Особливості тепломасообміну в технологічних емульсіях

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 664.2.032.1

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Особливості тепломасообміну в технологічних емульсіях

Клімов Роман Олександрович

Київ - 2007



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі промислової теплоенергетики Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Павленко Анатолій Михайлович Дніпродзержинський державний технічний університет МОН України, професор кафедри “Промислової теплоенергетики”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Іваницький Георгій Костянтинович Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник відділу “Тепломасообміну в дисперсних системах”.

кандидат технічних наук, доцент Радченко Юрій Миколайович Національна металургійна академія України МОН України, доцент кафедри “Теплотехніки та екології металургійних печей”.

Захист відбудеться 18.12. 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 16.11. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук О.І. Чайка



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В промисловості в значних об'ємах використовуються різноманітні емульсійні середовища: паливні; технологічні, наприклад, мастильно-охолоджуючі рідини (МОР); емульсії як сировина або об'єкт виробництва. Зрозуміло, що від властивостей цих середовищ залежить якість продукції, енергоємність її отримання, екологічна обстановка в відповідних регіонах, оскільки відпрацьовані емульсії формують стоки підприємств. Наприклад, найкрупнішим споживачем МОР є машинобудівні і металургійні підприємства, які тільки в Дніпропетровській області використовують щорічно 2.2 млн. м3, а в Донецькій області ?6 млн. м3 стійких МОР. Середня вартість цих рідин складає 24ч30 грн. за 1 м3. Для зниження витрат економічно доцільним є їх повторне використання. Але для цього склад відпрацьованих МОР необхідно привести до нормативного (очистити від механічних домішок), а також відновити стійку до розшарування структуру, тобто створити емульсію з найменшими розмірами дисперсної фази. Створення і використання відповідних технологій і устаткування дозволить скоротити матеріальні і енергетичні витрати виробництва і поліпшити екологічну обстановку.

Відповідно до цього ставиться задача розробки технологічних та теоретичних основ процесів емульгування, зокрема - гідротермічного, заснованого на використанні динамічних ефектів, які розвиваються в багатокомпонентних незмішуваних рідинах при скипанні летучого компоненту.

В даний час представлена в літературі інформація про закономірності процесів закипання і подрібнення дисперсної фази емульсій, а також впливу поверхнево-активних речовин на ці процеси обмежена, що обумовлене відсутністю характерних методик дослідження.

Проведені в рамках дисертаційної роботи дослідження визначають тепломасообмінні і гідродинамічні процеси в емульсії при закипанні її летучого компоненту, з урахуванням формування нової фази (пари) на межі розділу двох взаємо незмішуваних компонентів рідин, можливості протікання процесів подрібнення дисперсної фази при динамічній взаємодії закипаючих часток емульсії, визначенні раціональних термодинамічних умов для процесів гомогенізації з урахуванням впливу поверхнево-активних речовин, розробці ефективних технологій і устаткування для гомогенізації технологічних емульсій, зокрема МОР.

Зв'язок роботи з науковими програмами і науковими напрямками:

Тематика роботи відповідає визначеним Законом України пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки, зокрема, п. 7 “Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі”. Матеріали дисертації є узагальненням наукових результатів, отриманих автором за період з 2004 по 2007 рік при виконанні науково-дослідних робіт за планом НДР Дніпродзержинського державного технічного університету. Автор брав участь у виконанні науково-дослідних робіт: “Створення наукових основ для розробки устаткування для комплексних систем, що забезпечують відділення маслених фаз від водяних МОР” (202/01ДБ,0101U001776); “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). Тема дисертації відповідає науковим напрямам кафедри “Промислова теплоенергетика” і науковому напряму спільної наукової лабораторії “Теплофізика дисперсних систем” (ДДТУ і ІТТФ НАН України).

Мета дослідження полягає в обґрунтуванні нового підходу до дослідження закономірностей динаміки закипання емульсійних середовищ, кінетики фазових перетворень, а також процесів подрібнення дисперсної фази емульсії, з урахуванням впливу поверхнево-активних речовин, для розробки на цій основі технології і устаткування для процесів гідротермічного емульгування.

Завданням дослідження є створення надійної і ефективної методики експериментальних і теоретичних досліджень закономірностей закипання емульсійних середовищ, що використовуються в промислових технологіях (зокрема при отриманні мастильно-охолоджуючих рідин), а також отримання корисної інформації про процеси, що визначають динамічні характеристики закипання летучого компоненту емульсій, які можуть бути використані для подрібнення дисперсної фази.

Об'єктом дослідження є процеси тепломасообміну при закипанні емульсійних середовищ.

Предметом дослідження є ефекти гідротермічного подрібнення дисперсної фази емульсій при закипанні летучого компоненту.

Методи дослідження. В роботі використані сучасні експериментальні методи досліджень, методи математичного моделювання: чисельний метод кінцевих різниць, модифікований метод Ньютона, методи регресійного аналізу (експоненціальної регресії, ортогонального композиційного плану 2n), метод множників Лагранжа. Фізичне моделювання передбачало створення спеціального лабораторного устаткування для дослідження процесів закипання емульсій спільно з використанням сучасних електронних засобів фіксації параметрів (віртуальних осцилографів). Обробка даних виконана з використанням чисельного експерименту на ЕОМ. Всі експериментальні виміри виконані з використанням повірених приладів.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше отримано такі наукові результати:

Визначено функціональний взаємозв'язок термодинамічних, теплофізичних і структурних характеристик взаємо незмішуваних компонентів рідин, з тривалістю формування парової фази на межах їх розділу, що дозволяє оцінити енергетичні витрати в тепломасообмінних процесах і технологіях отримання емульсій.

Одержано аналітичну залежність, яка дозволяє визначити ступінь впливу ПАР на межі розділу взаємо незмішуваних компонентів рідин, і їх теплофізичних характеристик, на величину і тривалість динамічних ефектів, що виникають при закипанні більш летучої рідини. Показано можливість їх реалізації, що дає змогу обґрунтувати наукові і технологічні основи нових технологій гомогенізації рідких середовищ і оцінити енергетичні витрати.

Визначено раціональні термодинамічні умови гідротермічної гомогенізації МОР, що використовуються в металообробці.

Запропоновано співвідношення, що встановлюють взаємозв'язок гідродинамічних і термодинамічних умов процесу гомогенізації з геометричними параметрами нового пристрою і технології, що дозволило оптимізувати його конструкцію.

Достовірність результатів забезпечена коректним використанням відпрацьованих математичних методів і доказана порівнянням результатів моделювання з експериментальними даними. Обґрунтованість наукових досліджень і висновків базується на аналізі значної кількості емпіричних даних, отриманих автором в лабораторних і промислових умовах, а також при зіставленні з матеріалами інших дослідників.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблено технологію гідротермічної гомогенізації, засновану на реалізації раціональних динамічних ефектів, що виникають при закипанні летучого компоненту в умовах термодинамічного насичення.

Розроблено методики визначення технологічних режимів і параметрів устаткування для гідротермічної гомогенізації МОР, що використовуються в металообробці. емульсійний дисперсний поверхневий гідротермічний

Розроблено і експериментально апробовано технологію і устаткування гідротермічної гомогенізації для МОР.

Особистий внесок здобувача. В роботах [1-7] автором запропоновано математичні моделі: зростання парової фази при закипанні емульсій з урахуванням формування цієї фази на межі розділу двох взаємо незмішуваних компонентів рідин; силової взаємодії двох і безлічі закипаючих крапель емульсії, що призводить до подрібнення часток; переміщення і злиття часток дисперсної фази під дією динамічних сил; проведено експериментальні дослідження часу формування і процесу зростання нової фази при закипанні емульсій; запропоновано новий тип пристрою для гідротермічної гомогенізації емульсійних середовищ. В роботі [8] досліджено задачі комплексного впливу різних чинників на процес подрібнення крапель дисперсної фази; визначено оптимальні термодинамічні параметри для гомогенізації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: міждержавній науково-методичній конференції “Проблеми математичного моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 2003 р.); IV міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2005 р.); XIV міжнародній конференції “Теплотехніка і енергетика в металургії” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2006 р.); міжнародній науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2006 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми енергозберігаючих технологій в АПК” (м. Київ, 2006 р.); міждержавній науково-методичній конференції “Проблеми математичного моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 2007 р.); V міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2007 р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 8 статтях спеціалізованих наукових видань і 8 докладах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку джерел 148 найменувань і 8 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 209 сторінок, серед яких 169 сторінок основного машинописного тексту, 71 рисунок і 4 таблиці.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано стан наукової проблеми, актуальність і доцільність дисертаційної роботи, наведено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів дослідження, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі роботи, згідно з викладеними метою та задачами роботи формулюється уявлення про предмет дослідження - ефекти гідротермічного подрібнення дисперсної фази емульсій при закипанні летучого компоненту. Наводиться аналіз існуючих методів, технологій та апаратів для емульгування, диспергування і гомогенізації, які були розглянуті в публікаціях різних авторів, а також недоліки цих методів. Визначено, що при закипанні рідких середовищ зростаючі парові бульбашки та порожнини можуть бути чинниками гідродинамічної нестабільності, яка призводить до руйнування дисперсної фази емульсії. Показано, що жоден з існуючих методів не враховує впливу ПАР на формування нової фази (пари), та її подальшої еволюції, не визначені процеси подрібнення закипаючих часток дисперсної фази. Рішенням цих проблем є створення моделей, які можуть описати процеси гідротермічного подрібнення часток дисперсної фази при закипанні емульсій, та визначення раціональних режимів диспергування, які будуть використовуватися в створених апаратах для диспергування.

У другому розділі дисертаційної роботи проведено експериментальне дослідження часу формування парової фази на межі розділу двох взаємо незмішуваних компонентів рідин, і подальшого її зростання при закипанні летучого компоненту емульсії, за допомогою створеного устаткування. Метою експерименту було також визначення якісного характеру зміни тиску в рідині (маслі) на деякій відстані від поверхні, зануреної в неї краплі води певного розміру, при появі і зростанні нової фази (пари), а також отримання кількісної оцінки параметрів протікання даного процесу. В дослідженні закипання більш летучої рідини (води) здійснювалося її перегрівом, шляхом швидкого занурення відкритого капіляра з водою в колбу з маслом, температура якого вища за температуру насичення води при даному тиску (атмосферному тиску, при якому було проведено експеримент), і випуску краплі води.

В експерименті температура масла та початкова температура краплі води, відповідно, дорівнювали і °С; початкова відстань між поверхнею краплини води (початковий діаметр мм) та приймальним отвором малоінерційного датчика тиску, за допомогою якого фіксувалися імпульси тиску, створюваного зростаючим паровим прошарком, дорівнювала 4 мм. Одержані в результаті проведення експерименту дані (рис.1а) доводять, що формування парового прошарку відбуватиметься на межі взаємо незмішуваних компонентів рідин, шляхом коагуляції окремих парових бульбашок, що утворюються на даній межі розділу (на екрані віртуального осцилографа в початковий момент закипання було відзначено декілька істотних стрибків зростання тиску, що указує на утворення безлічі парових бульбашок). В цілому, після декількох характерних осциляцій з великою амплітудою, тиск прагне встановлення певного значення, яке трохи вище за тиск навколишнього середовища.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Експериментальні дані імпульсів надлишкового тиску, які випромінюються внаслідок інтенсивного зростання парової фази в процесі закипання перегрітої краплі води в об'ємі масла (а) та динаміка переходу водної фази емульсії з метастабільного стану при різних температурах досліджуваного середовища (б).

Проведені експериментальні дослідження часу формування парової фази показали, що основним чинником, що впливає на даний час, є початкова температура перегріву несучого середовища (рис. 1б). При цьому час прогріву поверхні краплі води до температури насичення визначався розрахунком. Зміна початкового діаметра краплі практично не впливає на час утворення пари, внаслідок чого залежністю часу формування від діаметра краплі можна нехтувати. Шляхом обробки даних рис. 1б методами регресійного аналізу, отримано залежність часу формування парової фази від температури несучого середовища

, . (1)

Одержане кількісне співвідношення (1) може бути використано при розгляді динаміки закипання і подрібнення часток дисперсної фази емульсії.

Размещено на http://www.allbest.ru/



У третьому розділі представлені дві математичні моделі, одна з яких описує закипання краплі води, оточеної шаром масла, що нагрівається зовнішнім повітрям (рис. 2), а друга - кінетику зростання парового шару навколо краплі води при її закипанні в необмеженому об'ємі масла. В обох моделях процеси тепло- і масообміну між поверхнею краплі води і оточуючою парою розглянуто в наближені молекулярно-кінетичної теорії з урахуванням стрибка температур на межі розділу фаз. Обидві моделі враховують також динамічну дію інтенсивно зростаючої парової фази на поверхню розділу пара-масло. Модель закипання краплини води, що оточена тонким шаром масла, у нагрітому повітрі (рис. 2) базується на наведених нижче рівняннях динаміки одиничної парової бульбашки:

рівняння Релея-Плесета

,

, ,

; (2)

швидкості руху меж поділу

, , . (3)

Зміна температури пари

, . (4)



Інтенсивність тепло - і масопереносу, та рівняння балансу теплоти

,

,

; , . (5)

Зміна маси, густини та об'єму пари

, , . (6)

Тиск пари

, (7)

де , , , , .

Зміна товщини плівки масла

, мкм. (8)

Рівняння теплопровідності

,

, ,;

, , . (9)

Початкові та граничні умови

;;;;;

, ; ;

; ; ; . (10)

Рівняння (2) - (10) повинні бути доповнені рівняннями залежностей теплофізичних параметрів від температури. Розрахунки по рівнянням (2)-(10) виконані методом кінцевих різниць. На рис. 3 представлено, як змінюється товщина масляної плівки та температури меж розділу фаз при зростанні парового прошарку внаслідок миттєвого зниження тиску від значення МПа (що відповідає температурі насичення води °С) до МПа, для мкм, початкової товщини прошарку пари мкм, мкм, °С. З цього рисунку видно, що пара є перегрітою, відносно тиску системи. Цей перегрів є слідством додаткової кількості теплоти, яка потрапляє від масляної плівки в результаті її теплообміну з навколишнім повітрям з більшою температурою, ніж даної краплі емульсії. Плівка масла, досягнувши критичної товщини, буде зруйнована. Представлена математична модель дає можливість детально вивчити процеси зростання парового об'єму при кипінні більш летучого компоненту емульсії для різних радіусів крапель, температур системи, а також визначити вплив масляних плівок на процеси теплообміну і динаміки зростання.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Зміна температур поверхонь розділу і центру краплі води (а) та товщини масляної плівки (б) в часі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В математичній моделі зростання парової фази при закипанні краплі води, яка знаходиться в необмеженому об'ємі масла для визначення питомого теплового потоку, що потрапляє від масла до пари, було використано інтегральний метод вирішення задач теплопровідності, згідно з яким

, ,

. (11)

Тоді рівняння балансу теплоти (5) набуває вигляду

. (12)

Проведені розрахунки по моделі зростання парової фази при закипанні краплі води, яка знаходиться в необмеженому об'ємі масла, за рахунок миттєвого зниження тиску, для °С, мкм, мкм, показали, що пара є ще більш перегрітою (рис. 4), ніж в процесі зростання парового об'єму, оточеного масляною оболонкою, і його температура постійно збільшуватиметься. Цей факт можна пояснити тим, що тепловий потік, що потрапляє від масла до пари, перевищуватиме на всьому протязі часу роботу розширення парового об'єму, а також потік теплоти від пари до води і теплоту масового потоку по рівнянню (4). Сам же процес випаровування води і зростання парової фази є більш інтенсивним, ніж у випадку з масляною оболонкою.

Розроблена модель зростання парової фази при закипанні краплі води в нескінченному об'ємі масла, достатньо адекватно описує процеси, що відбуваються при закипанні перегрітих рідин, як в якісному, так і в кількісному відношеннях, що доказало співставлення з експериментальними даними.

На рис. 5 представлені спільні графіки зміни швидкості руху межі розділу масло-пара і її прискорення при початковій температурі системи °С для різних початкових радіусів крапель.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Спільні графіки зміни швидкості (а) і прискорення (б) руху межі розділу масло-пара для різних початкових радіусів крапель.

З даних графіків видно, що чим менше початковий радіус краплі, тим інтенсивніше росте парова фаза, тобто вище швидкість і прискорення межі розділу. При різних радіусах крапель можуть спостерігатися як спільні максимуми (мінімуми) швидкості (прискорення), так і істотні різниці даних швидкостей (прискорень). Тоді, враховуючи, що швидкості (прискорення) для різних початкових радіусів мають різні амплітуди і частоти зміни в часі, можна припускати, що в якийсь момент часу можливе виникнення нестабільності Кельвіна-Гельмгольца (по критерію Вебера), а для прискорення - Релея-Тейлора (по критерію Бонда), які є найбільш характерними для емульсійних середовищ.



Размещено на http://www.allbest.ru/

З метою виявлення впливу згаданих нестабільностей із застосуванням моделі рис.6 проведено дослідження силового впливу закипаючих крапель малого розміру на закипаючі великі краплі. В даній моделі прискорення та швидкості на поверхнях меж розділу масло-пара закипаючих крапель дорівнюють

,

, , , ,

. (13)

Результуюче прискорення (швидкість ) визначається такими умовами: якщо вектор прискорення (швидкості) самої межі розділу однаково спрямований з вектором прискорення, діючого на межу частки з боку сусідньої, то результуючий вектор дорівнює діючому на межу з боку сусідньої; якщо напрямок вектора прискорення (швидкості) самої межі розділу не співпадає з напрямком вектора прискорення, діючого на межу частки з боку сусідньої, то результуючий вектор дорівнює різниці між значеннями цих двох векторів.

Сила, викликана прискоренням, та сила динамічного напору потоку, які прагнуть зруйнувати паровий прошарок

, . (14)

Критична сила, що приводить до нестійкості по Бонду і Веберу, а також сила Лапласа, яка прагне повернути форму краплі до сферичної

, , . (15)

Різниця сил при визначає собою деформування (), переміщення (), або рівновагу () краплі. Якщо , то паровий прошарок буде зруйновано, а при подальшій силовій дії буде подрібнена сама крапля води.

Результати розрахунків по моделі силової взаємодії крапель при їх закипанні показали, що найбільший ефект в руйнування крапель приносить нестабільність типу Релея-Тейлора (сила ). При невеликих відстанях руйнування парового об'єму великої краплі відбуватиметься практично відразу після скидання тиску. По мірі збільшення відстані (рис. 7), час до руйнування також збільшується, переходячи до нескінченості, якщо не розглядати силову взаємодію між краплями при їх зближенні і зіткненні поверхонь



Размещено на http://www.allbest.ru/

.

Існуючі моделі подрібнення дисперсної фази емульсії не розглядають даний процес для закипаючих часток. Розроблена модель подрібнення часток дисперсної фази, заснована на силовій взаємодії між закипаючими краплями різного розміру, використовуючи краплі малого розміру для подрібнення більш крупних крапель, з використанням відомих критеріїв Бонда і Вебера, дозволяє розглядати протікання даного процесу для різних розмірів двох закипаючих крапель, відстанях між ними і початкових температур системи (відповідних тисках насичення).



Размещено на http://www.allbest.ru/

У четвертому розділі проведено дослідження подрібнення крапель дисперсної фази, що знаходиться в оточенні багатьох інших крапель при їх закипанні. Як об'єкт розгляду приймалася реальна емульсія, мікрофотографія якої схематизована в відповідному масштабі на рис. 8. Як видно з даного рисунка між “великими” краплями знаходяться “малі” краплі, які можуть бути джерелами підвищених динамічних сил при закипанні і тим самим ініціювати процеси подрібнення більш крупних крапель, через значну різницю в прискореннях або швидкостях росту між ними. Прискорення, яке діє на поверхню краплі від декількох джерел

. (16)

На включення дисперсної фази, яке не закипає (тобто не створює ніякої протидії силам, діючим на нього), визначальною дією, що приводить до можливого руйнування, буде максимум двох сил, які діють на протилежні сторони. У разі ж, коли крапля емульсії починає закипати, зростаюча крапля має свою силу, яка протидіє зовнішнім силам з боку інших джерел. Тоді визначальною силою може бути та, яка діє на одну сторону включення і перевищує силу протидії. Все це є основною відмінністю в розгляді сил діючих на краплю, яка закипає, від не закипаючої краплі. Це означає, що необхідно враховувати два даних максимуми і визначати з них головний. Можливий збіг в існуванні цих максимумів сил.

Діюче на краплю прискорення визначається результуючими (між діючим і прискоренням самої поверхні закипаючої краплі), що направлені на протилежні сторони включення . Загальне прискорення визначається по знайденим двом максимумам і визначеному головному значенню . Сила протидії з боку межі розділу масло-пара самої краплі та загальна, діюча на поверхню розділу сила

, . (17)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Як показали розрахунки по даній моделі (рис. 9), з часом величини сил, діючих на краплю, прагнуть досягнути нуля. Тому можна зробити висновок про те, що якщо не враховувати подальшої взаємодії крапель між собою при їх зіткненні, то при початковій температурі системи °С ( МПа), якщо в початкові моменти скидання тиску системи подрібнення крупних крапель не відбудеться, то до моменту зіткнення вони вже не будуть зруйновані. При більших початкових температурах буде відбуватися руйнування поверхонь розділу масло-пара більшої кількості великих крапель в початкові моменти часу, а в подальшому теж саме, що і при розрахунковій температурі °С. Кут дії максимальної сили може різко змінюватися тільки у тих крапель, які знаходяться в оточенні інших, тоді як краплі, що знаходяться в зовнішніх шарах, кут дії максимальної сили змінюватимуть на невелику величину. Не існує чіткої залежності між кутами дії максимумів сил, що діють на одну та протилежні сторони включення, вони можуть, як співпадати, так і значно відрізнятися. Тому необхідно розглядати найбільший максимум сили і кут його дії.

Проведені розрахунки для температур °С і °С показали, що у момент миттєвого скидання тиску практично всі крупні краплі будуть роздроблені.

За допомогою даної моделі є можливим визначення процесів подрібнення, а також часового масштабу дії сил, які приводять до руйнування крапель.

Розроблені у цьому розділі моделі переміщення і злиття крапель дисперсної фази, визначають собою основні процеси, що протікають при закипанні емульсійних середовищ. Переміщення краплі здійснюватиметься у бік найменшого опору під дією найбільшої сили. Силу, діючу на об'єм краплі, яка може привести до переміщення, можна знайти з рівняння

. (18)



Значення знаходиться аналогічно .

Швидкість і прискорення краплі в будь-який момент часу визначаються з рівняння

. (19)

Значення визначає результуючу силу, що враховує силу протидії на протилежній стороні поверхні краплі, з урахуванням сили, яка діє з боку самої краплі при її закипанні.

Переміщення краплі уздовж осей та

; . (20)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Як показали розрахунки, переміщення крапель носить неоднозначний характер, на що вказує кут переміщення частки, що постійно змінюється, в просторі, а це, у свою чергу, показує складну гідродинамічну обстановку в об'ємі емульсії. При низьких температурах (відповідних перепадах тиску) переміщенням крапель, від їх первинного розташування, можна нехтувати (рис. 10), враховуючи, що таке переміщення має крапля, у якої практично найменше значення радіусу з даних крапель рис. 8. Розраховані по (19) значення прискорення і швидкості крапель можуть стати причиною гідродинамічної нестабільності, якщо перевищать значення критичних параметрів.

При злитті крапель в конгломерат відбувається усереднювання параметрів. Слідством є поява більш крупної краплі з своїми швидкостями і прискореннями зростання меж розділу фаз, а також визначальними параметрами. У момент злиття крапель відбувається різке збільшення прискорення і швидкості росту межі розділу масло-пара частки, що утворюється, а динамічні сили, викликані ними, можуть привести до відповідних видів нестабільності і руйнування сусідніх крапель.

Таким чином, процеси переміщення і злиття крапель дисперсної фази можуть бути використані для подрібнення крапель, які переміщаються, або сусідніх, які знаходяться біля конгломерату, що утворюється, у момент злиття. Розроблені моделі переміщення та злиття крапель дисперсної фази емульсії при їх закипанні дозволяють детально розглянути ці процеси та отримати якісну і кількісну оцінку зміни параметрів в цих процесах.

Проведено дослідження процесів руйнування межі розділу фаз (масло-пара) і подальшого подрібнення дисперсної фази емульсії при силовій взаємодії двох закипаючих крапель (рис. 6), при різних початкових радіусах меж розділу масло-пара великої і малої крапель, відстанях між поверхнями крапель , початкових температурах (відповідних тисках) і різних значеннях коефіцієнта міжфазного натягу, які є основними факторами, що впливають на даний процес. Після обробки результатів розрахунку ортогональним центральним композиційним планом типу , для критичної відносної відстані між поверхнями двох закипаючих крапель, при якій можливе подрібнення однієї з них, отримано рівняння

(21)

де , , , , , ; [мкм].

Час, за який відбудеться подрібнення краплі

(22)

Аналізуючи рівняння (21), (22) видно, що основним чинником, що визначає подрібнення дисперсних крапель емульсії, є температура, яка найбільшою мірою визначає витрати енергії на процеси подрібнення. Другим чинником є коефіцієнт міжфазного натягу, значення якого можна варіювати, додаючи відповідні ПАР. Розміри часток дисперсної фази після виробничої зони мають певне значення, тому основними параметрами регулювання процесу їх подрібнення є початкова температура системи і відповідний їй тиск насичення більш летучого компоненту до моменту скидання тиску до атмосферного, а також коефіцієнт міжфазного натягу.

У п'ятому розділі представлено розроблений пристрій (рис. 11), в якому реалізуються раціональні в енергетичному плані складові, які використовують явища адіабатного закипання перегрітих рідин в місткості спільно з плоским вихровим апаратом. Поєднання таких методів і пристроїв дозволяє в достатньо широких межах регулювати необхідний ступінь дисперсності емульсій.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Пристрій для гідротермічного емульгування (а) та схема вихрового апарату (б): 1 - бак; 2 - вихровий апарат; 3 - нагнітач; 4 - нагрівач; 5 - клапан; 6 - манометр; 7 - корпус вихрового апарату; 8 - вхідний отвір; 9 - вихідний отвір.

В пристрої реалізуються два основні процеси: гідродинамічне і термічне подрібнення дисперсної фази, які істотно доповнюють один одного. Пристрій відрізняється від існуючих тим, що апарат для змішування (рис. 11б) виконано у вигляді вихрового пристрою із співвідношенням діаметра і висоти апарату , діаметра вихідного сопла і діаметра апарату , рідина подається у вихровий апарат для змішування з температурою 130-150 °С і тиском МПа. В даному пристрої реалізуються відразу декілька режимів: розподіл ПАР і подрібнення часток дисперсної фази у вихровому апараті; додатковий процес подрібнення при витіканні в простір баку 1, через збільшення швидкості витікання в результаті перепаду тиску, створюваного нагнітачем 3 і атмосферним; подрібнення в баку 1, через різке зниження тиску до атмосферного. Можна здійснити, як одночасне протікання цих режимів, так і використовувати окремі з них, чого немає в жодному існуючому пристрої для емульгування.

Проведено дослідження оптимальних режимних характеристик процесу подрібнення дисперсної фази. Методом множників Лагранжу з рівнянь (21), (22) визначені значення основних факторів при яких досягається максимальне значення : мкм, , °С, мН/м. Шляхом варіювання міжфазного натягу, яке є одним з основних чинників, що впливають на процес подрібнення, можна змінювати необхідну початкову температуру, що найбільшою мірою визначає рівень енергетичних витрат, які необхідні для процесів гомогенізації. В роботі запропоновано методику застосування регресійного рівняння (21) для складання таблиць при різних значеннях факторів, що впливають на процес подрібнення, які дозволять достатньо швидко і просто визначити необхідні для цього процесу значення початкових температур системи і відповідний їм тиск насичення водної фази емульсії.

Розглянуті особливості технологічних розрахунків, починаючи з характеристик первинної емульсії, і закінчуючи необхідними режимами для процесу подрібнення.



ВИСНОВКИ

Розроблено модель зростання парової фази при закипанні оточеної масляним прошарком краплини води, яка враховує вплив масляних плівок на процеси теплообміну між оточуючим середовищем, плівкою і парою з водою, та на динаміку зростання парової фази.

На базі експериментального дослідження силових імпульсів тиску, які випромінюються внаслідок інтенсивного зростання парової фази в процесі закипання перегрітої краплі води в нескінченно великому об'ємі масла, одержано важливу інформацію про динаміку зміни у часі полів тиску поблизу краплі. За результатами дослідження визначено функціональну залежність часу формування парової фази від ступеню перегріву краплі води.

Представлено математичну модель формування і зростання парової фази при закипанні краплі води, що знаходиться в нескінченно великому об'ємі масла, з урахуванням формування парової фази на межі розділу вода-масло. Порівняння результатів розрахунків по даній моделі з результатами експериментальних досліджень, підтверджує здатність моделі описувати процес зростання парової фази при закипанні емульсій. За допомогою моделі досліджено вплив зміни температури несучого середовища при теплообміні з дисперсною фазою на динаміку зростання парової фази.

Розроблено математичну модель руйнування великих часток дисперсної фази емульсії вода-масло внаслідок дії динамічних сил, що виникають при закипанні крапель меншого розміру. На основі моделі з урахуванням критичних значень відомих чисел Вебера та Бонда розраховано подрібнення краплини певного розміру, часовий проміжок дії динамічних сил до подрібнення, а також передбачено можливість деформації або переміщення часток дисперсної фази.

Створено математичну модель подрібнення краплі дисперсної фази, що знаходиться в оточенні нескінченно великої кількості сусідніх часток при їх закипанні. Вказано на відмінності в розгляді сил, що приводять до подрібнення закипаючих і не закипаючих крапель води. На основі цієї моделі розроблено математичні моделі, які описують переміщення і злиття крапель емульсії, і які дозволяють істотно деталізувати і більш точно розглядати закономірності протікання гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в емульсіях при їх закипанні. На основі теоретичних розрахунків доведено можливість подрібнення частки дисперсної фази емульсії внаслідок її переміщення з великою швидкістю і прискоренням під дією динамічних сил з боку сусідніх закипаючих крапель. Показано, що злиття закипаючих крапель у великий конгломерат також можуть стати причиною виникнення підвищених динамічних сил, що приводять до подрібнення сусідніх часток дисперсної фази.

Розглянуто основні чинники, які впливають на процес подрібнення дисперсної фази емульсії при її закипанні. Одержано регресійні рівняння, що зв'язують геометричні параметри дисперсної фази емульсії з термодинамічними і теплофізичними характеристиками, необхідними для подрібнення. Визначений часовий масштаб дії динамічних сил до подрібнення часток залежно від цих параметрів і характеристик.

Визначено оптимальні режимні характеристики процесу подрібнення. Запропонований метод визначення необхідних параметрів для процесу подрібнення шляхом рішення одержаних регресійних рівнянь або по розрахованих таблицях дозволяє значно скоротити час знаходження раціональних режимних параметрів.

Розроблено пристрій для гідротермічного емульгування, який поєднує в собі найбільш економічні в енергетичному плані способи подрібнення дисперсної фази емульсії, більшість з яких описується розробленими в дисертаційній роботі моделями. Використання даного апарату на ВАТ ДМКД (Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського, м. Дніпродзержинськ) дозволить одержати економічний ефект у розмірі 65230 грн. в рік.

Позначення: - коефіцієнт температуропроводності; - універсальна газова постійна; - питома теплоємкість; - діаметр; - сила; - прискорення; - кількість теплоти; - відстань; - питомий масовий потік; - поправка на нормальну складову; - теплота пароутворення; - молекулярна маса; - маса; - кількість часток; - тиск; - тепловий потік; - питомий тепловий потік; - радіальна координата и радіус; - радіус-вектор; - площа; - температура; - об'єм; - швидкість; - координати; - коефіцієнт теплообміну; - коефіцієнт випаровування; - кут переміщення; - глибина проникання, відносний радіус; - коефіцієнт теплопровідності; - коефіцієнт динамічної в'язкості; - відносна відстань; - густина; - коефіцієнт міжфазного натягу; - час; - коефіцієнт опору.

Індекси: - початкове значення; - центр; - межа розділу вода-масло; - межа розділу вода-пара; - межа розділу масло-пара; - межа розділу масло-повітря; - значення параметру на нескінченності; - по критерію Бонда; - критичний; - діюче; - викликане прискоренням; - краплі; - міделевий переріз; - по нормалі; - результуюче; - переміщення; - по критерію Вебера; - капілярна; - вода; - повітря; - масло; - пара.

Умовні скорочення: ДІВЕ - дискретно-імпульсне введення енергії; ПАР - поверхнево-активна речовина; МОР - мастильно-охолоджуюча рідина.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Павленко А.М., Клімов Р.О. Розвиток методів гідротермічної гомогенізації // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов в двух книгах. Книга вторая. - Днепропетровск: НМетАУ, 2005. - С.180-189.

2. Павленко А.М., Клімов Р.О., Басок Б.І. Розвиток методів гідротермічної гомогенізації // Промышленная теплотехника. - 2005. - Т. 27. - №4. - С.64 - 71.

3. Павленко А.М., Климов Р.А. Динамика фазовых переходов в эмульсиях // Системні технології. - Дніпропетровськ, 2006. - №4(45). - С.40-45.

4. Павленко А.М., Климов Р.А., Басок Б.И. Кинетика испарения в процессах гомогенизации // Промышленная теплотехника. - 2006. - Т. 28. - №6. - С.14 - 20.

5. Павленко А.М., Климов Р.А., Басок Б.И. Дробление дисперсной фазы при вскипании эмульсии // Промышленная теплотехника. - 2007. - Т.29. - №3. - С.14-22.

6. Павленко А.М., Климов Р.А. Перемещение капель дисперсной фазы при вскипании эмульсий // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов. - Днепропетровск: НМетАУ, 2007. - С.203-210.

7. Павленко А.М., Климов Р.А. Особенности вскипания эмульсии в адиабатных процессах // Сборник научных трудов ДГТУ. - Днепродзержинск, 2007. - С.53-58.

8. Климов Р.А., Павленко А.М., Черниченко В.Е. Моделирование процессов дробления дисперсной фазы при закипании эмульсий // Вісник КДПУ. - Кременчуг, 2007. - №2(43). - Ч.1. - С.22-26.



АНОТАЦІЯ

Клімов Р.О. Особливості тепломасообміну в технологічних емульсіях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика, Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ, 2007.

В роботі обґрунтовується новий підхід до вивчення закономірностей динаміки закипання емульсійних середовищ і процесів руйнування дисперсної фази емульсії з метою розробки нової технології і устаткування для процесів гідротермічного емульгування. Вивчено процеси формування і подальшого зростання парової фази, з урахуванням її появи на межі розділу двох взаємо незмішуваних рідин, при закипанні часток більш летучої рідини емульсії. Досліджено вплив масляних плівок на процеси теплообміну і зростання парової фази. Одержано функціональну залежність між часом формування нової фази (пари) і температурою перегріву несучого середовища. Досліджені процеси закипання крапель води в нескінченному об'ємі масла. Розроблено моделі силової взаємодії між двома і безліччю часток дисперсної фази при їх закипанні, які дозволяють, на основі відомих критеріїв нестійкості Бонда і Вебера, розрахувати подрібнення крупних часток за допомогою більш дрібних, через значні різниці сил, діючих на поверхнях крупних крапель. Одержані регресійні рівняння, що зв'язують геометричні параметри дисперсної фази емульсії з термодинамічними і теплофізичними характеристиками, необхідними для подрібнення. Визначені оптимальні режимні характеристики процесу подрібнення. Запропоновано метод визначення необхідних параметрів для процесу подрібнення, який дозволяє значно скоротити час знаходження раціональних режимних параметрів. Розроблено пристрій для гідротермічного емульгування, який суміщає в собі раціональні розроблені методи подрібнення дисперсної фази емульсії, а також дозволяє реалізовувати сам процес подрібнення одночасно в декількох частинах апарату.

Ключові слова: емульсія, дисперсна фаза, подрібнення, теплообмін, нестійкість, гідротермічне емульгування.



АННОТАЦИЯ

Климов Р.А. Особенности тепломассообмена в технологических эмульсиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика, Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины, г. Киев, 2007.

В работе обосновывается новый подход к изучению закономерностей динамики закипания эмульсионных сред и процессов разрушения дисперсной фазы эмульсии с целью разработки новой технологии и оборудования для процессов гидротермического эмульгирования. Изучены процессы формирования и дальнейшего роста паровой фазы, с учетом ее появления на границе раздела двух не смешивающихся жидкостей, при вскипании частиц низкокипящей жидкости эмульсии. Изучено влияние масляных пленок на процессы теплообмена и роста паровой фазы. Получена функциональная зависимость между временем формирования новой фазы (пара) и температурой перегрева несущей среды. Исследованы процессы вскипания капель воды в бесконечном объеме масла. Разработаны модели силового взаимодействия между двумя и множеством частиц дисперсной фазы при их вскипании, которые позволяют, на основе известных критериев неустойчивости Бонда и Вебера, рассчитать дробление крупных частиц с помощью более мелких, из-за значительных разностей сил, действующих на поверхностях крупных капель. Получены регрессионные уравнения, связывающие геометрические параметры дисперсной фазы эмульсии с термодинамическими и теплофизическими характеристиками, необходимыми для дробления. Определены оптимальные режимные характеристики процесса дробления. Предложен метод определения необходимых параметров для процесса дробления, который позволяет значительно сократить время нахождения рациональных режимных параметров. Разработано устройство для гидротермического эмульгирования, которое совмещает в себе рациональные разработанные методы дробления дисперсной фазы эмульсии, а также позволяет реализовывать сам процесс дробления одновременно в нескольких частях аппарата.

Ключевые слова: эмульсия, дисперсная фаза, дробление, теплообмен, неустойчивость, гидротермическое эмульгирование.



ANNOTATION

Klimov R.A. Features of heat and mass transfer in technological emulsions. - Manuscript.

The thesis for competition of academic degree of the candidate of technical sciences according to 05.14.06 - Engineering thermophysics and industrial heat power engineering. Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.

A new approach to the study of conformities to the law of effervescence dynamics of environments and processes of destruction dispersion phase of emulsion in the work with the purpose of development a new technology and equipment for the processes of hydrothermal emulsification is grounded. Influence of oily tapes on the heat exchange processes and growth of vapor phase is studied. Functional dependence between time of new phase (vapor) forming and overheat temperature of bearing environment is got. The processes of water drops boiling in the endless volume of oil are explored. The models of power cooperation between the two and many particles of dispersion phase while their boiling up are worked out. These models allow to calculate crushing of large particles by more shallow because considerable differences of forces operating on the large drops surfaces, on the basis of the known criteria of instability of Bond and Weber. Optimum regimes of equations crushing process are determined. The device for hydrothermal emulsification is worked out. This device combines the rational developed methods of crushing of emulsion dispersion phase and allows realizing the process of crushing simultaneously in a few parts of device.

Keywords: emulsion, dispersion phase, crushing, heat exchange, instability, hydrothermal emulsification.

Размещено на Allbest.ru

...