Гідродинаміка струминного очищення поверхонь

Продуктивність процесу гідродинамічного очищення залежить як від міцнісних властивостей і обсягу забруднень, так і від сили удару струменя по забрудненій поверхні. Основною умовою очищення поверхні (руйнування забруднень і видалення їх з поверхні) є перевищення питомих динамічних тисків над міцнісними властивостями забруднень. Під міцнісними властивостями в даному випадку варто розуміти адгезійно-когезійну характеристику забруднень, що залежить від міцності забруднень на стиск або вигин, чи зрушення, або адгезію до поверхні або ін. Забруднення відокремлюється від поверхні, коли питомий динамічний тиск, що розвивається струменем у зоні забруднення, перевищує хоча б одну з зазначених міцнісних характеристик. Забруднення різних груп мають свої специфічні властивості і різні міцнісні характеристики.

Механічний вплив миючої рідини на забруднену поверхню є основним у процесі струминного очищення. Визначальним параметром механічного впливу струменя є напір миючої рідини. За величиною тиску в насадці гідравлічні струмені розподіляють на струмені низького (до 1 МПа), середнього (1…5 МПа) і високого тиску (5…60 МПа). При мийці виробів під високим тиском струменя води визначальними є наступні фактори: 1) тиск води; 2) температура води; 3) склад миючого засобу; 4) кут розпилення; 5) відстань від насадка до об’єкта очищення; 6) час впливу.

Гідромоніторний струмінь впливає на забруднену поверхню, створюючи на ній необхідний гідродинамічний тиск. Насадок гідромонітора в даному випадку можна розглядати як трансформатор потенційної енергії напору миючої рідини в кінетичну енергію струменя.

Схема впливу струменя на забруднену поверхню приведена на рис. 2.7. Струмінь 2 витікає з насадка 1 під кутом нахилу струменя a, створюючи на забрудненій поверхні 5 потік рідини, що розтікається 4 з гідравлічним стрибком 3. Для розрахунків використовуються наступні величини: d_н – діаметр насадка; l – відстань насадка від поверхні 5; т, т ₁ і т ₂ – маса струменя і його складових; V, V₁ і V₂ – швидкість потоку; Н – зона дії нормальних напруг; Р – зона дії дотичних напружень.

Рис. 2.7. Схема дії струменя на забруднену поверхню:

1 – насадок; 2 – струмінь; 3 – гідравлічний стрибок; 4 – потік рідини;

5 – забруднена поверхня

Сила гідродинамічного тиску струменя на поверхню розташовану під кутом a до струменя на відстані l, визначається з рівняння

P_l» 0,5 × r_l × S_l × V_l² × sin a, (2.1)

де P_l – сила удару струменя на поверхню на відстані l від насадка, Н; P_l = R;

r _l – середня густина аерованої рідини струменя на відстані l від насадка, кг×c²/м⁴;

S_l – площа поперечного перерізу аерованого струменя на відстані l від насадка, м²;

V_l – середня швидкість струменя на відстані l від насадка, м/с.

Процес струменевого очищення визначається гідравлічними характеристиками (тиском і подачею нагнітального насоса), а також кількістю і діаметром насадок. Швидкість струменя, густина рідини і площа перетину струменя залежать від виду насадка і тиску перед насадком. Для більшості мийниць тиск у системі гідранта складає 0,3…0,6 МПа при діаметрі насадка 3…6 мм.

У мийних машинах застосовують різні конструкції насадок. За величиною гідравлічного опору їх підрозділяють на циліндричні, конічні і коноідальні (рис. 2.8).

	а
		б
			в
				г

Рис. 2.8. Типи насадок:

а – циліндричний; б – конічний; в – конічно-циліндричний,
г – коноідальний; d_н – діаметр насадка; a – кут конусності

В гідравлічному відношенні найбільш досконалими є коноідальні насадки, а менш досконалими – циліндричні, що оцінюється коефіцієнтом витрати рідини: m = e × j, де e – коефіцієнт стиснення струменя; j – коефіцієнт швидкості.

Максимальну кінетичну енергією має струмінь рідини, що витікає з коноідального насадка (m = 0,97…0,99). Проте в зв’язку з конструктивною складністю виконання коноідальних насадок малого діаметра (2…5 мм) у мийних машинах використовують менш досконалі, але більш прості циліндричні, конічні і конічно-циліндричні насадки.

Циліндричні насадки мають такі кращі гідравлічні параметри (m = j = 0,82) при довжині насадка, рівним 3…4 діаметрам отвору насадка, а кращі параметри (m = 0,94, j = 0,96) конфузорних насадок – при куті конусності 13…15°. Величина питомої кінетичної енергії витікаючого струменя з коноідального, конічного і циліндричного насадок складає відповідно 0,96; 0,90 і 0,67 величини початкового напору рідини перед насадком. Коефіцієнти залежать також як від величини початкового тиску, так і від якості обробки внутрішньої поверхні насадка. Так, наприклад, збільшення тиску з 0,5 до 5 МПа приводить до зниження m від 0,93 до 0,88, тобто приблизно на 5 %. Для реальних конструкцій насадок коефіцієнт витрати визначається експериментальним шляхом.

Швидкість витікання рідини з насадка визначається за фор-мулою

, (2.2)

де V_н – швидкість витікання, м/с;

j_н – коефіцієнт швидкості;

р_н – тиск перед насадком, Па;

r_р – густина рідини, кг/м³.

Витрата рідини через насадок визначається зі співвідношення

, (2.3)

де m_н – коефіцієнт витрати насадка;

d_н – діаметр насадка, м.

Для розрахунку гідродинамічного тиску необхідно мати значення V_l, S_l і j_l. Аналітично одержати ці дані досить складно, тому використовують спрощення й усереднення експериментальних і розрахункових величин.

Середня щільність рідини струменя змінюється вздовж довжині струменя згідно рівнянню r_р = r_н × К,

де r_н – густина струменя в насадку, К – коефіцієнт, що залежить від співвідношення l/d_н. Для насадок d_н = 3…5 мм і відстаней l, рівних 100, 200, 500 і 1000 мм, значення К відповідно становить 0,97; 0,65; 0,52 і 0,40.

Зміна густини струменя на початковій ділянці (l/d_н до 60) відбувається внаслідок внутрішнього виділення розчинених газів, а
подалі від насадка відбувається насичення маси рідини атмосферним повітрям.

Гідродинамічний тиск струменя впливає на забруднення в зоні Н безпосереднього контакту струменя з поверхнею, що очищується. При куті нахилу струменя a = 90°, площа зони Н складає S_н» 5 × d_н². У зоні Н виникають нормальні руйнуючі тиски s = P_l /S_н. Підставивши значення P_l і S_н , одержимо, що s пропорційно тиску р_н рідини перед насадком (за інших рівних умов).

Розмиваюча дія струменя проявляється в зоні Р під дією дотичних напружень. Це зона бурхливого стану потоку. Розмір зони Р збільшується з підвищенням тиску та зміні діаметра насадка і зменшується завдяки шорсткісті поверхні очищення. Для d_н = 4 мм зі зміною тиску від 0,2 до 1,6 МПа зона Р збільшується лінійно від
1,2 × 10³ × d_н² до 25 × 10³ × d_н².

Для очищення за умов високого тиску вирішальним є ударний тиск на поверхні, що очищаються, тому що саме ударний тиск струменя забезпечує видалення бруду з агрегатів автомобіля. Цей найважливіший фактор залежить від чотирьох складових: 1) геометрії струменя; 2) потоку води; 3) тиску рідини; 4) відстані до об’єкта.

Збільшення розміру водяних краплин та їх швидкості, підвищує ударний тиск і, отже, мийний вплив. Струмінь розпилення з чіткими краями, що складається з великих зчеплених краплин, має на 40 % більший ударний тиск при одній і тій же швидкості руху води. Такий струмінь значно підвищує очисну дію, тобто обсяг видаленого бруду.