Розробка теоретичних та технологічних основ обробки вологих дисперсних матеріалів у вихрових апаратах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України

УДК 533+536.24.083+544.032

РОЗРОБКА ТЕОРЕТИЧНИХ ТА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСНОВ ТЕПЛОВОЇ ОБРОБКИ ВОЛОГИХ ДИСПЕРСНИХ МАТЕРІАЛІВ У ВИХРОВИХ АПАРАТАХ

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Чейлитко Андрій Олександрович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теплоенергетики в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Павленко Анатолій Михайлович Дніпродзержинський державний технічний університет, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, зав. кафедрою промислової теплоенергетики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лушпенко Сергій Федорович Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук, доцент Круглякова Ольга Володимирівна Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України, доцент кафедри теплотехніки та енергоефективних технологій.

Захист відбудеться «_27__»_жовтня__2011р. о 15³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий «_26___»_вересня__2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук О. Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У промисловому виробництві існує безліч різних процесів, які пов'язані з рухом твердих часток у вихровому потоці. Один з таких процесів - це теплова обробка аморфоподібної частинки на основі кремнезему для отримання пористих твердих гранул, що мають низьку теплопровідність і достатню міцність. Встановлено експериментально, що такі гранули можна застосовувати в якості теплоізолюючого шару в широкому діапазоні температур. Традиційний метод отримання (спучення) цих матеріалів реалізується шляхом швидкого нагріву сировинної суміші при температурах 800-1000 єС у барабанній печі і є вельми енерговитратним в порівнянні із запропонованим методом спучення у вихровому апараті при температурі до 300 єС. Відносно термообробки в барабанній печі слід згадати про відомі недоліки, такі як злипання частинок матеріалу, порушення цілісності, тріщиноутворювання. Дані проблеми притаманні практично всім технологіям виробництва спученого теплоізолятора, оскільки дослідниками, як правило, не ставиться завдання про теплотехнічну оптимізацію процесу термообробки, а основна увага приділяється хімічному складу матеріалу. Отримані теплофізичні параметри після термообробки приймаються як відповідні для того або іншого завдання. Хоча логічно передбачити, що найбільш вірним рішенням було б оптимізувати не лише склад самого матеріалу, але і режими його обробки.

Аналітичний огляд існуючих технологій показує, що дослідження в даному напрямі направлені на вивчення того або іншого процесу окремо, а узагальнених теорій недостатньо для чіткого аналізу і побудови моделі процесу тепломасообміну вологої частинки, що спучується, у вихровому потоці. Також не вироблений чіткий підхід до вибору оптимальної схеми вихрового апарату для термообробки вологих матеріалів. Необхідно створити загальний метод, загальний підхід до рішення даного питання. Експериментально знайти та узагальнити характеристики тепломасообміну вологої пористої частинки, що рухається у потоці. Визначити оптимальні параметри теплової обробки (тривалість теплової обробки, температуру потоку, початкову вологість матеріалу) в залежності від теплофізичних параметрів. Використати отримані результати для побудови математичної моделі тепломасообміну частинки, що спучується у рухомому потоці. Після чого розробити і випробувати технологічну схему термообробки частинок пористого матеріалу.

Таким чином, розробка загального методологічного підходу до вирішення поставленої задачі є актуальною для розвитку науки у галузі теплофізики і теплоенергетики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тематика дисертаційної роботи відповідає науковому напряму кафедри теплоенергетики Запорізької державної інженерної академії. Питання і проблеми, що розглянуті в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі енергозбереження і планам Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України. Робота є складовою комплексних досліджень, які здійснювалися відповідно до держбюджетних тем Дніпродзержинського державного технічного університету: «Розвиток теорії тепломасообміну в нанотехнологіях обробки дисперсних середовищ» (202/05ДБ, 0184U006634); «Розвиток теорії тепломасообміну в дисперсних середовищах» (202/03ДБ, 0126U005749); «Розвиток теорії наномасштабних процесів енергообміну в рідких дисперсних середовищах» (202/07ДБ) і виконані в рамках наукової лабораторії "Теплофізика дисперсних систем" (ДГТУ, ІТТФ НАН України). Автором проведений ряд експериментальних і теоретичних досліджень, які необхідні для даної програми.

Мета і завдання дослідженя. Мета дисертаційної роботи - розробка теоретичних і технологічних основ для створення нового пористого теплоізоляційного матеріалу з прогнозованими теплофізичними характеристиками.

Основні завдання роботи:

- визначення залежностей теплофізичних властивостей матеріалу від різних параметрів термообробки;

- вибір і уточнення критеріальних рівнянь для опису процесу тепломасовіддачі матеріалу при його термообробці;

- вибір математичної обчислювальної схеми;

- створення моделі тепломасообміну частинки, що спучується у рухомому потоці;

- створення програми для вирішення рівнянь моделі тепломасообміну частинки, що спучується у рухомому потоці;

- дослідження аеродинаміки вихрових апаратів;

- дослідження залежностей аеродинамічних параметрів потоку від геометричних розмірів вихрового апарату;

- розробка конструкції вихрового апарату для дотримання оптимальних параметрів термообробки;

- уточнення математичної моделі руху частинок у вихровому апараті при термообробці.

Об'єктом дослідження є технологія термічного структуроутворення пористої частинки у вихрових апаратах.

Предметом дослідження є процеси тепломасообміну, які протікають у частинки, що спучується, у вихровому потоці і аеродинаміка потоків, з твердими включеннями й без них, в різних вихрових апаратах.

Методи дослідження включають математичне і чисельне моделювання процесів тепломасообміну, які протікають у частинки, що спучується в потоці теплоносія, засноване на інтеграції системи рівнянь Нав'є-Стокса, усереднених Рейнольдсом. Для чисельного моделювання застосовувався метод контрольного об'єму. Для дослідження процесів аеродинаміки застосовувалося комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше отримані залежності теплофізичних характеристик пористого матеріалу від параметрів його термообробки при спученні, на основі яких запропоновано методологічний підхід для знаходження оптимальних режимів теплової обробки даного матеріалу.

2. Вперше отримані критеріальні рівняння тепломасовіддачі кулястої пористої частинки в рухливому потоці теплоносія при її спученні.

3. Вперше експериментально отримані масообмінні характеристики частки, яка спучується, в рухливому потоці, що дозволило визначити оптимальні режими термообробки матеріалу у вихровому шарі.

4. Уточнені залежності коефіцієнта аеродинамічного опору вихрового апарату від геометричних параметрів вихрового апарату.

5. Вперше експериментально визначені кінетичні характеристики термообробки пористого матеріалу на основі кремнезему у вихровому шарі, що дозволили встановити залежність часу знаходження частинки у вихровому апараті від масової витрати матеріалу при різних швидкостях і температурах потоку.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено програму на мові Pascal для розрахунку розподілу температури частинки, що спучується, по координатах і часу, при термообробці даної частинки.

2. Розроблено вихровий апарат для термообробки пористого теплоізоляційного матеріалу, що має оптимальні теплофізичні параметри.

3. Розроблено методику визначення оптимальних режимів термообробки пористого теплоізоляційного матеріалу, на основі кремнезему.

4. Розроблено методику вибору оптимальних параметрів вихрового апарату. теплофізичний термообробка вихровий тепломасообмін

5. Результати досліджень і розроблений теплоізолюючий матеріал упроваджені на наступних підприємствах і організаціях України: комунальне підприємство "Дніпродзержинська тепломережа", м. Дніпродзержинськ, Дніпропетровська область; ОАО "ДнепроАЗОТ" м. Дніпродзержинськ, Дніпропетровська область.

6. Реалізація матеріалів дисертації дозволила отримати сумарний економічний ефект у розмірі 106 091 грн. на рік.

7. Наукові результати, отриманні автором при роботі над дисертацією, а також розроблене програмне забезпечення та методики розрахунків використовуються в навчальному процесі в рамках загальних та спеціальних курсів для студентів теплоенергетичного напрямку Запорізької державної інженерної академії.

Особистий внесок здобувача. У спільних опублікованих роботах особистий внесок автора полягає в розробці лабораторної установки для дослідження тепломасообмінних характеристик пористого матеріалу, а також дослідженні залежностей теплофізичних параметрів пористого матеріалу на основі кремнезему від різних режимів його термообробки [1], створенні рівняння балансу енергії і його методу рішення [2], вирішенні рівнянь моделі тепломасообміну у вихровому шарі [3], вирішенні системи рівнянь, що описують нестаціонарний рух стискуваного в'язкого газу [4,5], експериментальних досліджень по виробництву пористого теплоізоляційного матеріалу на основі кремнезему при різній початковій вологості [6], визначенні залежності коефіцієнту масовіддачі і вирішенні рівнянь, що описують процес тепломасообміну в частинці, що спучується, у рухомому потоці [9], вирішенні рівнянь, що описують рух частинки в потоці [10].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи докладалися на міжнародних конференціях: XV міжнародній конференції «Теплотехніка і енергетика в металургії» (Україна, Дніпропетровськ, 7-9 жовтня 2008г.), Міжнародній науковій конференції «Математічні проблеми технічної механіки», (Україна, Дніпродзержинськ, 21-24 березня 2008 р.), 1-у науковому конгресі «Захист навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування» (Україна, Львів, 28-29 травня 2009г.), Міжнародній науковій конференції «Математічні проблеми технічної механіки», (Україна, Дніпродзержинськ, 19-22 квітня 2010 р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 14 друкованих працях, у тому числі: 1 монографія, 9 статей в спеціалізованих журналах, 4 матеріали і праці міжнародних наукових конференцій.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм дисертаційної роботи 145 сторінок, з них 127 сторінок основного тексту, 60 рисунків, 11 таблиць та 4 додатка. Список використаних літературних джерел складає 104 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень; перелічені зв'язки роботи з науковими програмами; зазначено новизну отриманих результатів, а також практичне значення роботи; наведено відомості про апробацію роботи і публікації автора.

У першому розділі роботи, згідно з викладеними метою та задачами досліджень, проведено аналіз наукових джерел щодо термообробки дисперсного матеріалу у вихровому потоці та охарактеризовано проблематику моделювання цього фізичного процесу. Проаналізовані різноманітні турбулентні теорії та моделі турбулентності та визначено, що найбільш доцільною при розрахунку аеродинаміки вихрового апарату з дисперсним матеріалом є k-e модель турбулентності. На основі аналізу експериментальних даних різних авторів були визначені закономірності динаміки вихрового потоку (основний вихор, витікаючий вихор, осьова зворотна течія, кільцева зворотна течія) та їх залежність від співвідношення діаметру сопла до діаметру апарату. Так, основний вихор існує завжди, а при рівних діаметрах сопла та апарату витікаючий вихор зливається з основним. Зворотна осьова течія зникає при співвідношенні діаметру сопла до діаметру апарату рівному 0,2, а кільцева зворотна течія - при співвідношенні більш ніж 0,6. Ці дані одержані шляхом розрахунку за допомогою зазначених математичних моделей в програмі АNSYS CFX (рис.1) та співставлення розрахункових даних

Рис. 1 Співставлення розрахункових з результатами досліджень різних даних (RNG k-е модель турбулентності) авторів для окремих ділянок з відомими результатами вихрового шару

Для ділянок №1 збіг швидкості потоку складає 90 %; №2 - 50 %; №3 - 40 % при температурі газу 160 ?С. Показано недоцільність переносу значень аеродинамічних характеристик вихрових течій з холодного потоку на гарячий. Визначено, що процес термообробки дисперсного пористого матеріалу в вихровому потоці буде складатися з трьох етапів. Перший етап - це період прогрівання, що характеризується наростанням швидкості термообробки до деякої найбільшої величини. Другий - період постійної швидкості термообробки. Третій період - період падаючої швидкості термообробки. Також визначено, що для того, щоб отриманий матеріал мав найменшу можливу теплопровідність, необхідна рівномірна термообробка по поверхні матеріалу, а також щоб матеріал мав гомогенну пористість.

Особливістю потоку з дисперсною фазою є зменшення гідравлічного опору вихрового апарата. Дослідженням аеродинаміки вихрових апаратів та визначенню їх загального опору присвячено багато наукових робіт, зокрема Долінського А.А., Халатова А.А. та інших авторів. Але залежності опору вихрового апарату від типу та кількості матеріалу, що спучується, не існує. Тому було вирішено визначати аеродинамічний опір вихрового апарату для мінімізації витрат при роботі апарату на чистому потоці.

Ще однією особливістю поставленої задачі є зміна об'єму матеріалу під час його термообробки.

Завершує розділ математична постановка задачі руху турбулентного потоку під впливом масових та поверхневих сил з урахуванням наведених вище особливостей термообробки.

У другому розділі описуються методика і результати числових експериментів по знаходженню теплофізичних параметрів пористого матеріалу, оптимізація цих теплофізичних параметрів в залежності від режимів термообробки (тривалості спучування, температури теплоносія). Наводиться енергетичний баланс термообробки пористого матеріалу без врахування зміни теплофізичних характеристик матеріалу. За допомогою компьютера та пакету програм АNSYS проведено математичне моделювання розігріву сферичної частинки з хаотичним розподілом пор по об'єму (рис. 2). Це дало можливість визначити, що ізотермічні поверхні в пористому матеріалі не є сферичними, та точка, яка останньою починає отримувати підведену енергію, не збігається з центральною точкою пористої частинки. З цього зроблено висновок, що необхідно експериментально визначити залежність теплофізичних параметрів пористого матеріалу від режимів термообробки.

В досліджуваному матеріалі основним пороуторювачем є вода, тому різні зразки, умовно сферичної форми, з вибраної сировинної основи насичувалися різною кількістю води і піддавалася термообробці за однакових за однакових умов. Спучення зразків відбувалося таким чином - зразок з малою вологістю сировинної суміші спучився менше, і пори у нього практично не утворилися, а зразок з високою вологістю сировинної суміші досить сильно спучився, але пори вийшли різного розміру і хаотично розкидані. А для отримання якісного теплоізоляційного матеріалу необхідно отримати більш рівномірну пористість, а також бажано, що б пори були закритого комірчастого типу.

Рис. 2 Температурне поле пористої частинки

Методом планування експерименту визначені залежності теплоємкості (1) (визначалася методом безпосереднього нагріву), теплопровідності (2) (метод динамічного калориметра), щільності (3) (через визначення об'єму та маси) та міцності від температури обробки, початкового вмісту вологи в матеріалі та тривалості термообробки. Для здобуття найбільш достовірних залежностей був вибраний ортогональний план другого порядку з ядром 2³, що містить дві зоряні точки. Отримані дані узагальнені рівняннями

^, (1)

^;

(2)

^;

^, (3)

^,

при аналізуванні яких було визначено, що початкова загальна вологість матеріалу повинна складати 30 %, з можливістю відхилення в 5 %, для отримання оптимальних параметрів матеріалу.

Температура потоку у формулах (1) - (3) визначається в градусах Цельсія, а час - у секундах.

Найбільш суттєвий вплив на щільність надає час термообробки матеріалу в печі. Причому, чим він більше, тим менше щільність, але тільки до деякого часу. Це пояснюється тим, що в заданому температурному діапазоні впродовж досліджуваного періоду часу в матеріалі відбувалися процеси обезводнення і зміцнення каркасу. Температура також зворотньопропорційно впливає на щільність.

Теплоємність нелінійно залежить від часу термічної дії. Передбачається, що це пов'язано з тим, що при подальшому нагріві змінюється вигляд пористості, а також пори зростають в хаотичному порядку, що веде до їх нерівномірного розподілу за об'ємом. А як було визначено, найбільш ефективною пористістю є мінімальний допустимий розмір пор при максимальній гомогенізації їх за об'ємом.

Мінімальне значення теплоємкості 137 Дж/(кг·К) може бути отримано, якщо час термічної обробки буде дорівнювати 4 с, а температура потоку - 543 °С. Це значення теплоємності в 5 разів менше середнього значення для кремнеземних матеріалів.

Мінімальною теплопровідність буде при наступних параметрах: температура в робочій камері 271,8 °С, час термічної обробки 3,25 с, початкова вологість 37,8 %. При даних значеннях, щільність матеріалу дорівнюватиме 990 кг/м³, а теплоємність - 371 Дж/(кг·К). Варто звернути увагу на те, що мінімальна теплопровідність матеріалу в півтора рази менше встановленої норми для утеплювачів на основі кремнезему.

Для експериментального визначення тепломасообмінних залежностей була розроблена експериментальна установка (рис. 3).

Рис. 3 Схема експериментальної установки (а), збільшений фрагмент схеми експериментальної установки (б) та фотографія частини експериментальної установки: 1 - компресор; 2 - електричний нагрівач; 3 - регульоване джерело живлення; 4 - труба; 5 - вимірювальний стенд із сполученими судинами; 6 - подпитуюча судина з водою; 7 - досліджуваний матеріал; 8 - потенціометр

Нижче приведені залежності числа Нуссельта від Рейнольдса для сферичної частки в рухливому потоці (рис. 4).

Рис. 4 Теплоперенос при обтіканні потоком поверхні (Nu по експериментальному методу)

Отримані експериментальні данні дуже близько збігаються з даними, отриманими М. А. Фуксом, тому були вибрані критеріальні рівняння виведені ним з корегуванням вільного коефіцієнту. Після обробки експериментальних даних отримано

, (4)

. (5)

Також були отримані значення для лобової частини матеріалу, що обдувається, та для тильної частини

Nu_л = 2(1 + 0,6 Re^0,5 Рr^0,33), Sh_л = 2(1 + 0,6 Re^{0, 5} Sc^0,33 ); (6)

Nu_т = 2(1 + 0,28 Re^{0, 5} Рr^0,33 ), Sh_т = 2(1 + 0,28 Re^{0, 5} Sc^0,33). (7)

Результати експериментальних досліджень представлено на рис. 5.

З рис. 5 видно, що в деякій час середня по радіусу температура частинки досягає максимуму і залишається незмінною. Із збільшенням температури потоку час температурної релаксації зменшується і його необхідно враховувати при побудові математичної моделі. Після апроксимації рис. 5 отримано рівняння для розрахунку середньої температури по радіусу частинки з врахуванням часу температурної релаксації.

Рис. 5 Зміна середньої температури по радіусу матеріалу в залежності від часу при різних температурах потоку

(8)

Отримані експериментальні залежності дають можливість моделювати процес термообробки вологого пористого дисперсного матеріалу з урахуванням спучення матеріалу.

У третьому розділі дисертаційної роботи вирішується задача моделювання процесу термообробки.

Зміна температури для сферичної частки можна представити через диференційне рівняння тепломасообміну

(9)

з граничними умовами третього роду

. (10)

Рівняння для оцінювання інтенсивності масовіддачі отримане з проведених експериментів і після деяких перетворень має вигляд

(11)

Для рішення задачі спучування пористої дисперсної частки був застосований метод кінцевих різниць. Для рішення поставленої задачі необхідно привести рівняння (9) до наступного виду:

, (12)

де

Дискретний аналог отримаємо шляхом інтегрування рівняння (9) за контрольним об'ємом і по тимчасовому інтервалу з урахуванням, що вибрана повністю неявна схема, тобто

(13)

(14)

(15)

Після програмування процесу спучування пористої частинки методом контрольного об'єму у середі Turbo Pascal були отримані данні, що дозволяють побудувати графічну залежність розподілу температур по радіусу частинки у різні моменти часу (рис. 6).

Рис. 6 Зміна температури матеріалу по радіусу пористої спучуванної частки в різні моменти часу

Також були відкориговані параметри термообробки пористого матеріалу з урахуванням параметрів потоку, що рухається, для отримання мінімальної теплопровідності: температура може коливатися від 272 до 300?С, час термообробки - від 3 до 3,25 с, а початкова вологість - від 30 до 35 %.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений моделюванню оптимальної технологічної схеми термообробки пористого матеріалу, що спучується.

У поставленому завданні розрахунок аеродинаміки вихрового потоку ускладнюється через необхідності врахування впливу твердої фази матеріалу на розподіли швидкостей і тисків в камері закручування. При цьому слід звернути увагу на конструктивну реалізацію пристрою для введення твердої фази в закрученому потоці, дисперсність матеріалу (дрібніші частки швидше пригнічують ізотропну турбулентність) і час перебування часток в потоці. Також необхідно, щоб вихровий апарат мав якомога нижчий аеродинамічний коефіцієнт опору. Для цього були змодельовані 16 вихрових апаратів, які мають різні геометричні розміри. Це дало змогу знайти оптимальні співвідношення геометричних розмірів апарату. Так діаметр вхідних патрубків повинен вибиратися з оптимальної витрати повітря (розрахункові данні дуже близько співпали з даними Б. П. Устіменко, рис.7).

Рис 7 Залежність коефіцієнту аеродинамічного опору апарату від зміни діаметру вхідних патрубків. У лінію з'єднані дані Б. П. Устіменко, а хрестиком відзначено дані, які отримано розрахунковим шляхом

Рис. 8 Залежність коефіцієнту аеродинамічного опору апарату від зміни відношення діаметру вихідного сопла до його висоти. Висота камери дорівнює 1100 мм, а діаметр 504 мм

Рис. 9 Залежність коефіцієнту аеродинамічного опору апарата від зміни відношення висоти камери к діаметру камери закручування

Висоту сопла, як видно з рис. 8, необхідно приймати приблизно рівною його діаметру. Діаметр сопла приймаємо рівним 0,55 діаметра камери закручування. Співвідношення висоти камери до її діаметра дорівнюватиме 0,9 - 1,2 (рис. 9).

Маючи оптимальні співвідношення геометричних розмірів вихрової камери та кут крутки потоку, необхідно визначитися з витратою потоку через камеру. Умовою оптимальної витрати є критерій часу знаходження частинки в потоці, заданий на основі оптимізації експериментів. Але також слід враховувати, що невелике регулювання часу знаходження частинки в потоці можна виконати шляхом зміни відстані введення матеріалу від осі апарату.

Рис. 10 Схема оптимізованого вихрового апарату

Параметри завантаження матеріалу були прийняті наступні: у бічні патрубки подається повітря із швидкістю 20 м/с і температурою 272 єС, а у верхні патрубки подається повітря із швидкістю 2 м/с з вмістом часток досліджуваного матеріалу. Витрата матеріалу складає 0,1 кг/с. Початкова температура часток була прийнята 22 єС. Рух потоку в такому апараті відображено на рис. 11.

Рис. 11 Розподіл швидкостей потоку, що подається через бокові патрубки (ліворуч) та через верхні патрубки з матеріалом (праворуч)

По лініях току можна побачити, що потік, який поступає через верхні патрубки в камеру закручування, через невеликої швидкості руху знаходиться в приосьовій частині апарату. Зі збільшенням швидкості цього потоку спостерігається збільшення його радіусу закручування до певного значення. При швидкості близької до швидкості потоку через бічні патрубки, потоки перемішуються в пристінній області камери і рухаються одним цілим потоком, але це збільшує радіус зони зворотного струму. У зв'язку з цим, швидкість потоку того, що вкидає частинки, вибиралася невеликою, щоб зменшити зворотній рух потоку.

В даному вихровому апараті час перебування основної маси дисперсного матеріалу складає від трьох до трьох з половиною секунд, що відповідає оптимальним параметрам термообробки. Максимальний час обробки від 3,5 до 4,5 с досягається лише у 10 % часток.

При необхідності зміни швидкості потоку так, щоб зберігався оптимальний час термообробки, можна скористатися графіком, який побудовано за експериментальними даними.

Рис. 12 Залежність часу перебування частинок, що спучуються, у вихровому апараті від їх масової витрати при різних швидкостях потоку у вхідних патрубках

З рис. 12 можна побачити, що при збільшенні швидкості потоку в бічних патрубках час перебування дисперсного матеріалу у вихровому апараті зменшується. Це пояснюється не лише тим, що на матеріал діє більший градієнт тиску, а і звуженням радіусу зони вихору, що подає частинки. Але сильне зменшення швидкості потоку приведе до слабкого тиску потоку і частинка вільно падатиме. Із збільшенням же витрати матеріалу, час перебування частинок в потоці збільшується через зниження енергії потоку, отже, і зниження швидкостей потоку.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу існуючих теорій і методів термообробки вологої пористої частки показана відсутність цілісного підходу до теоретичного опису процесу термічного спучення пористих матеріалів. У зв'язку з цим розроблені нові теоретичний і технологічний підходи до термічного спучення частки з метою створення теплоізоляційного матеріалу на основі кремнезему, що має низький коефіцієнт теплопровідності і мінімальні економічні витрати при виробництві. Запропонована нова технологічна схема термообробки, яка реалізується у вихрових камерах.

2. Експериментально визначені залежності теплофізичних властивостей матеріалу від різних параметрів його термообробки, завдяки чому визначені такі параметри термообробки, при яких матеріал матиме мінімальну теплопровідність. Також знайдені залежності дозволяють отримати необхідний режим термообробки для здобуття заданих основних теплофізичних характеристик.

3. Розроблена експериментальна установка, що дозволила знайти основні закономірності тепломасовіддачі пористої частинки в потоці теплоносія, на підставі яких отримані рівняння в критеріальній формі, що дозволяють виконати оцінку тепломасообміних характеристик нового дисперсного пористого матеріалу, які необхідні для технологічних розрахунків.

4. На підставі отриманих експериментальних залежностей створено математичну модель тепломасообміну пористої частинки, що спучується у рухливому потоці теплоносія, а також програму для вирішення рівнянь даної моделі, що дає можливість визначити енергетичні характеристики процесу термічного спучення частинки в заданий момент часу.

5. Виконані дослідження аеродинаміки різних вихрових апаратів, на підставі яких визначені оптимальні співвідношення геометричних параметрів вихрового апарату з найменшим аеродинамічним коефіцієнтом опору, що дозволило створити ефективне енергозберігаюче устаткування.

6. Промислове використання результатів досліджень дозволить отримати економічний ефект у розмірі 106 091 грн. за рік, що підтверджено відповідними актами про використання результатів дисертаційної роботи.

Позначення: л - теплопровідність; С - масова теплоємність; Р - тиск; R - радіус; Т - температура; с - щільність; ф - час; Nu - число Нусельта, Pr - число Прандтля, Sh - число Шервуда, Sc - число Шмідта, Re - число Рейнольдса, r - координата по радіусу, v - швидкість, L - скрита теплота фазового переходу. I - коефіцієнт масовіддачі.

Індекси: ч - частинка, п - потік, л - лобова сторона, т - тильна сторона, р - релаксація, e, p, w - точки вузлового шаблону методу контрольного об'єму.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Павленко А. М. Особенности гидродинамики дисперсного потока в вихревых камерах / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко. Днепродзержинск: ДГТУ, 2010. 160 с.

2. Павленко А. М. Особенности тепломассообменных процессов в вихревом потоке с влажными дисперсными частицами / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2008. №35. С. 10 - 13.

3. Павленко А. М. К вопросу о проектировании вихревых испарительных камер с подвижной зоной вскипания / А. М.Павленко, А. А.Чейлытко // Системні технології: регіональний міжвузівський збірник наукових праць. 2008. №54. С. 52 - 57.

4. Павленко А. М. Проектирование вихревого массообменного аппарата для разделения эмульсий / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2008. №31. С. 39 - 42.

5. Павленко А. М. Моделирование процесса сушки влажного дисперсного материала с переменной плотностью в вихревом потоке / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. №37. С. 19 -22.

6. Павленко А. М. Создание основы для нового теплоизоляционного материала / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. №39. С. 13-16.

7. Чейлытко А. А. Экспериментальные исследования теплофизических характеристик пористого дисперсного материала в зависимости от различных режимов термообработки / А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. №41. С. 4-7

8. Чейлытко А. А. Определение тепломассообменных зависимостей сушки частицы в подвижном потоке / А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. №42. С. 10-13.

9. Павленко А. М. Математическая модель тепломассообмена вспучивающейся частицы в потоке / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2010. №44. С. 52-54.

10. Павленко А.М. / Особенности гидродинамики дисперсного потока в вихревых камерах / А. М. Павленко, А. В. Кошлак, А. А. Чейлытко // Збірка наукових праць ДДТУ - 2010. Вип. 11. С. 76-82.

АНОТАЦІЯ

Чейлитко А. О. Розробка теоретичних та технологічних основ обробки вологих дисперсних матеріалів у вихрових апаратах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України - м. Харків, 2011 р.

В роботі розроблені теоретичні та технологічні основи термообробки пористого матеріалу, що спучується. Розглянуто особливості неізотермічного потоку. Представлені основні закономірності руху вихрового потоку у циклоні з урахуванням дисперсних включень. Експериментальним шляхом знайдено залежності теплофізичних властивостей кінцевого матеріалу від параметрів термообробки матеріалу, а також від початкової вологості сировини. Також уточнені критеріальні рівняння тепломасовіддачі кулястої вологої пористої частки в рухливому потоці. Знайдено залежність масовіддачі цієї частки від швидкості та температури потоку. Знайдено залежність середньої температури по радіусу пористої частки від часу термообробки. На основі знайдених залежностей побудована математична модель процесу спучення пористої частинки. Запропонована технологічна схема реалізації оптимальної термообробки матеріалів, що спучується у вихрових апаратах.

Ключові слова: Термообробка, пористість, теплопровідність, вихор.

АННОТАЦИЯ

Чейлытко А. А. Разработка теоретических и технологических основ обработки влажных дисперсных материалов в вихревых аппаратах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины - г. Харьков, 2011 г.

В работе разработаны теоретические и технологические основы термообработки пористого материала, который вспучивается. Рассмотрены особенности неизотермического потока и потока с дисперсными включениями. Представлены основные закономерности движения вихревого потока в циклоне с учетом дисперсных включений, а также рассмотрены процессы и закономерности сушки влажных дисперсных частиц в потоке. Экспериментальным путем найдены зависимости теплофизических свойств конечного материала (теплоемкости, теплопроводности, плотности и прочности) от параметров термообработки материала (продолжительности термообработки и температуры потока), а также от начальной влажности сырья. По найденным зависимостям определены оптимальные параметры термообработки выбранного пористого материала для получения минимального коэффициента теплопроводности.

Разработана экспериментальная установка, позволившая уточнить критериальные уравнения тепломассоотдачи шарообразной влажной пористой частицы в подвижном потоке, а также найти зависимость массоотдачи пористой частицы от скорости и от температуры потока, что ее обдувает. Найдена зависимость среднеарифметической температуры по радиусу пористой частицы от времени термообработки с учетом времени температурной релаксации.

На основании найденных экспериментальных зависимостей построена математическая модель процесса вспучивания пористой частицы. Разработана программа, позволяющая определить распределение температуры во вспучивающемся материале и теплофизические характеристики конечного материала в зависимости от заданных условий термообработки.

Предложена технологическая схема реализации оптимальной термообработки пористых вспучивающихся материалов в вихревых аппаратах. Для этого была изучена аэродинамика вихревых аппаратов, а также исследована зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления вихревого аппарата от соотношения его геометрических размеров. После нахождения оптимальных геометрических размеров вихревого аппарата были подобраны параметры подающего потока таким образом, чтобы соблюдалось оптимальное время термообработки частиц с целью получения наименьшего коэффициента теплопроводности конечного материала.

Ключевые слова: Термообработка, пористость, теплопроводность, вихрь.

ANNOTATION

Cheylitko А. A. Development of theoretical and technological bases of moist dispersible materials treatment in vortex apparatus. - Manuscript.

The dissertation for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.06 technical termophysics and industrial heat power engineering, A. M. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkov, 2011.

Theoretical and technological bases of heat treatment of swelling porous material are worked out. The features of unisothermal stream are considered. The basic conformities to law of motion of vortex stream are presented in a cyclone taking into account the dispersible concerning. Experimentally found dependences of thermophysical properties of eventual material on the parameters of heat treatment of material, and also from initial humidity of raw material. Criterion equalizations of a spherical moist porous particle are also specified in a movable stream. Dependence of this particle is found concerning speed and temperature of the stream. Dependence of a middle temperature is found on the radius of a porous particle taking into account time of heat treatment. On the basis of the found dependences the mathematical model of a porous particle process is worked out. The flowsheet of realization of optimal heat treatment of materials, which swell in vortex apparatus is offered.

Keywords: heat treatment, porosity, heat-conducting, whirlwind.

Размещено на Allbest.ru

...