Перспективы применения энергосберегающей кавитационной обработки
Перспективы применения энергосберегающей кавитационной обработки материалов в технологических процессах АПК
Докт. техн. наук Л.П. Карташов, канд. техн. наук А.В. Колпаков (Отдел биотехнических систем ГУ Оренбургский НЦ УрО РАН)
В настоящее время кавитационная технология обработки широчайшего ряда материалов интенсивно внедряется и начинает применяться во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства развитых экономик стран мира. Это объясняется существенной энергоэффективностью всех технологических процессов, которые включают в себя кавитационную обработку. В результате повышается качество (рациональные конструктивно-режимные параметры и технологические способы воздействия), ресурсосбережение (энергосбережение, оптимальные структурно-реологические свойства материалов) и масштабы (производительность отраслевой технологии, мощность производства) технологических процессов. Для кавитационного воздействия на материалы используются гидродинамические, электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные и механические генераторы кавитации [1-5].
Основная сложность (проблема) при разработке технологических комплексов и получении новых качественных эффектов заключается в выборе технологических способов воздействия и определении конструктивно-режимных параметров при обработке конкретного материала.
Технологические процессы кавитационной обработки материалов эффективно используются в следующих перспективных направлениях:
1. Кавитационная технология обеззараживания и дистиллирования загрязненной воды. Обеззараживание воды происходит при одновременном воздействии высоковольтного разряда между двумя электродами в воде и мельчайших кумулятивных струй жидкости при схлопывании кавитационных микропузырьков. Бактерицидное действие ударных волн на бактерии типа Сальмонеллы и E-coli уменьшает их численность в тысячи раз [6]. Затраты на обеззараживание воды составляют: кавитационная очистка – 162 у.е., УФ-обработка – 261 у.е., хлорирование – 482 у.е., озонирование – 1600 у.е. [7].
Технология дистиллирования основана на кавитационном эффекте активации и нагрева воды, не требующая ее предварительной подготовки, т.е. очистки и хим. обработки. Генератором тепла в установке служит роторно-импульсный аппарат. Нагрев жидкости происходит за счет преобразования кинетической и акустической энергии в тепловую энергию. Многофакторное интенсивное воздействие на жидкость приводит к изменению ее физико-химических свойств: повышению PH, изменению химического состава, поверхностного натяжения, вязкости, плотности, диалектрической проводимости, электрической проницаемости и др. Эти эффекты повышают теплообмен, относительный коэффициент теплоотдачи, уменьшают солеотложение и накипеобразование в гидравлической системе. Удельный расход энергии в модульно-пилотной установке (34 л/ч), разработанной в Тамбовском ГТУ, составляет 0,68 кВт/л дистиллята, что ниже, чем для электрических дистилляторов [5].
2. Кавитационная технология очистки внутренних поверхностей технологического оборудования и трубопроводов от накипеобразования, различных отложений и загрязнений изменяет физико-химические свойства жидкостей (происходит активация и увеличивается PH воды) [8, 9], в результате чего вода временно становится активным растворителем прочных адгезивных отложений без введения хим. реагентов [10].
3. Кавитационная технология консервации пищевых и биологически активных эмульсий и суспензий (овощные и фруктовые соки, пюре, пасты, майонезы, молоко, йогурты, мази кремы, системы содержащие биологически активные вещества). Под термином «консервация» нами понимаются такие технологические операции как пастеризация, гомогенизация, диспергирование, дегазация эмульсий и суспензий.
Использование испарительно-конденсационного режима (паровая кавитация) обработки молока, путем многократного вакуумирования при температуре 70оС позволяет повысить срок хранения пастеризованного молока до 10 суток (при 4оС), снизить кислотность до 2-4оТ, сохранить природные качества (незначительное снижение концентрации витамина С), повысить питательность (средний размер жировых шариков 1 мкм) и снизить общее микробное число в 103 – 105 раз [11]. При этом происходит полное уничтожение вегетативных форм дрожжей и плесени, а также патогенных микроорганизмов группы кишечной палочки и нейтрализация фосфатазы.
Способ позволяет получить пастеризованное молоко продленного срока хранения (в неасептической упаковке при температуре 9-12оС не менее 5 суток без признаков скисания), за счет глубокой дегазации, дезодорации и удаления продуктов жизнедеятельности микроорганизмов [9, 12].
4. Кавитационная технология интенсификации процессов растворения и экстрагирования ценных биологических веществ (пектин, каротин, танин и др.) из сырья растительного происхождения. Кавитация изменяет свойства водных растворов и гидрогелей полисахаридов (крахмал, амилопектин, альгинат натрия, хитозан, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы и т.д.) [5]. Кроме того, применение кавитационных технологий позволяет повысить качество мягких лекарственных форм суспензионного и эмульсионного типов [2, 4].
5. Кавитационная технология импульсной обработки растительных масел (рапсового, подсолнечного) в лабораторной установке РИА-150 [5] показали, что обработанное масло имеет отличные от исходного новые качественные физико-химические характеристики (пониженная вязкость и плотность) и по своим параметрам может быть приближено к дизельному топливу, для получения которого проводится реакция этерификации с использованием вредных и опасных катализаторов.
Использование биологического топлива вместо или в смеси с минеральным дизельным топливом позволит улучшить экологические параметры дизельных двигателей, получить энергоноситель на основе возобновляемых источников.
6. Кавитационная технология обработки отходов растениеводства в кормопроизводстве позволяет получить высокопитательные кормовые смеси из бросовых отходов растениеводства (пшеничная солома, шелуха гречихи и т.д.). При этом дисперсность биологического сырья значительно увеличивается, а его частицы уменьшаются до 0,1-8 мкм. Высокая степень измельчения и гомогенизации повышает кормовую ценность биомассы на 20-30% [13].
7. Кавитационная технология получения органоминераль-ных удобрений из растительных отходов дешевого сырья: сельского хозяйства (лузга подсолнечника, гречихи, костра льна) и лесоперерабатывающей отрасли (опилки), торфа и сульфата аммония [14].
8. Кавитационная технология переработки жидких отходов во всем диапазоне человеческой деятельности, в том числе сельхозотходов животноводческих комплексов КРС, птицефабрик и свиноферм (навоза КРС, птичьего помета и свиного навоза) в белковые добавки в комбикорм, органические удобрения, биологически активные добавки, СОЖ, закалочные среды, буровые промывочные жидкости.
Экспериментальные исследования на ультразвуковой установке гидродинамического генератора звука роторного типа подтверждают возможность осуществления кавитационной деструкции материи в широком диапазоне, вплоть до полного превращения материи в энергию (полевая форма материи) [15].
Компоненты сельхозотходов подвергаются на установке воздействиям гидравлических ударов и кавитационной обработки. Вследствие этого происходит растворение, эмульгирование и диспергирование вещества. Конечными этапами являются синтезирование, разделение и извлечение полезных веществ (азот общий и аммиачный, фосфор PO, калий KO, органическое вещество и микроэлементы) [13]. Предлагаемая технология приготовления органоминеральных удобрений и получаемые свойства не имеют аналогов в мире.
9. Кавитационная технология производства биогаза в деструкторах биомассы, на основе исходного органического сырья (органические отходы, остатки продуктов питания и т.д.) измельчаемого до однородной и гомогенной консистенции. В органическом сырье рвутся сложные связи волокон на молекулярном уровне (лигнин, целлюлоза). Дисперсность увеличивается так, что частицы уменьшаются в размерах до 0,1 мкм. Поэтому штаммам бактерий, участвующих в процессах образования биогаза легче разлагать биогенные материалы. Это позволяет увеличить и интенсифицировать производство биогаза на 30-50%. В итоге, процентное содержание метана в биогазе увеличивается до 70-75% (соответствует содержанию метана в природном газе) [16].
10. Кавитационная технология обогрева помещений. В настоящее время создается новое поколение тепловых машин, преобразующих гидроакустическое воздействие на жидкость в тепловую энергию нагревающую жидкость. Такие кавитационные насосы-теплогенераторы (КНТГ) обладают следующими достоинствами: энергосбережение (эффективность преобразования электрической энергии в тепловую достигает 1,5 и более раз), высокая безопасность и экологичность работы, надежность, простота в обслуживании и компактность.
При схлопывании кавитационных пузырьков в рабочей камере КНТГ, между поверхностями ротора и статора происходит выброс энергии в жидкость. В результате жидкость нагревается и перекачивается по системе горячего водоснабжения [5, 17]. Энергосберегающие КНТГ должны быть использованы для обогрева жилых, производственных и складских помещений, теплиц и др. построек сельского хозяйства страны.
11. Кавитационная технология помола твердых механических частиц в биотехнических установках. При течении жидкости через сопла Вернури, вихревые трубки, кавитаторы происходит схлопывание кавитационных полостей (кумулятивный эффект). Локально возникают огромные давления, достигающие 100 МПа и тела высокой прочности (например, механические частицы мела, песка и даже кварца), попавшие в зону кавитации, дробятся, разрушаются, достигая тонкодисперсного состояния (1-100 мкм) в зависимости от времени обработки [8]. Применение таких биотехнических объектов позволяет: снизить себестоимость помола механических частиц (в сравнении с технологией помола в шаровых мельницах), отказаться от химических реагентов, применяемых при очистке (промывке) трубопроводов [9].
12. Кавитационная технология получения цементно-водной суспензии для бетонной смеси. Использование кавитации для получения устойчивых и высокодисперсных эмульсий и паст, вводимых в бетон, позволяет увеличить прочность бетона на 15-20% [5]. Для получения железобетона с высокими эксплуатационными свойствами проводят химизацию бетона комплексными добавками смесей из гидрофобилизирующих ПАВ, применяют коллоидную парафиновую пасту. При этом объемная гидрофобилизация бетона частицами парафина снижает водопоглощение на 40-50%, повышает его коррозионную стойкость и долговечность в условиях воздействия жидких агрессивных сред (например, жидкий навоз на животноводческих комплексах КРС и свинофермах).
13. Кавитационная технология обработки дисперсионных водотопливных систем является эффективным способом получения альтернативных видов топлив. А именно, использование качественных угле-мазутных и водо-угольных суспензий позволяет уменьшить расход мазута на 20-25%, снизить вредные выбросы (COx, NOx), утилизировать угольный шлам, снизить себестоимость тепловой и электрической энергии [18].
Приготовление водотопливных эмульсий (ВТЭ) на основе мазута, дизельного топлива, бензина и угольной пыли позволяет добиться достаточно стабильного процесса сгорания ВТЭ при достаточно высоком содержании воды (40-50%), в зависимости от вида топлива. При сжигании ВТЭ открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства, достигается существенный экономический эффект, повышается к.п.д. на 3-5%, снижается эмиссия загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и др. канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу [19].
14. Кавитационная технология импульсной многофакторной обработки нефти и нефтепродуктов в роторно-импульсных аппаратах (РИА) позволяет получить из тяжелой нефти 20-30% бензина, 40-50% дизельного топлива, 20-30% мазута, битума и др. тяжелых товарных продуктов [9]. Воздействие РИА-150 на мазут позволяет снизить вязкость на 20-30%, увеличить температуру вспышки на 5-10% [20].
Кавитационное воздействие на смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) способствует повышению их качества, снижает затраты на производство. Размер частиц дисперсной фазы СОЖ достигает 1 мкм, что позволяет уменьшить расход режущего аппарата, повысить качество обработки поверхности, уменьшить коррозию станочного оборудования. Кавитационная обработка силикатного масла в пульсационных аппаратах роторного типа позволяет получить масла с высокими эксплуатационными свойствами применяющиеся в редукторных механизмах транспортных энергетических средств [5].
Для достижения требуемых энергосберегающих эффектов от применения кавитационных технологий нами выбраны в качестве объектов исследования гидродинамические кавитационные генераторы, а также устройства для создания кумулятивных эффектов в потоке многофазных сред (сопла Вентури, вихревые трубки, кавитаторы и пр.). При этом выбор в пользу гидродинамического оборудования объясняется преимуществами по сравнению с другими видами акустических излучателей: унифицированность, простота конструкций и невысокая материалоемкость; высокая производительность оборудования и скорость технологического процесса обработки материалов; высокое качество обрабатываемого материала; низкие удельные энергозатраты; экологическая безопасность.
Нашей конечной целью научных исследований является внедрение биотехнических объектов кавитационной обработки материалов в отрасли сельского хозяйства, разработанных и созданных на основе фундаментальных исследований кавитационных и кумулятивных эффектов в многофазных средах. Нами выбран эффективный метод достижения цели исследований – структурно-параметрический синтез биотехнических объектов на основе системного подхода и математического моделирования.
Таким образом, проводимый синтез биотехнических объектов кавитационной обработки материалов в технологических линиях АПК позволит значительно повысить ресурсо- и энергосбережение, качество и масштабы выполняемых операций.