Введение к работе
Актуальность темы.
Постоянное технологическое обновление, необходимое для перехода России на инновационный путь развития, требует наличия у разработчиков процессов и аппаратов теорий, методов исследования и расчета, позволяющих выявлять новые гидродинамические эффекты процессов и описывать тенденции изменения характеристик аппаратов в широком диапазоне параметров.
В особенности эта проблема имеет значение для вихревых аппаратов с гетерогенными потоками, поскольку закрутка потока, а также частичное заполнение рабочего объема дисперсной фазой вызывают неоднородности течений и, в итоге, существенные изменения технологических характеристик аппаратов при вариации параметров. Для центробежных пылеуловителей проблемой является также сам расчет основной рабочей характеристики - фракционной эффективности улавливания (ФЭУ).
С другой стороны, существующие методы расчета рабочих параметров вихревых аппаратов, обычно основаны на критериальном подходе и экспериментальных константах, подобранных в основном для конкретных конструкций и режимов работы, то есть не описывают указанные явления и обладают малыми прогнозирующими возможностями.
Одной из основных причин этого положения является пока еще недостаточная изученность внутренней задачи гидродинамики закрученных гетерогенных потоков в технологических аппаратах. Это вызвано незавершенностью, как теории турбулентности, так и методологии подхода к моделированию технологических турбулентных течений. Таким образом, имеется существенный разрыв между результатами классических теорий турбулентных двухфазных течений и практическими задачами моделирования и расчета вихревых аппаратов.
Исходя из вышеизложенного, в настоящее время важным является проведение комплекса исследований по разработке адекватной прикладной теории и моделей закрученных потоков в вихревых аппаратах; созданию методологии исследования и обобщения свойств неоднородных двухфазных течений и характеристик аппаратов; разработке рекомендаций по повышению эффективности процессов в вихревых аппаратах.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами Проблемного совета РАН по теоретическим основам химической технологии (ТОХТ) 2003-2008 гг.; планами важнейших НИР ГКНТ АН СССР по ТОХТ на 1986-1990 гг.; хоздоговорными и госбюджетными планами МТИ им. А.Н. Косыгина 1981-1991 гг.; планами НИР МГТУ им. А.Н. Косыгина 2003-2008 гг.
Цель работы - создание научных основ прикладной гидродинамики вихревых аппаратов с неоднородными структурами закрученных гетерогенных потоков, обеспечивающих реализацию эффективных гидродинамических режимов технологических процессов.
Основные задачи исследования: - анализ современных данных и тенденций по прикладной гидродинамике закрученных двухфазных течений, эффективности процессов сепарации во вращающихся потоках; обоснование основных принципов исследования
щающихся потоках; обоснование основных принципов исследования вихревых аппаратов с неоднородными структурами гетерогенных потоков;
разработка основ прикладной теории турбулентных гетерогенных течений в вихревых аппаратах;
создание приближенных моделей для прогнозирования структур потоков и полей скоростей: в аппаратах с одним входом закрученного потока, с двумя входами, с двумя выходами, с распределенным выходом;
теоретическое и экспериментальное исследование и обобщение основных закономерностей неоднородной гидродинамики несущей среды в вихревых аппаратах различной геометрии;
исследование и моделирование гидродинамики двухфазных течений в вихревых аппаратах; разработка методологии аналитического и компьютерного исследования двухфазных вихревых потоков; создание моделей неоднородной гидродинамики двухфазных потоков и методологии идентификации этих моделей и характеристик аппаратов;
исследование и обобщение эффектов влияния структур и неоднородностей потоков на эффективность процессов в вихревых аппаратах, в том числе для материалов с дисперсностью менее 5 мкм;
разработка вихревых пылеуловителей с эффективным использованием гидродинамических неоднородностей, разработка технических рекомендаций по аппаратам и системам пылеочистки, многофункциональным аппаратам для совмещенных процессов, создание инженерной методики расчета аппаратов с переменной структурой потоков.
Научная новизна:
В целом в диссертации разработана совокупность научных положений, представляющая новый подход к исследованию и моделированию аппаратов с неоднородной и переменной структурой вихревых гетерогенных потоков, который основан на предложенной прикладной теории и методах неоднородной многомерной гидродинамики. Все закономерности по неоднородной гидродинамике вихревых аппаратов получены впервые.
Разработана прикладная теория турбулентных закрученных течений в аппаратах с неоднородными структурами потоков, основанная на модели при-осевой турбулентности и векторной функции турбулентного числа Рейнольдса; получены уравнения и разработана методика расчета, позволяющие прогнозировать структуру линий тока, поля скоростей и турбулентное смешение.
Установлено существование различных структур течения газа в вихревых аппаратах с двумя входами: структуры разделения потоков, равномерного перехода и частичного байпаса; обнаружено явление приосевого распада вихря пузыревидного типа, обладающего существенно неоднородной и управляемой структурой; установлен вид и характеристики поверхностей тока, циркуляционных зон; выявлен туннельный эффект проскока приосевого потока к стенке аппарата.
Выявлены основные закономерности полей скоростей газа в вихревых аппаратах: неоднородность тангенциальной и осевой скоростей по высоте аппарата; распределение в пространстве радиального стока, наличие радиального
источника вблизи осевого завихрителя; распределение полей скоростей неоднородной структуры распада вихря; эффект смещение оси физического вихря.
- Получены и аналитически решены приближенные модели гидродина
мики вихревых течений на основе уравнений Эйлера: модели на основе теории
эффективно невязкой жидкости для аппаратов со встречными закрученными
потоками (ВЗП), аппаратов с разделением потока; структурные модели для ап
паратов с кольцевыми течениями, с гладкими и фильтрующими перегородками.
- Разработаны детерминированная и стохастическая Эйлеро-
Лагранжевы модели движения частиц материала; получены критерии структур
ного упрощения уравнений движения частиц, найдены условия перехода к ве
роятностно-логарифмической кривой фракционной эффективности улавлива
ния; с помощью компьютерных экспериментов установлены различные струк
туры движения частиц, обнаружено физическое явление туннельного турбофо-
реза, предложена методика расчета функций фракционной эффективности оса
ждения (ФЭО), характеризующих влияние структур потоков на эффективность
сепарации частиц; разработаны эффективные методы определения ФЭУ.
Разработана группа многопоточных моделей неоднородных структур и методы идентификации распределения времени пребывания (РВП) твердой фазы в вихревых аппаратах. Методика идентификации неоднородных структур РВП, основана на нелинейной оптимизации совместно с анализом приближенных функций интенсивности.
Выявлены закономерности РВП для аппаратов с неоднородными потоками: найдено, что для режима винтового течения в вихревых аппаратах адекватна ячеечная модель с числом секций N = 8 -т- 50; для циклонов при скоростях
* больше критической Vq установлено существование эффекта распада РВП на
две ветви; для многофункциональных аппаратов ВЗП-ВК разделение РВП на две ветви происходит при определенной высоте перелива; установлено существование двух циркуляционных контуров в аппарате фонтанирующего слоя; выявлено изменение структуры перемешивания в вихревой камере.
- Разработана инженерная методика расчета и модели процесса разделе
ния гетерогенных потоков и потерь давления несущей фазы в вихревых аппара
тах, основанные на проведенных исследованиях и структурно-интегральном
подходе к моделированию неоднородностей.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Уравнения и вихревая теория турбулентных гетерогенных потоков и приближенные решения моделей невязкой жидкости дают возможность прогнозировать трудно измеряемые поля течений, движение дисперсной фазы, а также структуры двухфазных потоков в разрабатываемых вихревых аппаратах.
Результаты исследований и обобщений, разработанные модели и методики расчета позволяют: обеспечить эффективную организацию неоднородной гидродинамики для различных технологических задач в вихревых аппаратах; проводить расчет фракционной эффективности для различных конструкций; выбирать рациональные режимы работы и габариты пылеулавливающих и многофункциональных аппаратов с многофазными потоками.
Предложенные методы идентификации позволяют с высокой достоверностью определять фракционные характеристики и параметры РВП; методика и предложенные модели позволяют эффективно выявлять и описывать гидродинамические неоднородности потоков для широкого класса аппаратов.
Разработан и исследован новый вид вихревых пылеуловителей типа ВП, которые имеют номинальное соотношение входных расходов 1:1, широкий рабочий диапазон по соотношению расходов, малочувствительны к колебаниям нагрузок; разработаны типоразмеры аппаратов ВП диаметром от 0,2 до 1,2 м и установки ВП-700х2 и ВП-800хЗ, которые обеспечивают очистку газов в диапа-
зоне от 500 до 22000 м /час.
- Разработаны рекомендации по конструктивным характеристикам и
режимным параметрам для различных конструкций пылеулавливающих и мно
гофункциональных аппаратов ВЗП, комбинированных аппаратов.
- По результатам выполненных исследований разработаны и внедрены в
различных производствах аппарат ВП-300, пылеуловители ВП-700, установка
ВП-700х2, комбинированная установка ВП-800хЗ. Внедрены пылеуловители
типа ВЗП в составе установок ВЗП-600хЗ, ВП-1, ВП-2, ВП-3. Результаты рабо
ты были использованы при разработке и внедрении и эксплуатации пылеулови
телей ВЗП-2000, ВЗП-2000У, ВЗП-ЦРП, при проектировании сушилки с одно
временным улавливанием СВЗП-600, микрогранулятораВЗП-350-МГ.
- Результаты работы используются в учебных курсах МГТУ им. А.Н.
Косыгина: «Моделирование химико-технологических процессов», «Оптимиза
ция химико-технологических процессов», «Прикладная математика и кинетика
процессов переноса».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах Совета РАН по технологическим процессам с твёрдой фазой (2005г.), по теоретическим основам химической технологии (1987г.); на международном совещании РАН, посвященном столетию со дня рождения академика Н.М. Жаворон-кова (2007г.); at The Second Nordic Drying Conference (NDC-03), Copenhagen, Denmark, 2003, а также более чем на 30 международных, всероссийских и всесоюзных конференциях, в том числе на: международных конференциях «Экологические и ресурсосберегающие технологии промышленного производства» (Витебск, 2006г.); «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново, 2004, 2006, 2007гг.); «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003-2008гг.); на международных конгрессах по химии и химической технологии «МКХТ» (РХТУ им. Д.И. Менделеева 2003-2008гг).; всесоюзных конференциях «Очистка газовых выбросов промышленных предприятий» (Тольятти, 1990г.); «Технология сыпучих материалов» (Ярославль, 1989г.); «Новые процессы, оборудование и гибкие производственные системы для многономенклатурных химических производств» (Черкассы, 1989г.); «Современные машины и аппараты химических производств» (Чимкент, 1988г.); «Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве» (Юрмала, 1987г.); «Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильной промышленности и произ-
водства химических волокон» (Москва, 1981,1983,1985,1989 г.); «Повышение эффективности тепломассообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон» (Москва, 1985,1988 г.); «Методы кибернетики в химии и химической технологии» (Грозный, 1984г.); на «Всесоюзном совещании по математическому моделированию и управлению высокотемпературными процессами в циклонных и вихревых аппаратах» (Одесса, 1980г.); научных конференциях МТИ им. А. Н. Косыгина, 1982-1987гг. и др.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 105 научных работ, из них 50 работ приведены в списке автореферата, 18 статей в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 8 глав, приложений, основных выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 372 страниц, таблиц - 14, рисунков - 93, библиография включает 315 наименований.
