Кавитация – это одно из явлений, которые находят применение в промышленности. В частности, на ее основе работает кавитатор. Ниже мы рассмотрим суть кавитации, ее положительное и отрицательное влияние, а также использование в оборудовании компании GlobeCore – коллоидных мельницах, смесительных установках и аппаратах вихревого слоя.

Явление и суть кавитации

Итак, что же такое кавитация? Кавитацией называют образование пара и выделение воздуха в результате снижения давления в жидкости. Основная причина данного явления – вскипание жидкости при нормальной температуре и низком давлении.

Официальной датой открытия кавитации считается 1894 год, хотя теоретическое предсказание явления было сделано Рейнольдсом задолго до этого. Впервые на практике с кавитацией  столкнулись англичане во время испытаний миноносца «Дэринг». Скорость корабля была существенно ниже той, которая закладывалась конструкторами при проектировании. А причина оказалась именно в кавитации – над гребным винтом образовались пузырьки воздуха, которые препятствовали его нормальной работе. Такие же проблемы возникли через несколько лет при испытаниях первого турбинного корабля под названием «Турбиния», на котором поочередно было заменено семь винтов. Но ни один из них не смог обеспечить необходимой скорости передвижения. Проблема частично была решена путем изменения как количества валов, так и количества винтов на каждом вале. В дальнейшем изучению кавитации уделялось немало внимания.

Выделяют акустическую и гидродинамическую кавитацию. В первом случае снижение давления в жидкости происходит в результате прохождения акустических волн, а во втором – за счет увеличения местных скоростей потока.

Действие кавитации: польза и вред

Как было отмечено выше, при открытии явления кавитации человечество столкнулось с отрицательным влиянием данного процесса, которое заключалось в уменьшении скорости вращения гребных винтов. Позже было подтверждено возникновение эрозии металлов в результате кавитации, которое способствовало уничтожению винтов судов, выходу из строя насосов и гидротурбин.

Еще один нежелательный фактор при кавитации – высокий уровень шума. Он плохо влияет на работу различных приборов и накладывает ограничения на использование подводных судов при выполнении секретных операций.

Но разрушающая сила кавитация находит и положительные применения. Например, в биомедицине (удаление камней в почках), стоматологии (очистка зубов) или военном деле (кавитационные торпеды). В технике принцип кавитации используется при работе различных устройств, работа которых направлена на изменение состояния обрабатываемых веществ путем измельчения или перемешивания. Ниже рассмотрены три вида устройства типа «кавитатор» — коллоидные мельницы KLM, смесительные установки УСБ и аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц АВС.

Кавитатор коллоидная мельница

Коллоидной мельницей называют устройство, в состав которого входит статор и ротор. Впервые она была сконструирована еще в начале прошлого века и уже тогда демонстрировала хорошие результаты при измельчении, эмульгировании и гомогенизации различных веществ. Компанией GlobeCore выпускается кавитатор коллоидная мельница типа KLM в широком диапазоне производительностей, начиная от лабораторных вариантов и заканчивая мощными промышленными образцами. В основу работы данного оборудования положен принцип «мокрого помола», т.е. для уменьшения размеров обрабатываемого вещества обязательно используется жидкая среда. Измельчение происходит при попадании продукта в маленький зазор между ротором и статором, поверхности которых дополнительно имеют сложные геометрические рельефы (цилиндрические зубья, профрезерированные определенным образом). Именно благодаря этим зубьям создаются предпосылки для высокой турбулентности и гидродинамической кавитации. Наряду с воздействием центробежных сил эти факторы способствуют высокой тонкости помола материала с хорошей интенсивностью.

Коллоидная мельница KLM

Кавитация в смесительных установках УСБ

Еще один вид оборудования, в котором использован принцип кавитации – это смесительные установки УСБ. В основу их конструкции положена модернизированная труба Вентури. Оборудование сконструировано таким образом, что в его реакторе имеет место как явление кавитации, так и гидродинамический удар. За счет воздействия названных факторов и других сопутствующих эффектов достигается качественное перемешивание нескольких обрабатываемых компонентов до однородного состояния. Полученная дисперсия характеризуется высокой устойчивостью и не расслаивается на протяжении длительного времени.

В данный момент кавитатор УСБ находит наибольшее применение в нефтеперерабатывающей отрасли. С его помощью можно:

• уменьшить вязкость нефти, что облегчит ее перекачивание по трубопроводам;
• обеспечить деструкцию парафинов для сокращения количества отложений на стенках труб;
• получать многокомпонентные топлива, смесевые бензины, изменять свойства топлив путем введения присадок;
• проводить предкрекинговую обработку нефти с целью увеличения выхода легких фракций.

Компанией GlobeCore выпускаются кавитаторы УСБ разной производительности с возможностью смешивания от двух до семи компонентов.

Кавитатор УСБ

Кавитация в аппаратах вихревого слоя

Еще один вид оборудования GlobeCorе, в котором важную роль играет кавитация — аппараты вихревого слоя типа АВС. Сам аппарат конструктивно выполнен в виде мощного асинхронного двигателя, из которого был извлечен ротор, а на его место помещена рабочая камера на основе немагнитного материала. В нее подаются цилиндрические ферромагнитные частицы, количество которых зависит от объема рабочей камеры и вида обрабатываемого материала. Такой кавитатор нашел применения во многих отраслях промышленности как эффективный измельчитель, смеситель и интенсификатор технологических процессов.

При подключении аппарата к электрической сети индуктором создается вращающееся электромагнитное поле, под действием которого ферромагнитные частицы начинают вращаться по сложным траекториям. При этом в рабочей камере возникает ряд эффектов:

• магнитострикция;
• кавитация;
• акустические явления;
• электрофизические явления и электролиз;
• прямой контакт частиц с обрабатываемым веществом.

Совместное воздействие перечисленных факторов делает обработку более эффективной и интенсивной в сравнении  с другим оборудованием подобного назначения. И кавитация является важной составляющей энергетического воздействия на обрабатываемые в рабочей камере аппарата вещества.

Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц АВС-150

Отметим, что в аппарате вихревого слоя имеет место как гидродинамическая, как и акустическая кавитация, которые возникают в одном потоке жидкости и дополняют друг друга. Появлению кавитации способствуют следующие факторы:

• большое количество газа и зародышей пузырьков в жидкой фазе, поступающей в аппарат извне и их диспергирование;
• дополнительная вероятность образования пузырьков вследствие парообразования у поверхности ферромагнитных частиц, нагретых до высокой температуры;
• наличие большого количества твердых микрочастиц, в том числе продуктов разрушения ферромагнитных частиц (размер частиц менее 0,01 мкм), продуктов помола обрабатываемых твердых материалов и физико-химических процессов;
• непрерывное изменение скоростей потоков в микрообъемах;
• непрерывное образование микрозавихрений у стенок рабочей зоны и при движении ферромагнитных частиц;
• наличие вращательного движения жидкости.

Отметим, что аппарат вихревого слоя нетипичный кавитатор, что связано с отличиями, имеющими место при возбуждении кавитации. Среди них выделим:

• вращение жидкой фазы за счет воздействия внешнего электромагнитного поля намагниченными ферромагнитными частицами;
• присутствие ферромагнитных частиц, вращающихся вместе с жидкостью и испускающих звуковые волны и магнитострикционные удары;
• возникновение температурного поля вокруг движущихся ферромагнитных частиц (каждой частицы отдельно);
• интенсивное перемешивание жидкой фазы и соответственно усреднение давления по всему объему камеры;
• возникновение магнитострикции и инициация за счет этого явления поля звукового давления;
• присутствие в рабочей зоне большой массы и числа твердых частиц, размеры которых уменьшаются к выходу из зоны.