Кавитатор принцип действия: Отличия кавитаторов, их применение в гидродинамических установках УКГ

alexxlab

Отличия кавитаторов, их применение в гидродинамических установках УКГ

Тяжелые фракции нефти обладают высокой вязкостью, содержат растворенные газы, твердые включения, продукты окисления, воду, балластные вещества, большое количество углеводородов парафинового типа. Кроме того, качество мазутов сильно снижается от длительного хранения. Они насыщаются водой, веществами органического происхождения, окисляются. Это несколько ограничивает применение мазутов в качестве топлива, особенно в условиях жестких требований к содержанию вредных веществ в выбросах.

Главными проблемами теплоэнергетических предприятий, использующих в качестве топлива тяжелые углеводороды, являются низкая энергетическая эффективность мазутов, высокое содержание токсичных продуктов в выбросах, сильный износ тепловых установок при сжигании черных нефтепродуктов. Разработки решений ведутся в двух направлениях:

  • Усовершенствование котельных агрегатов и печей.
  • Улучшение характеристик топлива, увеличение его теплотворной способности и снижения примесей.

Для повышения интенсивности процесса горения топлива используется распыление мазута через форсунки специальной конструкции под высоким давлением. Это позволяет увеличить теплоотдачу и снизить количество выбросов. Серьезными недостатками такого оборудования являются его высокая стоимость, необходимость часто менять фильтры, дороговизна технического обслуживания и ремонта. Многочисленные испытания энергетических установок выявили зависимость износа горелок и других узлов от качества топлива.

Таким образом, обработка мазутов является наиболее перспективным направлением в области повышения эффективности теплоэнергетики предприятий. Процесс подготовки топлива должен решать следующие задачи:

  • Увеличить энергетическую ценность мазутов.
  • Снизить содержание веществ, снижающих срок службы печей и котлов, а также уменьшить токсичность продуктов горения.

Кавитационная обработка мазутов позволяет успешно решить эти задачи. При схлопывании разряженных пузырей возникает ударная волна, которая разбивает цепочки молекул, веществ, содержащихся в топливе, разрушает его физико-химическую структуру.

После такой обработки возрастает количество низкомолекулярных соединений и образуется новая структура. В результате химических реакций снижается количество примесей, содержащих серу и фосфор.

Существует несколько видов кавитаторов, имеющих разную конструкцию и принцип действия:

  • Ультразвуковые или магнитострикторы. Явление кавитации возникает под действием ультразвуковых колебаний мембраны этого устройства.
  • Пассивные. Эти установки содержат трубы разного диаметра и резервуары, где происходит завихрение потока.
  • Активные. Эти устройства свою очередь делятся на лопастные и гидродинамические. Первые состоят из рабочего колеса и статора. Эффект кавитации возникает благодаря вращению подвижной части установки. В гидродинамических установках полости разряжения образуются посредством резкого изменения скорости потока.

Ультразвуковые устройства имеют малую производительность и очень высокую цену. Они также весьма дороги в обслуживании. Использовать ультразвуковые кавитаторы для обработки нефтепродуктов экономически нецелесообразно. Основная сфера применения установок такого типа – парфюмерно-косметическая и фармацевтическая промышленность.

Пассивные или установки ФЬЮСОНИК – имеют простую конструкцию и невысокую стоимость. Кроме этого, к достоинствам аппаратов этого типа следует отнести:

  • Способность выдерживать высокую температуру и давление.
  • Отсутствие необходимости осуществлять замену узлов установки.

При всех преимуществах пассивные кавитаторы имеют ряд серьезных недостатков, ограничивающих их применение, таких как:

  • Невозможность настройки параметров в зависимости от вязкости и других свойств нефтепродуктов.
  • Крупный размер частиц эмульсий. Обработка на аппарате ФЬЮСОНИК не позволяет получать смеси мелкодисперсной структуры. Минимальный размер частиц составляет 10 мкг.
  • Продолжительность обработки. Кавитация возникает только в камерах аппарата, для получения продукции необходимого качества требуется несколько раз пропускать жидкость через кавитатор.
  • Образование отложений на внутренних стенках установки. Это приводит к ухудшению гидродинамических характеристик аппарата и ухудшению качества получаемого продукта.

Рабочим органом лопастных кавитаторов являются колеса с лопатками определенного размера и профиля. Области разряжения возникают благодаря их вращению. Такие аппараты эффективней пассивных, однако, имеют свои недостатки:

  • Быстрый износ лопастей, которые постоянно подвергаются кавитационным ударам.
  • Образование полостей с отрицательным давлением происходит только за лопастями крыльчатки.

Гидродинамические кавитаторы состоят из подвижного и неподвижного корпусов, статора, приводного электродвигателя, подшипников. В роторе и статоре выполнены отверстия. При вращении подвижной части аппарата возникают периодически открывающиеся и закрывающиеся окна. Кавитационные пузыри возникают при резкой остановке потока при закрытии окна. Установки такого типа имеют следующие недостатки:

  • Необходимость частой замены ротора и статора, которые изнашиваются от воздействия ударной волны.
  • Наличие зазора между ротором и статором.

Зазор между вращающейся и неподвижной частями установки является основным недостатком гидродинамических аппаратов. Через него возникает свободный ток жидкости, что препятствует возникновению условий для кавитации во всем объеме нефтепродуктов. Минимально возможный зазор – 0,1 мм. Однако при изменении размеров ротора и статора под влиянием высокой температуры возможно трение подвижной части о внутренние стенки статора.

Кавитаторы, производимые нашим производственным объединением, лишены обычных недостатков гидродинамических аппаратов. Они обладают следующими преимуществами:

  • Наличие уплотнителей уникальной конструкции, позволяющих уменьшить зазор между ротором и статором до минимально возможного.
  • Возможность замены рабочих частей без демонтажа кавитатора.
  • Возможность регулировки зазора между ротором и статором с учетом температурного расширения узлов установки и их износа.

Изменение промежутка между вращающейся частью установки возможно благодаря перемещению статора в корпусе аппарата по направляющим посредством регулировочного винта.

1. Статор, 2. Ротор, 3. Корпус излучателя, 4. Крышка корпуса, 5. Корпус неподвижный, 6. Корпус подвижный, 7. Вал, 8. Подшипник.

Работа установок гидродинамического типа осуществляется следующим образом. Жидкость подается в аппарат под определением давлением. Подвижная часть установки с отверстиями определенного размера и профиля вращается в неподвижном статоре, который имеет окна той же формы и размеров. При совпадении отверстий жидкость проходит через них со скоростью, определяемой величиной напора подающего насосного агрегата.

При закрытии окна поток резко изменяет скорость. За счет инерции жидкость растягивается, внутри нее резко падает давление. При его снижении вещества, растворенные в ней, вскипают и переходят в газообразное состояние. Благодаря этому, в жидкости образуются микрополости разряжения. Далее сила инерции, атмосферного давления и давления разряжения в кавитационном пузыре уравниваются. Эта фаза называется точкой равновесия, ее продолжительность исчисляется миллисекундами.

а,б,в рост кавитационной полости, уменьшение силы инерции, г – равновесие

Далее при ослабевании инерции давление разряжения внутри пузырьков начинает превышать равновесные значения, происходит интенсивное схлопывание образовавшихся полостей. В это время отверстия ротора и статора снова совмещаются, что приводит к усилению интенсивности процесса схлопывания. Благодаря встрече разнонаправленных потоков, образованных током жидкости через окно, и схлопыванием кавитационных микропузырей, возникает гидроудар, который способствует дроблению крупных молекул и разрыву структурных связей между частицами жидкости. В результате такой обработки получается жидкость, имеющая другую структуру. Кроме того, кавитация способствуют выделению растворенных газов и протеканию химических реакций, что снижает содержание нежелательных примесей.

а,б,в – схлопывание кавитационной полости рост скорости потока, г — гидроудар

Во время кавитационной обработки вода разбивается на поляризованные микрочастицы размером 1-3 мкм (мицеллы). К заряженным частицам воды притягиваются углеводородные молекулы с разноименным зарядом. За счет равномерного распределения частиц воды в мазуте и сил притяжения образуется эмульсия с устойчивой структурой, не подверженная разрушению при низких температурах и длительном хранении.

При сжигании водоэмульсионного топлива происходят следующие процессы:

Вода, содержащаяся в эмульсии, вскипает при попадании в топку. Мицеллы начинают резко расширяться. Испарению воды препятствуют налипшие на микрочастицу углеводородные соединения. В определенный момент микрокапли взрываются и распыляют частицы мазута в зоне сжигания. Это эквивалентно распылению топлива под высоким давлением. За счет многократного увеличения площади соприкосновения мазута и воздуха, процесс его сгорания протекает более интенсивно, что существенно увеличивает количество выделяемого тепла, снижает содержание токсичных веществ, а также позволяет уменьшить температуру отходящих продуктов горения.

Таким образом, использование такого топлива позволяет отказаться от дорогостоящих энергетических установок с системой распыления мазута под значительным избыточным давлением.

Результаты замеров показали, что при содержании воды до 40% теплотворная способность топлива практически не изменяется. Разница между количеством энергии выделяемого при сжигании топлива с содержанием воды 40% и 10% составляет всего 1 %.

Применение топлива, получаемого на наших установках, позволяет:

  • Снизить расход мазута до 30%. Водо-мазутные смеси выделяют примерно такое же количество тепла, что и чистые мазуты.
  • Снизить расходы на содержание котельных. За счет снижения температуры газов, поступающих в дымоход, а также веществ, вызывающих коррозию узлов котельных агрегатов, износ энергетических установок происходит намного медленнее.
  • Уменьшить плату за ущерб экологии. Выплаты за ущерб окружающей среде – обязательное требование Российского законодательства. Снижение количества опасных веществ в выбросах позволяет сделать перерасчет этих выплат и существенно сократить расходы.

Содержание серы в продуктах сгорания падает 2,8 раз, оксидов азота – в 4,3, угарного газа – в 23,4. Кроме того, снижается концентрация смол и чистого углерода.

Кроме производства экологичного топлива с высокой теплотворной способностью для котлов и других агрегатов по производству тепловой энергии, наши установки используются:

  • Для увеличения октанового числа бензинов.
  • Для снижения содержания парафинов в нефти, увлечение содержания в ней легких низкомолекулярных фракций.
  • Для производства многокомпонентных ГСМ.
  • Для получение зимней солярки из летнего ДТ,
  • Для снижения содержания серы и других нежелательных примесей в ДТ.
  • Для производства мазутов и утилизации нефтешламов совместно с загрязненной водой.

В целом, экономический эффект от внедрения оборудования нашего производства на теплоэнергетических предприятиях может составлять до 30%. Основной причиной тому, является полное сгорание топлива и как следствие увеличение теплоотдачи. Уменьшение затрат зависит от типа используемых на предприятии котлов, химического состава исходных компонентов. Но, что с уверенностью мы можем гарантировать, это 7-8% реальной экономии. Увеличение экономической эффективности нефтепроводов, предприятий по производству вторсырья, нефтеперерабатывающей отрасли — является первостепенной задачей. Наше предприятие производит широкий модельный ряд кавитационных гидродинамических установок, которые различаются производительностью и комплектацией для различных отраслей промышленности и производств.

Обзорная статья о применении кавитаторов ООО «Энергосберегающие технологии» г.Миасс

Применение кавитационных установок типа УКГ
Приготовление зимнего Д.Т. из летнего
Экономия топлива для кораблей
Экономия топлива для предприятий

Основными факторами, определяющими ценность топлива является его теплотворная способность, определяемая количеством тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы топлива, физическими свойствами рабочего тела, содержанием вредных примесей в продуктах сгорания. Одним из наиболее радикальных средств повышения эффективности работы теплоэнергетических установок является улучшение качественных характеристик топлива, позволяющих интенсифицировать процесс горения, получить от единицы массы топлива большее количество энергии. Особенно при использовании в дизельных двигателях и в котлоагрегатах использующих высоковязкие мазуты, получаемые из остаточных фракций нефтепереработки.

Улучшение энергетических и экологических показателей теплоэнергетических комплексов в основном достигается посредством усовершенствования процессов горения топлива. В мазуте, как конечном продукте нефтепереработки, сосредотачиваются наиболее тяжелые фракции углеводородов, продукты термического крекинга, окисления, полимеризации, коксования; балласт-негорючая часть, состоящая из минеральной массы, металлов, золы, механических примесей. В процессе крекинга остаточные фракции обедняются водородом, что приводит с снижению теплотворной способности, жаропроизводительности мазута. Качество мазута ухудшается во время транспортировки, при длительном хранении в емкостях мазут окисляется, полимеризуется, насыщается биологическими организмами, обводняется; вследствие химических реакций углеводороды мазута превращаются в твердые, выпадающие в осадок продукты.

Опыт эксплуатации котлоагрегатов на тяжелых сортах топлива показал полную зависимость их долговечной, надежной и эффективной. работы от качества подготовки топлива к сгоранию. Соединения, входящие в состав остаточных нефтяных топлив, асфальтенов, смол, желеобразных сгущений, имеют длинные, развитые молекулярные цепи, с невысокой стабильностью связей С- С, которые могут быть разорваны под воздействием высокочастотных колебаний и за счет массообменных процессов между слоями обрабатываемой среды.
После разрушении высокочастотными акустическими колебаниями длинных углеводородных молекул, образовавшиеся легкие активные радикалы интенсивно перемешиваются вихревым потоком в объеме обрабатываемой среды, вступают в реакцию с молекулами остаточных углеводородных фракций

В настоящее время в мире появилось множество устройств, позволяющих возбудить в жидкости процесс кавитации (образования полостей с отрицательным давлением). Все расчеты и практика показывают, что от величины кавитационной полости зависит скорость схлопывания, а значит и степень воздействия на жидкости, находящиеся в зоне схлопывания. Способов возбуждения кавитации в жидкостях всего четыре.

  • С помощью ультразвуковых колебаний мембраны магнитостриктора. В зоне разряжения волны, образующейся от колебания мембраны тоже происходит образование кавитационных процессов.
  • С помощью проточных труб с переменным сечением или специальными камерами завихрения (фьюсоник). Принцип таков, что при резком падении давления на границе перехода образуются кавитационные полости.
  • С помощью вращения в протекающем потоке ротора (крыльчатки) определенного профиля.
  • С помощью резкого разрыва потока жидкости механическим путем.

1. Магнитострикторы

Самым дорогостоящим и малопроизводительным является магнитостриктор из-за очень дорогостоящей электронно-силовой части, возбуждающей мембрану. В Японии и Швейцарии такие приборы применяют в фармацевтическом и парфюмерно-косметическом производстве. Стоимость таких устройств, с производительностью до 0,5 м3/час, может доходить до 2 000 000 Евро. Но при малой производительности и высокой стоимости такие устройства и малонадежны, и дороги в эксплуатации и ремонте.

2. Кавитаторы типа ФЬЮСОНИК

Такой аппарат представляет собой трубу переменного сечения, без движущихся частей, без двигателя и электроники. Такие аппараты производят наиболее слабое воздействие на обрабатываемую жидкость, за счет того, что:

  • кавитация возникает не во всем объеме, жидкости
  • невозможность постоянного поддержания оптимального режима работы — в зависимости от температуры, давления, вязкости и др. физико-химических параметров обрабатываемой жидкости
  • добиться наиболее полного разрежения потока практически невозможно
  • возможен эффект налипания мазута, что резко сказывается на качества и производительности
  • требуется многократная обработка одного и того же объема жидкости для того, чтобы добиться более-менее однородной эмульсии.
  • — большая дисперсность ВМЭ — 10 микрон

Эти недостатки не компенсируются такими преимуществами как:

  • не содержит быстро изнашиваемых деталей, сальников, узлов вращения, не требуют обслуживания
  • не критичны к температуре и выдерживают большое давление мазута и высокую температуру (до 20 атм. и до 150 град).
  • более дешевые в изготовлении

Устройство некоторых кавитаторов типа Фьюсоник



         

 

                                       

Одна из разновидностей кавитаторов такого типа, это кавитаторы где ультразвуковые колебания в потоке жидкости возбуждаются вибрирующем в потоке с большой частотой телом. 

3. Лопастные кавитаторы

Представляют собой трубу в которой протекает жидкость, в жидкости вращается крыльчатка определенного профиля. Кавитация возникает за счет разрежения потока за лопастью. Кавитация более интенсивная по сравнению с кавитаторами типа ФЬЮСОНИК за счет многократности возникновения кавитации в единице объема.

— добиться наиболее полного разрежения потока практически невозможно
— кавитация возникает не во всем объеме, жидкости

4. Сирены гидродинамические

Представляют собой корпус с установленными в нем входным и выходным патрубками, в корпусе установлены концентрические ротор и статор с выполненными в них окнами. За счет того, что окна в статоре периодически открываются и закрываются происходит периодическое прерывание ВСЕГО потока жидкости, количество и размер окон подобраны таким образом, что происходит обработка ВСЕЙ жидкости.

Недостаток таких кавитаторов:
— абразивный износ рабочих поверхностей ротора и статора, в следствии чего требуется периодическая их замена,
— Невозможность технологически выполнить зазор между ротором и статором менее 0,1 мм.
Принцип работы рассмотрен ниже на примере нашего кавитатора.

5. Наши кавитаторы – дальнейшее развитие Гидродинамических сирен

Главная отличительная черта наших установок это конструкция рабочих частей (статора и ротора).

  Конструкция 
других производителей Наша конструкция

Наша конструкция позволяет без проблем выводить износ рабочих частей и регулировать зазор между статором и ротором без демонтажа установки.
Другие конструкции не позволяют ликвидировать износ в зазоре. Приходится менять сразу пару статор и ротор, что очень дорого и требует много времени.
Уплотнительный узел на наших установках кардинально отличается от других конструкций.

Регулировка зазора ∆ между статором и ротором.

От величины зазора ∆ между статором и ротором зависит интенсивность кавитационных процессов возникающих в каналах статора. В идеале, этого зазора не должно вообще существовать, чтобы не допустить перетеканий в зазоре.
Во время работы аппарата происходит изменение температуры рабочих частей и вала, что ведет к изменению величины зазора, что в свою очередь может привести к затиранию статора и ротора.
Данная конструкция позволяет оперативно производить регулировку зазора непосредственно на разогретой в процессе работы установке, и настраивать минимальный зазор.
1. Статор
2. Ротор
3. Корпус излучателя
4. Крышка корпуса
5. Корпус неподвижный
6. Корпус подвижный
7. Вал
8. Подшипник

  Регулировка зазора производится за счет перемещения подвижного корпуса в неподвижном по посадочным поверхностям посредством резьбы, нарезанной в корпусах. 

Принцип работы.

Поток жидкости при обработке проходит через вращающийся ротор и неподвижный статор установки.
Ротор, выполняет роль затвора, периодически прерывая поток, чем меньше зазор между ротором и статором, тем более герметичен затвор, интенсивнее обработка.
Основные процессы происходят в статоре.
Рассмотрим на примере изображений.

1. При совпадении окон ротора и статора поток движется через них с определенной скоростью. Скорость зависит от начального давления перед ротором (давления насоса).
2. При перекрытии ротором окна статора.
Происходит резкий разрыв потока. Но т.к. жидкость обладает массой то она не останавливается мгновенно, она продолжает свое движение растягиваясь. За счет этого снижается давление внутри ее. Происходит вскипание растворенных внутри жидкости газов и образование т.н. кавитационной полости. В определенный момент силы инерции жидкости сравниваются с результирующей силой атмосферного давления и силой разряжения внутри кавитационной полости


а,б,в рост кавитационной полости, уменьшение силы инерции, в – равновесие

 

  3. За точкой равновесия начинает происходить следующие процессы:
Сила инерции уменьшается до 0 (за счет торможения жидкости разрежением в кавитационной полости) и т.к. нет дополнительного подпора, то отрицательное давление внутри полости начинает превышать результирующую силу и происходит процесс схлопывания кавитационной полости (пузыря). Т.к. жидкость плохо сжимается и плохо растягивается, то при прекращении действия внешних сил (сил инерции), процесс схлопывания происходит очень интенсивно.


4. В момент завершения процесса схлопывания кавитационной полости происходит очередное совпадение окон ротора и статора и в полость ротора поступает очередная порция жидкости, тем самым в некоторой степени увеличивая скорость схлопывания. Дополнительно, в момент окончательного закрытия кавитационной полости встречаются 2 фронта жидкости: фронт схлопывания кавитационной полости и фронт движущейся жидкости, происходит гидроудар, дополнительно усиливающий интенсивность обработки.
а,б,в – схлопывание кавитационной полости рост скорости потока, г — гидроудар.

Во время приготовления эмульсии вода разбивается на капли размером 1-3 мкм, капли воды равномерно распределяются по всему объему топлива и становятся диполем. На этот диполь происходит налипание фрагментов углеводородных молекул и образуются мицеллы (шарик с каплей воды внутри). Именно наличие мицелл и объясняет стойкость эмульсии к расслоению. Капли воды не соединяются в более крупные из за наличия углеводородной оболочки, а оболочка не сходит с капли из за наличия в ней заряда.
В момент впрыска такой эмульсии в зону горения происходит следующее:
Мицелла попавшая в зону горения начинает нагреваться, температуры кипения воды и мазута существенно отличаются (воды 100 0С мазута порядка 300 0С), вода резко вскипает, мазут в это время остается пока еще в жидком состоянии и препятствует испарению капель воды. При достижении внутри мицеллы критического давления происходит микровзрыв (водяной пар разрывает свою оболочку и распыляет ее). Происходит многократное увеличение площади соприкосновения топлива с кислородом воздуха, это приводит к тому же эффекту что и распыление топлива при давлении на форсунках в 150-300 кг/см2. Вот и весь секрет процесса, вся экономия происходит только за счет более полного сгорания исходного мазута. И чем хуже настроен котел, чем хуже исходное топливо, тем больше получается экономия. И это не означает, что если в эмульсии содержание воды будет 10 %, то это прямо пропорционально ведет к экономии топлива в 10 %. В зависимости от множества факторов этот экономический эффект может составить 8-9 % и 18-20 % и 24-34 %. Эти данные из многолетнего опыта внедрения наших установок. Мы гарантируем экономию топлива 7-8 %, но это не значит, что она не может составить и 15 и 18 и 25 %. Еще раз повторюсь она зависит от множества факторов (настройки котла, горелок, качества исходного топлива, его калорийности и обводненности, температуры). Но одно могу сказать точно, эмульсия с содержанием даже 40 % воды будет гореть, что совершенно невозможно, в том случае, если вода будет просто водой составе топлива.
Кроме того во время горения эмульсии снижается температура отходящих газов (без снижения температуры в топке и производительности котла), это говорит об увеличении КПД самого котла.

Кавитация и ультразвуковая очистка | Ультразвуковая кавитация

Явление


Кавитация

Принцип и действие ультразвука

Чтобы лучше понять принцип ультразвуковой очистки, необходимо остановиться на явлении под названием «Кавитация».

ультразвуковые резервуарыУльтразвуковые очищающие резервуарыКавитометрПреобразователь и генератор