented on petrol- chemical, food retail and chemical industry enterprises.

Key words: Cavitation, hydraulic energy losses, viscosity, rheological law, velocity gradient, stability factor, displacement speed.