Рис.11 Зависимость отрицательного импульса давления от критерия Kк:

=2,75?105Па; ?а=0,05, ? =0,1, l/ap=5.

Экспериментально, путем определения амплитуды акустических колебаний по ширине камеры, подтверждено существование стоячей волны в камере озвучивания роторного аппарата.

0,6…0,8), соответствует примерному равенству центробежной и кориолисовой сил.

>0,8 используется модель течения с учетом сжимаемости среды, что подтверждает теоретический график на рис.3.

Экспериментально подтверждена теоретическая зависимость кавитационного импульса давления от числа акустической кавитации (рис.7). Увеличение статического давления в камере при постоянном возбуждающем импульсе отрицательного давления равнозначно увеличению числа акустической кавитации (рис.12).

Определена зависимость практического критерия кавитации Стайлса, соответствующего наиболее интенсивной кавитации

Необходимое условие работы роторного аппарата в кавитационном режиме соответствует неравенству

, статического давления, величины радиального зазора. Полученные результаты подтвердили теоретическое исследование, приведенное в главах 2 и 3.

, можно снизить потребляемую мощность почти в 3 раза.

и уменьшение радиального зазора способствует улучшению качества эмульсии.

В заводских условиях проведены испытания по выяснению влияния качества полученной СОЖ на стойкость режущего инструмента изготовленного из P18. Показано, что стойкость резцов, оцениваемая по износу их задней поверхности, гарантированно возрастает минимум на 30% без добавления дополнительных присадок. Показано, что использование высокодисперсной СОЖ позволило повысить чистоту обработанной поверхности на один - два класса.

В шестой главе изложено проектирование роторных аппаратов и методики расчета с учетом гидродинамики потоков среды, кавитации и резонанса. Результатом обобщения комплекса теоретических и экспериментальных исследований явилось создание ряда методик расчета конструктивных и режимных параметров роторного аппарата, учитывающих условия его использования в химико-технологических процессах. Выше было показано, что наиболее эффективно роторный аппарат работает в кавитационном и резонансном режимах.

Разработана обобщенная методика расчета роторного аппарата, учитывающая кавитационные, резонансные и гидродинамические процессы. Методика позволяет рассчитать параметры таким образом, чтобы роторный аппарат обеспечивал наибольшее воздействие на обрабатываемую среду. Поэтому ее можно использовать для интенсификации различных процессов в системах «жидкость-жидкость», «твердое-жидкость» и при разработке универсального оборудования.

Исходными данными являются: объемная производительность, плотность и коэффициенты вязкости среды, в процессах растворения – гранулометрический состав; величина радиального зазора принимается минимально возможной, исходя из возможностей оборудования и экономически обоснованной точности; форма поперечного сечения каналов принята прямоугольной; частота вращения ротора задается из ряда скоростей стандартного оборудования; ширина каналов ротора и статора одинаковы; начальное содержание свободного газа в жидкости определяется экспериментально или по справочным данным. Методика учитывает возможность выполнения каналов в роторе и статоре как радиальными, так и наклонными.

Разработана методика оптимизационного расчета аппарата. Выбрана модификация метода градиента с постоянным шагом.

достигнет экстремума при выполнении условий равенств и неравенств.

Целевая функция имеет вид

Используются соотношения математической модели течения сжимаемой среды (4), (13-14) соотношения модели радиально-сферических колебаний кавитационного пузыря (25-30), (37-40) соотношения условий возникновения резонанса (32-36).

На основании комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны различные конструкции роторных аппаратов, предназначенные для интенсификации различных процессов в системах «жидкость-жидкость», «твердое-жидкость».

Из условий возникновения резонансного режима и стоячей волны разработана конструкция роторного аппарата (SU 1187858).

, запатентована конструкция (RU 2287360).

Всего запатентовано 16 конструкций роторных аппаратов.

В седьмой главе приведены примеры практического использования результатов исследований – применение роторных аппаратов для проведения различных технологических процессов.

Роторные аппараты нашли эффективное применение в процессах получения СОЖ. Реализованная на заводе «Тамбовполимермаш» конструкция защищена авторским свидетельством SU 1187858. Установки для приготовления СОЖ были использованы в трех цехах завода. За время эксплуатации роторные аппараты работали надежно, отказов в работе из-за конструктивных недостатков не выявлено. Стойкость режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы) возросла не менее чем на 30%. Время расслаивания возросло почти в 8 раз. На Мичуринском заводе «Прогресс» изготовлены малой серией (5 шт.) роторные аппараты, защищенные а.с. SU 1389830. В получаемой СОЖ 80-90% частиц эмульсола имели размер 1…2 мкм. Время расслаивания выросло в 10 раз, и стойкость режущего инструмента из Р18 возросла в среднем на 30%. После проведения успешных испытаний на заводе в корпусе, объединяющем 4 цеха, создан участок для централизованной раздачи СОЖ к металлообрабатывающим станкам. В результате были улучшены условия труда, снизилось количество ручного труда. Примерно такие же данные по повышению стойкости режущего инструмента и времени расслаивания получены при эксплуатации установок на базе роторного аппарата (RU 2225250, RU 2230616) на Борисоглебском заводе ОАО «Патроны», ООО «Грибановсий машиностроительный завод» и ОАО РЖД Локомотивное ДЕПО г. Тамбов (RU 2287360).

На ОАО «Котовский лакокрасочный завод» внедрен роторный аппарат для диспергирования двуокиси титана (марка Р-02), применяемого для производства эмали ПФ-115 белая. Результаты показали следующее: снизились время приготовления продукта и удельный расход электроэнергии.

На НПФ «Лионик» г. Москва внедрение роторного аппарата при проведении совмещенных процессов «смешения-диспергирования-гомогенизации» при производстве сухих концентратов натуральных напитков позволило в два раза увеличить производительность при улучшении качества готовой продукции.

Основные результаты и выводы.

Общим результатом работы является научно обоснованное решение конструирования роторных аппаратов для повышения эффективности их использования в химико-технологических процессах в системах «жидкость-жидкость», «твердое-жидкость». При решении данной проблемы получены следующие основные результаты:

должна приниматься минимально возможной, с учетом прочности ротора;

– уменьшается;

- получена математическая модель трехмерного течения среды в зазоре между коническими проницаемыми поверхностями, подтвержденная экспериментально, позволяющая аналитически определить диссипативные потери в радиальном и осевом зазорах;

- на основании решения уравнений динамики кавитационного пузыря с учетом периодического изменения газосодержания среды, подтвержденного экспериментальными исследованиями, определено значение критерия импульсной акустической кавитации, характеризующее режим наиболее интенсивного кавитационного воздействия на технологический процесс в зависимости от начального содержания свободного газа, начального радиуса пузыря, значений критериев Вебера и Рейнольдса, режимных и конструктивных параметров роторного аппарата;

- на основании теории подобия и метода размерностей определены критерии, характеризующие нестационарные гидромеханические процессы в роторном аппарате, позволяющие более обосновано оценить влияние режимных и конструктивных параметров на закономерности течения среды в аппарате;

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование резонанса в каналах роторного аппарата, использование которого позволяет снизить мощность, потребляемую роторным аппаратом в несколько раз при проведении массообменных процессов, например процессов растворения;

эффективность работы аппарата падает на 50%;

- получены аналитические зависимости для определения потребляемой мощности роторным аппаратом с цилиндрическими и коническими ротором и статором на основании физически обоснованных предпосылок, учитывающих особенности работы роторного аппарата в различных режимах;

- на основании комплекса теоретических и экспериментальных исследований гидромеханических, резонансных и кавитационных эффектов в роторных аппаратах разработана методика оптимизационного расчета режимных и конструктивных параметров роторных аппаратов, учитывающая особенности различных технологических процессов и режимов работы в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость»;

- результаты исследований, предложенные методики расчета и разработанные на их основе конструкции роторных аппаратов использованы на Мичуринском ОАО «Прогресс», ОАО «Тамбовполимермаш» для приготовления эффективной смазочно-охлаждающей жидкости с реальным годовым эффектом 125000 рублей (в ценах до 1990 г.), а также на Борисоглебском заводе ОАО «Патроны», ООО «Грибановский машиностроительный завод», ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова», ОАО РЖД Локомотивное ДЕПО г. Тамбов, на Котовском заводе ОАО «КЛКЗ» при производстве эмали белой ПФ-115 с экономическим эффектом 410 руб. на 1 тонну эмали при годовом производстве до 3000 т. (в ценах 2005 г.). На НПФ «Лионик» г. Москва при использовании роторного аппарата для проведения совмещенных процессов «смешивания – диспергирования – гомогенизации» при производстве сухих концентратов натуральных напитков получен в 2005-2006 гг. реальный экономический эффект 16,0 млн. руб.

Разработанные конструкции защищены 16 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения, получено свидетельство о регистрации программы для определения значения параметров, соответствующих режиму наиболее интенсивной кавитации.