Содержание к диссертации
Введение
Некоторые исследования по гидродинамики и процессам переноса 7
1 Аппаратура для исследования двухфазных потоков 18
1.1 Установки для гидродинамических исследований 18
1.2 Измерительные схемы
1.2.1 Контактные методы измерения скорости и концентрации 22
1.2.2 Оптические методы исследования 33
1.3 Физико-химический анализ иммерсионных жидкостей 44
2 Исследования гидродинамики в стационарных упаковках 64
2.1 Распределение давления в упаковках 64
2.2 Лазерная анемометрия структуры течения
2.2.1 Измерения в кубической упаковке 70
2.2.2 Поле скоростей в хаотичной упаковке 76
2.3 Неустойчивость течения жидкости в засыпках 79
2.3.1 Нестационарность пристеночного давления 80
2.3.2 Нестационарность при измерениях скорости жидкости 86
2.3.3 Свободноконвективная неустойчивость в засыпках
2.4 Гидродинамическая обстановка в стационарных упаков ках 95
3 Математические модели фильтрации и переноса 134
3.1 Некоторые модели течения 135
3.2 Расчет модели переноса 139
3.3 Сравнение теоретических и экспериментальных иссле дований 149
4 Исследование разрушающихся упаковок 156
4.1 Исследование распределения давления и скорости 157
4.1.1 Измерение давления 158
4.1.2 Измерения скорости за упаковкой 161
4.2 Тепловые исследования разрушаемых упаковок 165
5 Газогенераторы 180
5.1 Газогенераторы с магнитной подачей 183
5.2 Газогенерирование больших объемов 187
6 Рациональное использование природного топлива 200
6.1 Сжигание угольной пыли 200
6.2 Исследование топок с кипящим слоем 208
6.3 Исследование процессов шлакования и методы воздействия на пористую среду 215
Заключение 236
Примечание 248
Литература
- Контактные методы измерения скорости и концентрации
- Измерения в кубической упаковке
- Свободноконвективная неустойчивость в засыпках
- Исследование распределения давления и скорости
Введение к работе
Актуальность исследований. Аппараты двухфазных потоков іходят применение в самых разных отраслях народного хозяйства: фтехимической и газовой промышленности, химии катализа, в про-іссах газогенерирования, сжигания твердого или жидкого топлива, изучении особенностей фильтрации воды, нефти, газа или другого !Пдоносителя через слой грунта или засыпку из шаровых твэлов. В жтактных, фильтрующих аппаратах, в каталитических реакторах, абсорберах, в рукавных и зернистых фильтрах, в шахтных извест-эвых печах основным элементом являются слои зернистых сыпучих ;л. Важность исследований аппаратов двухфазных потоков неодно-ратно подчеркивалась на Всесоюзных и Всероссийских форумах уче-ых и инженерно-технических работников, где были сформулированы яд первостепенных задач, которые нуждались в срочной разработке без решения которых тормозилось развитие технического прогрес-а, резко возрастали потери невозобновляемых ресурсов и возникали грьезные экологические проблемы.
1. Методика и техника измерения параметров потока.
2. Управление потоками с целью ресурсосбережения и создание
птимальных режимов работы.
3. Решение проблем масштабного перехода от модели к натуре.
Состояние проблемы. Отличительной чертой движения жидко-ти через зернистые слои является неравномерность распределения коростей по сечению слоя. Подобная неоднородность потока при-юдит не только к снижению эффективности работы аппарата с зер-шстым слоем, но и часто к локальному перегреву и запеканию зе->ен слоя в горячем газовом потоке или к замораживанию отдельных участков рабочего элемента в теплообменниках, к усилению капель-юго уноса в фильтрующих аппаратах, что иногда вызывает полное нарушение рабочего цикла и выход аппарата из строя. В экспериментальных работах можно заметить, что локальная структура потока в зернистых слоях недостаточна ясна и результаты некоторых
работ противоречивы. Частично это связано с известными недостатками контактной методики такими, как искажение пористой среды и потока, зависимость показания датчиков от расстояния до твердой поверхности шариков или стенки канала, сложность в определенш вектора локальной скорости потока. С другой стороны, возможно к влияние вида упаковки, геометрии рабочего участка, режима течение жидкости. Так, например, Миклей с сотрудниками изучали поле скоростей на правильной упаковке при достаточно высоких числах R< > 4500, т.е. в турбулентной области, где они нашли, что локальна* скорость вблизи стенки на 10% выше скорости в центре. Кириллов Кузьмин и др. изучали поле скоростей в хаотичных упаковках прі числах Re < 600, а Акехато, Сато и Кубота при числах,Re < 200, т.е ближе к ламинарному течению, и получили плоский или почти плос кий профиль локальной скорости. Эти результаты не согласуются < результатами Каринса, Праузнитца, которые практически для всеп диапазона чисел Re= 9 - 1700 получили скорость у стенки на 20% вы ше скорости в центре упаковки, и противоречат результатам Ван де] Мерве, Гаувина, у которых с повышением числа Re профиль скорості становится более крутым.
Если от гидродинамической картины течения внутри зернистоп слоя перейти к соответствующим процессам переноса тепла и массы то и здесь наблюдается достаточное количество несовпадений, как і области расчетных моделей, так и при экспериментальных исследо ваниях. Объединяя конвективную, релаксационную, флуктуацион ную составляющие дисперсии в одну формулу, в первом приближениі можно записать: '.'.-"
D^/D = a + bReSc,
где а и 6 некоторые константы. Аналогичное выражение можно запи сать и для поперечного коэффициента дисперсии. Теоретическому об основанию линейной зависимости коэффициента дисперсии от числ Re посвящено достаточно много исследований. В основном они базиру
ются на двух различных подходах, обусловленных разной гидродинамикой внутреннего и внешнего обтекания. Насыпные слои, по всей видимости, ближе кячеистой модели пористой среды, в которую входят такие признаки внешнего обтекания, как наличие неравнодоступных объемов или застойных зон, особенно вблизи точек контакта элементов среды. В эффективные коэффициенты переноса тепла и массы в зернистых средах могут одновременно входить несколько физических механизмов переноса, что затрудняет как разработку теоретических моделей, так и сравнение теории с экспериментом. Еще более усложняется картина в нестационарных зернистых слоях, разрушаемых в процессе течения жидкости или газа, например, в охладителях или газогенераторах, а также при наличии в потоке частиц твердой фазы, для которых практически отсутствует экспериментальная база по физическим картинам течения, необходимая для построения адекватных моделей описания.
Цель исследования.: Анализ приведенных работ позволяет сформулировать цель исследований.
Восстановить физическую картину и особенности течений внутри простейших аппаратов двухфазных потоков, содержащих стационарный зернистый слой, использующихся в ресурсосберегающих технологиях химической, нефтехимической и атомной промышленности, выбрав и разработав соответствующий измерительный комплекс.
Экспериментально установить связи пористости и среднего профиля скорости, коэффициента дисперсии и поперечной скорости в зернистом слое и построить модели переноса через систему взаимодействующих вихрей, позволяющие предсказать и оптимизировать работу аппаратов двухфазных потоков.
Распространить полученные результаты на нестационарные зернистые слои, с изменяющейся геометрией, в охладителях, в газогенераторах, в нефтяных пластах и на двухфазные среды, образующиеся в результате сжигания твердого или жидкого топлива.
Научная новизна. Научная новизна исследования заключается
в следующем.
Впервые методом бесконтактной лазерной анемометрии получена картина течения жидкости в хаотичной упаковке из шариков, с определением связи локальной скорости в порах с соответствующей геометрией каналов и с процессами переноса.
Впервые определена детальная картина полей давления фильтрационного течения жидкости вдоль зернистых слоев шариков и таблеток, использующихся в химических и нефтехимических ресурсосберегающих технологиях. Обнаружено влияние на распределение пристеночного давления в засыпке низкочастотных акустических пульсаций.
Впервые получены с помощью лазерного анемометра данные по полям скоростей в диапазоне чисел Re < 1000, на моделях перспективных экологически безопасных и малоэнергоемких ядерных реакторов на шаровых твэлах в виде правильной кубической упаковки.
Разработаны новые конструкции охладителей, используемых при тушении пожаров или при аварийном перекрытии нефтепроводов быстродействующим клапаном, позволяющих увеличить выход полезного продукта, надежность перекрытия трубопровода и сократить время тушения пожара.
Создано новое направление в газогенераторах на гибридном топливе для получения экологически чистого топлива - водорода, реагенты в которых выполнены в виде зернистой среды из правильных упаковок шариков, вид и структура которых определяются условиями стехиометрии гибридного топлива.
Разработаны новые методики измерения скорости и пористости внутри зернистого слоя с помощью лазерной анемометрии, методики измерения параметров двухфазного потока и расходных скоростей.
Впервые построена и экспериментально подтверждена модель для расчета переноса через два вихря в упакованном слое.
Синтезированы новые экологически безопасные иммерсионные жидкости, имеющие высокий показатель преломления.
Созданы новые ресурсосберегающие технологии тепломассообмен-
іьіми процессами в пористых и зернистых слоях, камерах сжигания іьілеугольного топлива, газогенераторах й охладителях.
Практическая ценность. Новые данные по полям скорости в
фавильных кубических и хаотических упаковках нашли применение
іри разработке новых химических газогенераторов и атомных реакто-
юв'на шаровых твэлах. Ресурсосберегающие технологии управления
гепломассообменными процессами использованы в пористых и зерни
стых упаковках, камерах сжигания пылеугольного топлива, газогене-,
шторах и охладителях, в частности: вибрационные и тепловые мето^
гы интенсификации нефтедобычи, методы интенсификации сжигания
дольной пыли при пульсирующем расходе первичного и вторичного
юздуха, резонансные методы возбуждения вибрации для устранения
нлакования и загрязнения'поверхностен. - -
Разработанные новые исследовательские методики применимы не только в зернистых средах, а могут быть-использованы в тех областях лромышлепностп и науки, где, наряду с управлением потоками тепла ,i массы, требуется определение средних и локальных скоростей движения жидкости и газа и соответствующих коэффициентов переноса. Результаты исследований были использованы па предприятиях Алтайского кран и Новосибирской области, а также при написании ряда учебных пособий для студентов Алтайского государственного университета п в учебном процессе аспирантами и магистрами физического факультета.
Достоверность. Во всем комплексе проведенных исследований определялась точность используемых методик как из нахождения экспериментальной погрешности при тарировочных испытаниях, так и из сравнения с результатами работ других авторов в близких областях исходных параметров. Были изготовлены действующие модели аппаратов, которые подтвердили заложенные в них принципы ресурсосбережения.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 76 работ, из них 39 патентов России, и одна монография.
/
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на всесоюзной конференции "Сжигание топлив с минимальными вредными выбросами" (Таллин, ТПИ, 1978), Всесоюзном семинаре "Лазерная доплеровская анемометрия и ее применение" (Новосибирск 1980), на II всесоюзном семинаре "Теплофизика гидроохла-ждаемых реакторов" (Москва, институт Атомной энергии им. Курчатова и МВТУ им. Баумана, 1980), на 2-ой научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, ЛГУ, 1981), на V всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981), на всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986), на региональной научно-технической конференции "Порошковые материалы и покрытия" (Барнаул, 1990), на всероссийской научно-технической конференции "Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред" (Барнаул, 1996), на международной конференции "Transport phenomena in twophase flow" (Varna'97), на V-международном семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1998), на всероссийской конференции "Акустика неоднородных сред - V" (Новосибирск, 1998).
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся
-
Получение детальной картины полей скорости и давления фильтрационного течения жидкости в зернистых слоях различной структуры, использующихся в химических, нефтехимических и энергетических ресурсосберегающих технологиях. Впервые полученную методом бесконтактной лазерной анемометрии картину течения жидкости в хаотичной упаковке из шариков с определением связи локальной скорости в порах с соответствующей геометрией каналов и ее влияние на процессы переноса и интенсивность химической реакции.
-
Новые конструктивные разработки охладителей и газогенераторов, используемые при тушении пожаров или при аварийном пе-
рекрытии нефтепроводов быстродействующим клапаном, позволяющие увеличить выход полезного продукта, надежность перекрытия трубопровода и сократить время тушения пожара.
3. Создание нового направления в газогенераторах на гибридном
топливе для получения экологически чистого топлива - водоро
да, реагенты в котором выполнены в виде зернистой среды из
правильных упаковок шариков, структура которых определяет
ся условиями стехиометрии гибридного топлива.
4. Методики измерения скорости и пористости внутри зернистого
. слоя с помощью лазерной анемометрии, новые методики измере
ния параметров двухфазного потока и расходных скоростей.
-
Физические модели для расчета переноса в упакованном слое и связанные с этим способы интенсификации химической реакции и увеличения эффективности использования химических реагентов при фильтрации.
-
Ресурсосберегающие технологии, основанные на новых методах управления тепломассообменными процессами в пористых и зернистых слоях,.камерах сжигания пылеугольного топлива, газогенераторах и охладителях, разработанные на основании полученных экспериментальных данных о спектре собственных пульсаций и характерных периодах в фильтрующихся и двухфазных потоках. В частности, методы интенсификации нефтедобычи, основанные на возбуждении вибрации, на тепловых и ударных волнах внутри нефтяного пласта, методы интенсификации сжигания угольной пыли при пульсирующей подаче первичного и вторичного воздуха, резонансные методы возбуждения вибрации для,устранения шлакования и загрязнения поверхностей, методы управления и интенсификации процессами обмена в зернистых средах химических реакторов, основанные на детально изученном влиянии внешних пульсаций на распределение присте-
ночного давления внутри зернистого слоя.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 265 страниц машинописного текста, включающего в себя список литературы из 139 наименований и 71 страницу рисунков.
Контактные методы измерения скорости и концентрации
Наиболее распространенное и простое измерение скорости запыленного потока в настоящий момент осуществляется с помощью различных типов пневмометрических зондов (трубок Нрандтля) с проволочными набивками, предохраняющими их от засорения. При простоте и надежности этого способа измерения существенные трудности возникают с регистрацией малой скорости потока (меньше 2 м/с), соответствующей низкому динамическому напору. Чувствительность стандартных дифманометров, которые выпускает отечественная промышленность, оказывается недостаточной. Поэтому для измерения малых динамических напоров зачастую приходится создавать свои лабораторные варианты дифференциальных манометров. Так в основу одного из них была положена схема колокольного дифманометра с пружинным уравновешиванием и дифференциально - трансформаторной схемой регистрации перемещения колокола [40 35] рассчитанная на измерения перепадов давления в диапазоне 0.1-30 Па, с основной погрешностью 0.3 процента от предела шкалы. Общий вид устройства показан на рис.1.13 [41]. Дифманометр корпуса 1, в который наливалось трансформаторное масло, колокола из органического стекла 2 с толщиной стенок 2 мм и пружины 6 с жесткостью к = 17.8 Н/м и длиной 100 мм. В качестве дифференциально - трансформаторного преобразователя перемещения 3 использовался преобразователь от манометра типа МП 22517. В промышленном варианте связь между пружиной б и сердечником преобразователя 4 выполнялась жесткой. Экспериментально было установлено, что это является причиной низкой помехоустойчивости прибора к вибрациям. Для повышения помехоустойчивости конструкции, жесткая связь между пружиной и сердечником была устранена при помощи шелковой нити 5, другими словами, была увеличена динамичность, за счет замены жесткой связи на гибкую. Еще одной особенностью разработанной конструкции являлось несимметричное расположение сердечника 4 относительно обмоток дифференциального трансформатора 3. Он был смещен вниз (рис.1.13) так, что нижняя часть сердечника выходила за габариты трансформатора, что приводило к ослаблению магнитной связи с обмотками трансформатора. Поэтому поперечные колебания нижней части сердечника практически не влияли на полезный сигнал, также как не влияли на него колебания верхней части сердечника ввиду их малой амплитуды. Несимметричное расположение сердечника приводило к тому что разнополярные ветви зависимости напряжения на выходе вторичного преобразователя от положения сердечника имели различную крутизну но тем не менее каждая из них в пределах диапазона контролируемых перемещений была практически ли-нейна. Установка сердечника 4 в нужное положение производилась вращением регулировочной гайки 9. При этом эластичная мембрана 7 позволяла перемещать болт 8 и связанный с ним сердечник 4 без на-DVTTTPHHH герметичности дифманометра. В качестве манометрической влияло на градуировочные характеристики устройства. Градуировка измерителя скорости производилась вращением трубки Прандтля с постоянной угловой скоростью двигателем, с регулируемым числом оборотов. Для этой градуировки был изготовлен специальный масляный затвор, обеспечивающий герметичность соединений при вращении подводящих каналов. Разработанный измеритель скорости применялся для определения локальной скорости запыленного потока в различных сечениях модельной топки с кипящим слоем (рис. 1.12, позиция 4). Сравнение проинтегрированной по сечению локальной скорости потока, измеренной с помощью поплавкового дифманометра, с расходной скорость показало, что ошибка измерений не превышала десяти процентов.
При испытании устройств для экологической очистки кроме скорости продуктов сгорания твердого топлива необходимо знать массовую концентрацию твердой фазы в единице объема промышленной пыли, фракционный состав этой пыли по размеру частиц. Для определения упомянутых параметров использован пьезоэлектрический датчик на основе цирконата титаната свинца [38], который выполнялся в неподвижном варианте или подвижном - в виде зонда, выстреливаемого перпендикулярно двухфазному потоку пружиной (рис. 1.14). Прибор состоял из пьезокристалла 1, помещенного в корпус 2 с резиновой трубкой 3, служащей для акустической развязки пьезокристалла и металлических элементов преобразователя. Внутренняя подвижная трубка 4 была расположена коаксиально внешней 5, к которой жестко крепились втулки 6, 9. Опорная шайба 7 обеспечивала сжатие пружины 8, с ее дальнейшим распрямлением и выбросом пьезокристалла 1 в двухфазный поток [35, 42]. Предварительная градуировка данного прибора проводилась на плоской струе кварцевого песка известной концентрации которая определялась путем проноса через поток песка тонкостенной трубки с диаметром равным диаметру чув ствительного элемента пьезокристалла 1, с последующим пересчетом захваченных песчинок. Измерительный объем фиксировался с помощью насадки аналогичной насадки оптического преобразователя для измерений в двухфазном потоке (рис.1.23, позиция 3) или с помощью дополнительного пьезоэлемента, останавливающего счет при выходе чувствительного элемента из измерительного объема. Усиленный сигнал с пьезокристалла подавался на частотомер. Соответствие между числом подсчитанных импульсов и числом частиц монофракции устанавливалось порогом срабатывания триггера частотомера. Для полифракции процедура измерения разбивалась на несколько циклов измерений с различными порогами срабатывания. Эксперименты показали, что для изготовленного преобразователя в диапазоне размеров частиц 0.1-1 мм можно выделить три порога срабатывания, в пределах которых каждая песчинка считается один раз: 0.1-0.25 мм, 0.25-0.6 мм и 0.6-1 мм. Таким образом, удалось провести измерение концентрации твердой фазы в полидисперсных потоках. Малое время пребывания пьезокристалла в измерительном объеме (10 мс) позволяет использовать его в высокотемпературных исследованиях.
Измерения в кубической упаковке
Измерению давление в упаковках посвящено обширное количество работ, что обусловлено, прежде всего, требованиями производства различной химической продукции, получаемой в результате прогонки жидкости или газа через плотные слои упаковок. Величину перепада давления и соответствующего гидравлического сопротивления необходимо закладывать в расчет проектируемых реакторов. Кроме того, знание локального распределения давления внутри упаковки позволяет прогнозировать соответствующие процессы переноса тепла и массы между элементами упаковки и стенкой аппарата. Для измерения давления внутри упакованного слоя из шариков и таблеток использовался горизонтальный опытный участок, имеющий длину 20 см и диа метр 5 см (рис. 1.5). На опытный участок устанавливался специально изготовленный многоканальный жидкостный манометр, с помощью которого определялось давление на стенке упаковки одновременно в 36 точках, находящихся в 9 сечениях упаковки, в каждом из которых имелось 4 измерительных точки на стенке. Измерительные сечения располагались на расстояниях 2 см по длине упаковки, кроме того, давление фиксировалось за и перед упаковкой. Точность измерения давления составляла 0.5 мм водного столба. На входе и выходе из рабочего участка с засыпкой стояли две термопары, которые с помощью холодильника и нагревателя, помещенных в баке с жидкостью, позволяли поддерживать температуру жидкости в рабочем контуре постоянной с точность 0.1 градуса. Каждая из засыпок в экспериментах переупаковывалась три - четыре раза. Измерения перепада давления в одной упаковке проводились многократно, в среднем 9 раз для одного числа Re (здесь и далее числа Рейнольдса эквивалентные, ввиду разнородности исследуемых засыпок: шарики, таблетки. За эквивалентное число Рейнольдса принималось [1]: Re = Аи/ра, и - расходная скорость (superfical velocity), а = а0(1 - є) + 3/D, є -пористость, D - диаметр опытного участка, ао = б[2/3 + d/(3H)]/d - удельная поверхность таблетки, d - диаметр таблетки, Я - высота таблетки. Для шариков эквивалентное число Re близко к числу Re, построенному по расходной скорости в пустом канале и диаметру шарика. Поэтому, когда это несущественно, будет просто говориться о числе Re). Результаты измерений перепадов давления при переупаковках усреднялись. Результаты эксперимента по измерению пристеночного давления внутри упакованного слоя представлены на рис. 2.1
Хотя точность измерения перепадов давления составляла миллиметры и доли миллиметра водного столба, тем не менее на крупных элементах упаковок: двух сантиметровых шариках и таблетках этой чувствительности оказалось недостаточно для измерений при числах Re меньше 1000. Результаты измерений перепадов давления при переупаковках усреднялись. Графики, построенные по средним величинам перепадов давления в засыпках из шариков диаметрами 3.1, 10, 20 мм и таблеток 2.9x10 мм, приведены на рис.2.1 - 2.4. Распределения давления для каждой из засыпок крупных таблеток, высота которых совпадала с диаметром и равнялась 2 см, отличались столь разительно, что их усреднение вряд ли целесообразно. Поэтому на рис.2.7 приведены зависимости распределения давления для каждой из упаковок крупных таблеток. При рассмотрении графиков 2.1 - 2.4, 2.7 обращает на себя внимание наличие выпуклости и вогнутости на разных кривых, уменьшающиеся с повышением числа Re, при этом кривые, как и следовало ожидать, превращаются в прямые. Переход кривых давления от нелинейной зависимости к линейной приходился на диапазон чисел Re от 100 до 300 [63, 64, 65]. Причем в отличие от шариков, на таблетках этот переход начинался с более низких эквивалентных чисел Re (рис.2.1, виды в, г). При числах Re около 500, как было обнаружено ранее [36], внутри засыпки образовывалось турбулентное ядро. Из рис.2.1-2.3 видно, что при приближении к турбулентности перепад давления по длине засыпки начинает изменяться линейно. Окончательное мнение по поводу подобного поведения зависимости перепада давления по длине упаковки при низких числах Re еще не сформировано. Здесь могут играть роль входные эффекты, связанные с диффузией давления от центра упаковки, где скорость максимальна, к стенке. Причина возможного отличия давления в несжимаемой жидкости в одном сечении упаковки выяснилась из экспериментов по измерению распределения пристеночного давления на крупных элементах засыпки в которых были обнаружены отрицательные по отношению к внешнему градиенту давления перепады давления в двух сечениях упаковки расположенных на расстоянии 2 см ДРУГ от друга (рис.2.3г, кривая 1; рис.2.5г; рис.2.6г, кривые 2, 4; рис.2.7в, г). Иными словами, подобное неравенство давлений в одном сечении может обуславливаться вихревой структурой внутри упакованного слоя. Как видно из рис.2.1а и 2.2а при числе Re=34 и Re=67 перепад давления начинает изменяться линейно только после 30 слоев упаковки, считая от начала. При возникновении турбулентного режима течения (Ее 300) сопротивления центральных и пристенных каналов выравниваются и изменение перепада давления по длине упаковки становится практически линейным (рис.2.За), что подтверждается и более ранними исследованиями поля скоростей в засыпках с помощью лазерной анемометрии [36]. Исключение составляли засыпки с крупными элементами, где, как уже говорилось, возможно существование отрицательных перепадов давления и связанных с этим возвратных течений. Следовательно, для подобных элементов распределение давления на стенке не эквивалентно среднему давлению по сечению такого "двух-трехрядного" реактора. Перепады давления на первых и последних рядах упаковки в таких реакторах существенно превышают средний перепад давления внутри упаковки, что связано как с наличием мелкоячеистой ограничивающей сетки, так и с потерями давления на внезапные сужение и расширение потока. Для шариков диаметром 3.1 мм и таблеток 2.9x10 мм картина с входным и выходным перепадами давления прямо противоположная - они меньше среднего перепада давления внутри упаковки (рис.2.1, 2.2, а, б). Па засыпках из сантиметровых шариков можно наблюдать как выпуклые так и вогнутые профили распределения давления (рис.2.1 в 2.2 в). По всей видимости в данных экспериментах отношение диаметра канала к диаметру элемента упаковки равное 5 является предельным ограничивающим выпуклые и вогнутые прооЬили распределения давления вдоль упаковки при числах Re около 100. Оценим коэсЬсЬициент гидравлического сопротивления исследуемых засыпок ТТттсг лдіуТенЬШения влияНИя вХОДнЫХ и выХОднЫХ эСисЬеКТОВ на OUeHKу коэффициентов гидравлического сопротивления изменение перепадов давления на первом и последнем сечениях в расчет не принимались, т.е. перепады давления учитывались, только начиная с расстояний 2 см от краев упаковки. Для оценки сопротивления воспользуемся зависимостями Аэрова, Тодеса [1, 2]: Л = Зб.З/Яеэ + 0.45(Леэ 1000), (2.1) Л = 1.09/Д Л4(Деэ 1000), (2.2) и Боришанского [66]: 40/Re + 4/lnДв 8-ei.2[6(l-e)+3d/I ] ( } где Кеэ и Re - эквивалентное число Рейнольдса и число Рейнольд-са, построенное по диаметру шарика и расходной скоростью в пустом канале (на всех рис.2.1-2.8 числа Рейнольдса эквивалентные), е - пористость, d, В - диаметр шариков и внутренний диаметр опытного участка с упаковкой.
На рис.2.8а линией большей толщины проведена экспериментальная кривая для мелких шариков (3.1 мм). В оценке использовалось измеренное значение пористости, равное 0.37, с относительной ошибкой в 2 процента. Пористость определялась по объему залитой в упаковку жидкости. Из рис.2.8а видно, что кривые, построенные по зависимостям Боришанского (2.3) и по одночленной формуле Аэрова, Тодеса (2.2) несколько расходятся с приведенными экспериментальными значениями. Ближе всего экспериментальной кривой отвечает двухчленная формула (2.1) Аэрова, Тодеса (кривая 3 на рис.2.8а). Для сантиметровых шариков в диапазоне чисел Рейнольдса меньше 300 кривые, построенные по зависимостям Боришанского и Аэрова Тодеса практически одинаково слабо отражают экспериментальные данные (расхождение 30 и более процентов кривые 2, 4 на рис.2.8в).
Свободноконвективная неустойчивость в засыпках
Из измерений бесконтактными и времяпролетными методами следует, что скорость жидкости у стенки существенно выше, чем скорость в центре упаковки. Расхождение результатов обусловлено, по-видимому, тем, что при измерении скорости по тепломассоотдаче от датчика, размер которого сравним с размером зерна засыпки, фактически определяется гидродинамическая обстановка вокруг этого датчика без учета направления скорости, а при измерении времяпролетными методами находится продольная составляющая скорости, усредненная по свободной площади между зернами в одном сечении упаковки. Если свободная площадь распределена неравномерно по сечению, то расход жидкости больше в том месте упаковки, где больше свободных проходов для потока. С этим очевидным на первый взгляд утверждением не согласуются результаты работы [9], в которой, для создания равномерной пористости по сечению, к стенкам опытного участка крепились части сфер. Тем не менее, в ней получено десяти процентное превышение локальной скорости у стенки по сравнению с центром упаковки в существенно турбулентном режиме течения (Re 4800). Анализирую измерения профилей скорости внутри правильных и неправильных упаковок с помощью ЛДА [10, 50], можно сделать вывод, что при отношении диаметра участка с упаковкой к диаметру шарика меньше, чем 10, внутри упаковок можно получить самые различные профили скорости: и с повышенной средней скоростью у стенки, и с пониженной так как в этом случае на гидродинамику определяющее влияние оказывает структура упаковки формируемая стенками канала. Особенно велико это влияние при правильных укладках и низких числах Re. Для оценки максимальных значений скорости при числах Re меньше 100 в ячейках правильных упаковок можно пользоваться пуазейлевской связью расходной и максимальной скоростями считая что сечение каналов с потоком ясидкости определяется минимальным живым числа Re трии упаковки на гидродинамику в ней снижается, настолько, что максимальные значения скоростей независимо от диаметров каналов стремятся к общему пределу, причем при числе Re=27000, как обнаружил Ван дер Мерве, Гаувин, в энергетическом спектре пульсаций скорости возникала зависимость, близкая к инерционному интервалу (-5/3), хотя поток жидкости внутри упакованных слоев достаточно далек от модели однородной и изотропной турбулентности, предполагающей отсутствия границ и соответствующих градиентов скорости. Кроме того, вид спектров при приближении к зависимости в -5/3 был существенно разный на экспериментах с водой и воздухом. На воде интервал энергий макродвижения отделялся от диссипативного интервала степенной зависимостью -2, которая характерна для диффузорных течений в области градиентного подслоя турбулентного логарифмического слоя. Для спектров, полученных в засыпках на воздушных потоках, степенная зависимость спектра была в близи -1 (точнее -1.2), что также известный результат для определенной области буферного подслоя. Возможно, что указанное отличие турбулентных спектров на воде и воздухе связано с тем, что толщина подслоя пропорциональна кинематической вязкости, которая для воздуха существенно больше.
Впервые получены профили скорости внутри различных упаковок из шариков и распределение пристенного перепада давления по длине засыпок из шариков и таблеток.
Экспериментально получено, что при числе Рейнольдса меньше 100 влияние входного эффекта на распределение пристеночного давления в хаотичной упаковке простиралось на расстояние, примерно равное 30 диаметрам элемента упаковки. При этом обнаружилось влияние низкочастотных акустических пульсаций (частотой меньше 100 Гц) на распределение пристеночного давления до не слишком высоких чисел Re (меньше 1000), при которых амплитуды акустических пульсаций давления меньше амплитуды турбулентных пульсаций.
Впервые проведено сравнение распределений скорости перед, внутри и вне хаотичной упаковки из шариков с одновременным определением локального линейного просвета в хаотичной упаковке. Получено, что для отношения диаметра упаковки к диаметру меньше 10 внутри упаковки возможно образования областей, с повышенной проницаемостью, и связанных с взаимным влиянием стенок друг на друга.
Выявлен и исследован низкочастотный характер пульсаций скорости и давления внутри различного типа упаковок. При этом обнаружилась дискретность спектра внутри правильной кубической упаковки, соответствующая числу Струхаля 3.5, существенно выше, чем для обтекания одиночного шарика, что, по всей видимости, обусловлено загромождением потока и меньшим размером вихрей.
Проведенное сравнение полученных профилей скорости с известными параболическим и струйным распределениями показало, что течение внутри правильной кубической упаковки отличалось как от струйного, так и от параболического. Для низких чисел Re в узком сечении лучше подходила параболическая аппроксимация, которая позволяла оценивать максимальные скорости в ячейках упаковки, совпадающие с экспериментом. Для чисел Re=500 получено, что независимо от размера ячеек кубической упаковки, максимальные значения скорости в них оказывались близки. Причем, сближение этих максимальных значений начиналось после турбулизации слоя смешения слоевых и вихревых течений, соответствующим числам Re 60 -для центральной ячейки и 100- для пристенной ячейки кубической упаковки. Аналогичная картина наблюдалась и в пристенном слое хаотичной упаковки. По результатам измерений предложен способ управления обменом в зернистом слое, защищенный 2 патентами России.
Исследование распределения давления и скорости
Получение больших объемов газа за короткий промежуток времени требуется во многих отраслях народного хозяйства, например, для приведение в действие заглушки при аварийной ситуации на нефтепроводе или для быстрого надувания плавучих средств на море. Практически мгновенное получение большого объема горячего газа получается с помощью порохового заряда. Но высокая температура газа затрудняет его использование. Тем не менее в последнее время довольно интенсивно развивается технология охлаждения газов от пороховых зарядов с помощью охладителей, представляющих блоки плотно упакованных таблеток. Горячие газы, пропущенные через подобную упаковку таблеток, охлаждаются вследствие эндотермиче 165
ской реакции до температуры, приемлемой для дальнейшего использования. Для оценки эффективности состава охладителя необходимо располагать знанием не только гидродинамической картины потока и температурой движущегося газа, но и величинами тепловых потоков до и после охладителя. Сложности подобных измерений связаны с наличием второй фазы в виде твердых микрочастиц, несущих с собой существенную часть теплового потока. За основу тепловых измерений был взят достаточно известный метод "тонкой стенки", используемый для однофазных потоков [91]. Принципиальная схема датчика потока энтальпии для двухфазного струйного течения приведена на рис. 1.10 [35]. Датчик представлял собой прямоугольную рамку 1, выполненную их латуни и встроенную в теплоизолятор из фторопласта. Свободное пространство рамки перегораживалось медной проволочной сеткой 2 с шагом 1 мм и диаметром проволочек 0.2 мм. Сетка 2 устанавливалась наклонно и служила для задержки частиц твердой фазы. Наклон сетки необходим для увеличения как времени контакта частиц с датчиком, размер которых меньше диаметра ячейки проволочной сетки, так и площади соприкосновения его с двухфазным потоком. Температура потока на входе и выходе из датчика измерялась двумя вольфрам-рениевыми термопарами 3 и 4, включенными дифференциально. Температура самого датчика контролировалась хромель-алюмелевой термопарой 5. Поток энтальпии находился из следующего выражения: / = (kcmTQ/FAT)rd, где к = 0.8; 1.2 - коэффициент, зависящий от теплоемкости газового потока и площади проходного сечения датчика без сетки и с сеткой; с = 388Дж/кгК - теплоемкость измерительной рамки датчика; т = 2.4 — 2.9 10 3кг - массы измерительных рамок датчиков; = 8 10 м - площадь проходного сечения измерительной рамки датчика; Го - температура потока на входе в датчик; AT - разность температур на входе и выходе потока из датчика; T d - производная по времени от температуры измерительной рамки датчика.
Тарировочные эксперименты датчика энтальпии проводились в пламени гексановой горелки при температуре 1200 К. Измеренные с помощью датчика теплоемкости газового факела с точностью 15 процентов совпали с известными литературными данными. Теоретическая оценка всех неточностей нестационарного метода метода измерения потока энтальпии находилась в пределах 30 процентов.
Эксперименты на горячей модели проводились на установке, состоящей из четырех секций труб, диаметром 3.6 см и длиной 10 см, на выходе секций находилась балластная камера большого объема. Первая секция содержала пороховой заряд и заканчивалась соплом с критическим диаметром 4-5 мм. Хаотичная упаковка таблеток охладителя (оксалата аммония) зажималась между двумя сетками в третьей секции. Датчик энтальпии размещался во второй и четвертой секциях [91] - [93]. Регистрация показаний температуры осуществлялась шлейфовым осциллографом Н-114. Результаты отдельных экспериментов представлены на рис.4.8 - 4.10. Эквивалентное число Рей-нольдса, оцененное по условиям на входе в охладитель составляло 1000. Эксперименты по измерению потока энтальпии в двухфазных потоках на газогенераторах и охладителях в диапазоне температур от 200 градусов до 1500 градусов Цельсия показали, что сетка датчика, установленного непосредственно за соплом газогенератора, сгорает примерно за 0.03 с, при этом практически одновременно высокоскоростной поток, содержащий активные радикалы, разрушал вольфрам-рениевые термопары, которые подвергались как механическому так и химическому разрушению, сгорая в окислительной среде пороховых газов. Но снятие температурной зависимости уже на начальном участке позволяло сделать некоторые важные выводы относительно эффективности охладителя. Так температура газа после охладителя уменьшилась с 1500 К до 600 К (рис.4.8, кривые Ы, Ь2). Как видно из рис.4.10 (кривые 1,2) максимальная плотность теплового потока после охладителя уменьшилась почти в 5 раз. Сравнивая экспериментальные зависимости, полученные датчиками энтальпии с сеткой (кривые Ь,с, рис.4.9; кривая 2, рис.4.10) и без сетки (кривые bl, с1, рис.4.9; кривая 3, рис.4.9), можно предположить наличие в продуктах реакции после охладителя значительное количество непрореагировавшего вещества, которое, задерживаясь на сетке, уменьшало измеряемый тепловой поток. Причем, это уменьшение сказывалось, прежде всего, на показаниях термопары 4, стоящей на выходе из датчика (рис.1.10). Что, по всей видимости, обусловлено задержкой сеткой крупных частиц материала охладителя, которые, продолжая сублимироваться, охлаждали проходящий поток. Следовательно, упаковка охладителя не полностью участвовала в эндотермической реакции, некоторая часть ее могла выноситься из зоны реакции на стенки канала, где полнота и скорость реакции разложения охладителя существенно занижены.
В процессе разрушения упаковки распределение давления вдоль засыпки более инертно к процессу растворения, чем распределение скорости за засыпкой. Профиль скорости за упаковкой изменялся более длительное время (25 минут), чем соответствующее распределение перепада давления по длине упаковки (4 минуты).
Проведенные эксперименты на нестационарных упакованных слоях позволили выявить причину неполного использования материала засыпок из разрушающихся химических реагентов, которые, подвергаясь механическому разрушению, перекрывали каналы в упаковке и в дальнейшем крупными фракциями уносились потоком из зоны интенсивной химической реакции в теневые и пристеночные области, где скорость сублимации существенно ниже. Следовательно, одна из возможностей увеличения эффективности работы охладителей может заключаться в уменьшении преждевременного механического выноса материала охладителя из зоны химической реакции.
Использование в качестве разбавителя разрушаемых таблеток инертной насадки существенно уменьшало критические пики давления в упаковке и увеличивало полноту и время протекания химической реакции. Кроме того, проведенные эксперименты дают некоторое основание предполагать, что равномерное перемешивание по объему упаковки разрушаемых и неразрушаемых элементов не является оптимальным, но закон, по которому должны быть распределены по длине и сечению инертные элементы между реагирующими, не столь очевиден и, скорей всего, не универсален для всех химических объектов.