Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

Гордєєв А.І., Урбанюк Є.А., Третько В.В., Мігаль В.Г.

Хмельницький національний університет

ВІБРАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ В РІДИННИХ ТА СИПУЧИХ СЕРЕДОВИЩАХ

У багатьох галузях промисловості останнім часом найширше застосування знаходять вібраційні технологічні процеси, розроблені під керівництвом Р. Ф. Ганієва [21], М. А. Маргулиса [25], І. М. Федоткіна [27]. В основу даних процесів покладено використання багатофазових середовищ. Це можуть бути розплави металів, скла й полімерів, суспензії твердих часток й газових пухирців у рідині, дрібнодисперсні суспензії крапель у газоподібному чи рідкому середовищі тощо. При здійсненні процесів, зумовлених необхідністю рівномірного розподілу різних фаз у рідкій основі (одержання композитів і матеріалів з піни) або їхньої сепарації з рідини (дегазація і флотаційне збагачення), істотного значення набуває можливість прогнозування реакції таких систем на різні зовнішні періодичні впливи.

Як показали раніше виконані дослідження динамічних явищ у багатофазових середовищах, підданих керованим вібраційним впливам, багато з них можуть бути успішно використані для інтенсифікації зазначених процесів, при розробці та реалізації принципово нових технологічних прийомів. Зокрема, виникнення вібраційного переміщення включень у багатофазових середовищах сприяє більш ефективному їхньому очищенню від твердих і газоподібних домішок, організація періодичних режимів руху дрібнодисперсних фаз істотно спрощує процеси підготовки однорідних суспензій і перемішування рідин. Активне й цілеспрямоване використання вібраційних впливів як основного провідного фактора є дуже перспективним напрямком у вібраційній технології, зв'язаній з обробкою поверхонь матеріалів у рідкому середовищі, що містить частки твердої й газоподібної фаз.

Виник новий напрям по створенню вібраційного обладнання для обробки води з метою придання їй нових якостей.

У зв'язку з цим великого значення набувають дослідження можливих форм відносного руху та вплив на властивості середовища динамічних характеристик при низькочастотних коливаннях рідкого середовища.

У наш час розроблені різні технології очищення стічних вод промисловості і комунального господарства. На превеликий жаль, більшість із них впроваджуються надзвичайно повільно або і зовсім не застосовуються.

Багато методів очищення, насамперед пов'язане з хімічними та біологічними методами очистки. Серед хімічних методів виділяють хлорування як основу фундаментальної реакції. Хоча хлорування забезпечує знезараження води, у ряді держав його заборонено. Адже хлориди, розкладаючись у воді, створюють хімічні радикали, які впливають на здоров'я людини. На сьогоднішній час українськими вченими [33] розроблено обладнання та технологію електроплазмової обробки і знезараження питної води. Однак цей процес має високі енерговитрати.

Відповідно більш перспективними є механічні та фізичні способи очищення води. Надзвичайно цінними є безреагентні методи очищення, зокрема, метод кавітаційної дії для знезаражування води.

Для кавітації необхідно створити умови обтікання водою твердих поверхонь із великою швидкістю, тобто вдарити водним потоком із великою силою об яку-небудь перешкоду. При цьому швидкість водного потоку має досягати 20 – 25 м/с. На ефективність кавітації не впливає ні каламутність, ні сольовий склад води.

Під кавітаційною дією руйнуються колоїди й частинки, в середині яких можуть бути бактерії. Тим самим хвороботворні організми залишаються без захисту від інших хімічних й фізичних впливів. Бактерицидна дія кавітації прямо пропорційна її інтенсивності, швидкості потоку й числу ступенів збудників кавітації. Порівняння економічних затрат різних методів на очищення умовної одиниці об’єму питної води підтверджують, що кавітація - найбільш дешевший спосіб очищення.

Проведено багато досліджень щодо впливу ультразвукової кавітації на активацію води. Встановлено, що інтенсивність кумулятивної дії на середовище при сплескуванні кавітаційного пухирця залежить від газового та паро-газового вмісту, властивостей середовища, коефіцієнта кумуляції. При ультразвуковій кавітації число кавітаційних пухирців залежить від кількості ядер кавітації, які практично не піддаються регулюванню. При гідродинамічній кавітації пухирці утворюються за рахунок дроблення каверни та кількість і розміри визначаються режимом ведення кавітації, взаємозв’язком кавітаційних параметрів, що дозволяє здійснювати керування інтенсивністю кумулятивних впливів на технологічні процеси.

Залежно від способу збудження кавітація буває акустичною (або ультразвуковою) і гідродинамічною, механізм впливу яких на оброблюване середовище однаковий [34].

У випромінювачах роторного типу акустичні коливання утворюються за рахунок періодичного перекриття пазів у статорі зубцями ротору, що обертається. Таке обладнання використовують для обробки відносно в'язких рідин, твердих і волокнистих матеріалів

В роторно-пульсаційних апаратах (РПА) і роторних апаратах із модуляцією потоку при обробці поєднуються різні способи впливу на середовище за рахунок конструктивних особливостей пристроїв. РПА складається з двох (або більше) роторів у вигляді коаксіальних циліндрів із щілиноподібними отворами. Коли групи циліндрів обертаються одна відносно другої, отвори всіх циліндрів періодично не співпадають, перекриваючи потік рідини, яка проходить через пристрій. Внаслідок цього виникає ефективна турбулізація й пульсації потоку середовища, що супроводжуються кавітаційними ефектами.

Але таке обладнання має свої недоліки: неможливість регулювання характеристик кавітаційної зони і отже – ефективності оброблення, труднощі при регулюванні частоти й амплітуди пульсацій при сталих витратах середовища, поступове зниження ефективності обробки при багаторазовому проходженні середовища через пристрій. Це зв'язано з тим, що процес утворення кавітаційних каверн гальмується через сильну дегазацію рідини.

Найбільший технологічний інтерес викликають гідродинамічні (ГД) кавітаційні пристрої, в яких у потоці рідини, що оброблюється, утворюється місцеве просторове зниження тиску і розвивається гідродинамічна кавітація за рахунок різкої зміни геометрії течії рідини. Енергія для збудження кавітації підводиться безпосередньо технологічним потоком рідини (ГД пристрою статичного типу) або кавітатором, який обертається (ГД пристрої динамічного типу).

Отже, регенерація промислових та стічних вод є одним з актуальних завдань сучасного виробництва.

Автор у роботі [35] приводить приклади використання вібраційних коливань у різних технологіях. Відомо, що якість перемішування матеріалів характеризується ступенем рівномірності розподілу окремих компонентів у суміші. Очевидно, що чим менші розміри часток компонентів, тим більша ймовірність їхнього рівномірного розподілу в суміші. В ідеальному випадку найбільш гомогенна суміш матеріалів може бути отримана на молекулярному рівні компонентів

Для одержання гомогенної суміші рідин, до яких пред’являються підвищені вимоги рівномірності розподілу компонентів, зокрема в оливах для годинникових механізмів, звичайні традиційні змішувачі виявляються малоефективними, а сам процес перемішування довготривалий (десятки годин роботи). Тому в цих випадках добрий результат дають способи змішування рідин, компоненти яких попередньо диспергують до тонких фракцій і в аерозольному стані змішуються. Цей процес можна здійснювати на дезінтеграторах, а більш ефективно на роторно-струминних млинах-змішувачах.

Так, у [36] описано процес вібраційного перемішування газо-бетонної суміші, кінцевим результатом якого є збільшення міцності газобетону. Це явище пояснюється зменшенням розміру і збільшенням кількості пір, рівномірним розподілом пір по об’єму суміші і, головне, активацією цементу за рахунок його домелювання в процесі вібраційного перемішування.

У роботі [37] досліджувалися швидкість і якість перемішування залежно від режимів збурення вібрації й застосування допоміжних пристроїв (вала у середині контейнера і турбулізаторів), які сприяють процесові перемішування.

У 70–х роках Хінт [37] займався дослідженнями можливостей дезінтеграторів. Обробляючи воду з добавками трав, він одержував цілющі суміші завдяки прискореним процесам абсорбції соків трав механічно активованою водою. Уперше його учнями була встановлена підвищена активність помеленого на дезінтеграторах піску, що виявляв у дрібнодисперсній фазі в'язкі властивості.

У [38] описано суперкавітуючий змішувач-активатор бетону, застосування якого дозволило зменшити витрату цементу на 25–30% за рахунок його активації без зменшення міцності бетону

Змішування твердих матеріалів, об’єднане з домелюванням часток компонентів в енергонапружених апаратах, призводить до якісних змін сумішей завдяки взаємодії новоутворених поверхонь часток між собою та з навколишнім середовищем.

Було проаналізовано різні технологічні процеси, види обладнання, робочі тіла та фізичні параметри процесів, в яких рідина виступає як енергетичне несуще середовище, або як об’єкт обробки (див. табл.1.1). В результаті аналізу встановлено головні параметри процесів та фізичні явища, які підлягають вивченню в наступних дослідженнях.

Наукові праці, в яких розглядаються наведені вище технологічні машини, належать здебільшого до вузькоспеціалізованого різновиду обладнання та недостатньо розглянуто питання по створенню енергозберігаючого обладнання. Також немає фундаментальних праць, присвячених розробці основ проектування та практичного розрахунку вібраційних технологічних машин, у яких рідина виступає у ролі несучого середовища-інструмента або є об’єктом обробки.

Таблиця 1.1

Аналіз комплексу «процес - обладнання - інструмент» при взаємодії рідинного середовища з поверхнею, яка обробляється, або рідинне середовище є об’єктом оброблення

Процес	Обладнання	Інструмент, фізичний параметр
Перемішування рідин та суспензій.	Вібраційні колони. Віброгідродинамічні стенди.	Перфоровані диски. Гідродинамічний тиск. Кавітація.
Очистка та миття поверхонь.	Струминне. Вібраційне. Барботажне. Ультразвукове.	Струмінь рідини. Гідродинамічний тиск. Газові пухирці. Кавітаційні пухирці.
Гідроструминне різання.	Обладнання гідрорізання високого тиску.	Струмінь рідини, гідродинамічний тиск, абразив.
Просочування тканин.	Вакуумне. Ультразвукове. Вібраційне.	Циклічна зміна тиску. Кавітація. Гідродинамічний тиск.
Гідродробозміцнення.	Гідродробоежекторне	Металеві кульки. Гідродинамічний тиск.
Гідроабразивна обробка задирок.	Вібраційне. Струминне.	Абразивна крихта. Вільний абразив. Гідродинамічний тиск.
Зняття облою з армованих пластмасових деталей.	Вібраційне Струминне. Планетарне	Абразивна крихта. Вільний абразив, кістка. Кульки, ролики, голки.
Струмино - абразивна обробка.	Струминне. Пневматичне. Гідравлічне.	Вільний абразив. Стиснене повітря. Гідродинамічний тиск.
Очистка та зміна властивостей води.	Електроплазмове. Гідродинамічне. Механічні мішалки. Дезінтегратор. Вібраційно-кавітаційне.	Електричний струм. Кавітація. Гідродинамічний тиск.

Висновок. Проведений аналіз відомих досліджень показав, що основними параметрами, які впливають на хід означених технологічних процесів є: величина гідродинамічного тиску, миттєва та середня швидкість пульсації пульсуючого робочого тіла, виникнення процесу гідрокавітації у ньому, характер дії магнітного поля, вплив яких на робоче тіло вивчено явно недостатньо.

Література:

1. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии / Р. Ф. Ганиев, Н. И. Кобаско, В. В. Кулик [и др.] ; под ред. Р. Ф. Ганиева. – К. : Техника, 1980. – 142 с.

2. Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция / М. А. Маргулис. – М. : Химия, 1986. – 288 с.

3. Федоткин И. М. Интенсификация технологических процессов пищевых производств / И. М. Федоткин, Б. Н. Жарик, Б. И. Погоржельский. – К. : Техника, 1984. – 176 с.

4. Очисний комплекс для знезараження і очищення фільтратів твердих побутових відходів на основі електроплазмових технологій / П. Л. Захаров, П. Т. Сухоставець, О. О. Логвинов, С. В. Батечко // Винахідник і раціоналізатор. – К., 2004. – № 10. – С. 22–25.

5. Резник Н. Е. Гидродинамическая кавитация и использование ее разрушающего действия / Н. Е. Резник // Труды Всес. ин-та с.-х. машиностр. им. В. П. Горячкина. – 1969. – Вып. 59. – С. 144–160.

6. Берник П. С. Перспективные способы перемешивания материалов на енергонапряженных смесителях / П. С. Берник // Вибрации в технике и технологиях : тр. III Международной научно-технической конференции. – Евпатория, 1998. – С. 46–50.

7. Куннос Г. Я. Теория и практика виброперемешивания бетонных смесей / Г. Я. Куннос. – Рига : Изд-во АН Латв. ССР, 1962. – 142 с.

8. Хинт И. А. Об основных проблемах механической активации / И. А. Хинт. – Таллин, 1975. – 148 с.

9. Логвиненко Д. Д. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем / Д. Д. Логвиненко, О. П. Шеляков. – К. : Техника, 1976. – 176 с.