Кавитация, то есть выделение паров жидкости и растворенного в ней воздуха при понижении давления жидкости с последующей их конденсацией, которая сопровождается схлопыванием пузырьков и местными гидравлическими ударами (перепад давления в окружающей пузырек жидкости — до 400 МПа), является источником различных эффектов. Одни из них вредные, например, разрушение элементов устройств при движении в жидкости с большой скоростью, снижение коэффициента полезного действия гидромашин, другие — весьма полезные, например, диспергирование твердых и жидких веществ, инициирование и интенсификация протекания некоторых химических реакций, очистка деталей сложной конфигурации, разрушение оксидных пленок, направленное разрушение твердых материалов, и другие.
Кавитационные процессы применительно к строительно-дорожным машинам используются при измельчении (диспергировании) твердых механических примесей, не уловленных очистителями, в рабочих жидкостях гидросистем СДМ и для приготовления вяжущих водосодержащих растворов (например, на основе цемента), где кавитация может использоваться для процессов активации материалов и интенсификации процессов перемешивания.
Кавитация для диспергирования твердых механических примесей в рабочих жидкостях гидросистем СДМ применяется достаточно давно. Однако совершенствование гидросистем, повышение расходов (до 500 л/мин) и, особенно, давлений (до 32 МПа и более) рабочей жидкости, создание современных гидроагрегатов и строительных машин с гидросистемами на базе таких гидроагрегатов требует высокой точности исполнения пар трения (плунжерных пар гидронасосов, если вас интересует насос аксиально поршневой, то загляните на сайт hydro-gid.com.ua, гидромоторов, гидрораспределителей и т.д.), а также применения сопряжений пар трения с малыми зазорами (1 — 3 мкм), что соответственно, требует применения рабочих жидкостей высокой чистоты. В таких условиях огромное значение приобретают антифрикционные присадки, из которых самой простой и доступной является естественная, не срабатывающаяся, постоянно возобновляемая присадка из тонкоизмельчённых частиц неорганических примесей (размером 0,5 – 1 мкм и менее) с адсорбированными на них органическими примесями (асфалътенами, карбенами и карбоидами), которые всегда присутствуют в любой, даже очищенной, рабочей жидкости. Добиться присутствия в рабочей жидкости частиц с размерами не более 0,5 — 1 мкм при больших расходах и давлениях только за счет очистки жидкости невозможно по причине отсутствия соответствующих по эффективности очистителей.
Добиться этого можно за счет кавитационного измельчения частиц загрязнений, оставшихся в жидкости после очистки. При этом процесс кавитационного разрушения твердых частиц изучен недостаточно. Не определены силы, которые разрушают частицу (внешние силы) и силы, препятствующие процессу разрушения частиц (внутренние силы), их действие, направление, величина и т. д. Неясен процесс схлопывания каверн и возникающие при этом положительные и отрицательные эффекты.
Есть и другие проблемы. Кроме того, установлено, что с ростом дисперсности механических частиц их измельчение затрудняется и с некоторого значения дисперсности начинает требовать больших сил и затрат энергии. Поэтому, возникает проблема повышения дисперсности частиц механических загрязнений рабочих жидкостей гидросистем СДМ при их измельчении, что, в свою очередь, требует совершенствования и создания новых типов машин и аппаратов для диспергирования твердых механических примесей. Для этого требуется теория, полно описывающая процесс разрушения частиц. До сих пор подбор режимов и способов воздействия на частицу при кавитационном диспергировании производился на основе подходов к описанию процесса измельчения, построенных на макроанализе, отражающем внешнее воздействие кавитации на измельчаемый материал и не затрагивающем микроэффекты. Новые представления о процессах получения мелкодисперсных сред, разработанные профессором Веригиным Ю.А., требуют рассматривать процессы диспергирования механических примесей, в том числе и в рабочих жидкостях гидросистем СДМ, как сложные явления с проявлением механо-физико-химических эффектов, влияющих на свойства системы «твердая частица — рабочая жидкость». В связи с этим проектирование, расчет и выбор режимно-конструктивных параметров для кавитационного измельчения механических примесей рабочих жидкостей следует вести с позиций, учитывающих влияние механо-физико-химических эффектов и молекулярно-кинетических взаимодействий в системе «твердая частица — рабочая жидкость».
Кавитационное воздействие на водоцементные растворы началось с применения при перемешивании вибрации, которая создавала явления микрокавитации в отдельных малых объемах раствора. В настоящее время кавитационное воздействие на приготавливаемый раствор является дополнительным воздействием при совмещенном процессе основного механического перемешивания с процессом вибрационно-кавитационной активации материала (цемента), либо производится дополнительная обработка приготовленного раствора (цементного теста) кавитацией в отдельном агрегате после процесса перемешивания. Механический способ активации в сочетании с действием электрического тока, магнитного поля и вибрации когда создаются сдвиговые напряжения и разрывы потока (микрокавитация), вибрационная обработка интенсифицирует процессы смешения, а электрическое воздействие ускоряет ионообменные процессы, считается наиболее эффективным и технологически доступным. Эффект активации при этом определяется продолжительностью обработки. Эти процессы, хотя и активируют материал; и улучшают качество получаемого раствора, обладают повышенной энергоемкостью, поскольку машины такого типа совмещают в себе по сути два агрегата.
Применение интенсивной кавитации (под действием ультразвука, при гидродинамических пульсациях давления, при вибрации и т.д.) должно устранить механическое воздействие на обрабатываемую среду или снизить его энергоемкость, а также улучшить протекание процессов перемешивания, активации и химического взаимодействия по энергетическим временным и качественным показателям, заменить вибрационное воздействие и действие электрического тока собственными эффектами. Поэтому процесс кавитации при перемешивании и активации раствора должен стать основным процессом либо наряду с механическим перемешиванием, либо, в идеале, совершенно самостоятельным процессом, который будет обеспечивать и смешение, и активацию раствора для качественного и полного взаимодействия материалов (например, воды и цемента).
Для этого имеются определенные предпосылки, основанные на исследованиях процессов кавитации, проделанных многими учеными. Из этих исследований можно вынести следующие результаты:
— твердые механические частицы играют роль центров (зародышей) кавитации в жидкости;
— при кавитации у твердых зерен срабатываются сначала «слабые места» (окисные пленки, коллоидные оболочки) и острые выступы (концентраторы напряжений);
— при кавитации за счет фотоэлектронных возбуждений и ударных волн образуется ряд химически активных ионов и радикалов, инициирующих и ускоряющих химические реакции;
— с повышением в жидкости концентрации твердых взвесей вероятность возникновения кавитации повышается;
— вероятность возникновения кавитации повышается с ростом размеров находящихся в ней твердых частиц;
— при увеличении вязкости жидкости интенсивность кавитации увеличивается;
— с увеличением давления температуры и концентрации механических примесей кавитация усиливается;
— при схлопывании кавитационного пузырька внутри него возникают высокие температуры (500-800оС) и давление, которые можно использовать для интенсификации химических процессов;
— температурные эффекты при кавитации часто весьма существенны для протекания технологических процессов;
— при кавитации наблюдаются различные тепловые и электрические явления (например, свечение);
— резонирующие кавитационные пузырьки действуют как смеситель, увеличивая площадь контакта между реагирующими (смешивающимися) материалами;
— кавитация применяется для возбуждения химических реакций в водной среде, которые без нее не идут;
— кавитация может разрушать химические связи веществ, снижая, например, вязкость.
Исследования протекания кавитационных процессов и их применения имеют перспективу, так как очевидно, что расходы и давления в гидросистемах СДМ будут расти и это потребует применения новых прецизионных пар трения. Следовательно, возрастут и требования к чистоте рабочей жидкости и протеканию процессов трения, а создание новых строительных материалов высокой прочности потребует приготовления новых высокодисперсных вяжущих веществ и растворов на их основе.
Автор: Анатолий Соколовский
Комментарии