Применение гидродинамической кавитации для очистки трубопроводов

Явление кавитации представляет собой образование в потоке жидкости кавитационных пузырьков из-за местного понижения давления. В следствие движения пузырьки схлопываются в зонах более высокого давления, образуя ударные волны, которые могут вызвать значительные разрушения и повреждения. Кавитация абсолютно одинакова, и для среды, в которой движется тело, и для потока, обтекающего статичное тело. В этих двух случаях важны только абсолютное давление и относительная скорость. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием σ - кавитационный коэффициент (числом кавитации) и определяется:

(1)

где pv — давление насыщенного пара жидкости при данной температуре [1].

Чаще всего кавитацию рассматривают именно с отрицательной точки зрения. Она вызывает деформацию гребных винтов, поломки в насосах, является источником шума и вибраций и в целом снижает эффективность работы механизмов [3].

Характерными проявлениями кавитации являются ударные волны и кумулятивные струйки. Именно эти струи разрушают поверхность металлов, так как из-за микроударов разрушается защитная пленка. В следствие этого образуется коррозия. Кавитационная коррозия может стать серьезной проблемой, если не контролировать параметры, которые на прямую влияют на интенсивность и разрушительную силу кавитации: скорость схлопывания пузырьков; давление в кавитационной области; количество пузырьков и энергию кавитации, которая вычисляется по формуле:

                                                                                                                                                                               (2)            

где Ек – энергия кавитации; Р – гидростатическое давление; ΔV – объем всех пузырьков в фазе из наибольшего расширения.

К методам контроля относятся: методы, основанные на измерении параметров кавитации; методы, основанные на определении интенсивности кавитации; методы, основанные на определении параметров физических процессов, лежащих в основе кавитации [5].

Выделяют два вида кавитации: гидродинамическую и акустическую.

Гидродинамическая кавитация возникает в точках местного понижения давления. Пузырьки газа или пара, попадая в такие точки, начинают неограниченно расширяться. При переходе между зонами с разными показателями давления, пузырьки меняются в размерах. Если в пузырьках достаточно газа, то они совершают несколько циклов колебаний, если же нет – то схлопываются в первом цикле, вызывая кавитационные удары [2].

Акустическая кавитация образуется под воздействием акустических волн. Кавитационные пузырьки образуются, если амплитуда звукового давления превосходит порог кавитации. Ультразвуковые колебания должны быть весьма сильными, чтобы началось активное образование и развитие кавитации [4].

Совершенствование технологий позволило рассмотреть явление кавитации с положительной точки зрения и найти обоим видам кавитации применение в промышленности. Кавитацию стали использовать для ускорения химических реакций, обработки топлива, очистки сточных вод и во многих других сферах.

Подробнее поговорим о применении гидродинамической кавитации для очистки трубопроводов.

Рассмотренные ранее свойства и особенности позволяют в высокой степени контролировать воздействие инструментов на основе кавитации на объект. Самым важным аспектом контроля является очистка поверхности трубопровода от твердых отложений, не повреждая стенки и по минимуму воздействуя на их конструкцию. С помощью гидродинамической кавитации можно очистить даже ветхие трубы, что исключено при применении гидравлического, механического или химического способов.

Для труб большого диаметра и протяженности установка представлен на рисунке:

Насосные установки высокого давления В1, В2 (2х75 кВт, 2х50 л/мин, 63 МПа) обеспечивают работу гидроструйного устройства. Гидравлическая станция из двух насосных установок А1, А2 (2х45 кВт) предназначена для питания траверсы.

Насосная станция выгодна тем, что в системе управления плунжеров снижена масса клапанов и уменьшены клапанные утечки. При необходимости может работать с двумя системами отчистки при небольшом расходе. Траверса регулирует возвратно-поступательную подачу удочки и кавитационной головки в трубу теплообменника, а фартук предотвращает разлет струй и обеспечивают влагозащиту.

С помощью специальной оснастки можно проводить очистку даже теплообменной аппаратуры. На трубопроводах 300-400 мм работы выполняются с помощью гибких механических разрушителей на вращающейся головке, поэтапно, с возвратом головки через каждые 20 м.

Рисунок 2. Схематичное представление работы по очистке уникальной теплообменной аппаратуры «Геотерма»

Основным инструментом для работ являются гидрокавитационные головки различных конструкций:

Упрощенно, общими качествами для всех таких устройств являются:

- в головку кавитатора подается двухфазная рабочая жидкость с высокой скоростью и под давлением;

- на следующем этапе форсунки создают кумулятивные струи с заданными характеристиками;

- точность и аккуратность выполнения работ благодаря настройке режимов рабочей области, где и происходит основная работа по диспергации (удалению) объекта отложений. Правильной настройкой режима можно добиться того, что один материал будет легко разрушаться и отделяться от второго, свободно удаляясь с пульпой, а второй избежит даже минимального разрушающего воздействия.

Правильным подбором устройств, а также подбором видов форсунок, регулированием режимов и можно достигнуть оптимально необходимой степени воздействия. Механизированные приспособления на основе гидродинамической кавитации призваны увеличить равномерность и точность воздействия на объект, и в какой-то степени облегчить ручной труд, что в конечном счете повышает качество работ [6].