автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей через насадки в импульсном режиме

На правах рукописи

005061441

Кулявцев Евгений Яковлевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ И ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗОПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ ЧЕРЕЗ НАСАДКИ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 и:он 2013

Бийск-2013

005061441

\

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, с.н.с., Казанцев Владимир Георгиевич

Комарова Лариса Федоровна доктор технических наук, профессор, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, заведующая кафедрой «Химической техники и инженерной экологии»

Сергеев Анатолий Григорьевич кандидат технических наук,

Федеральное казенное предприятие «Бийский олеумный завод», технолог научно-экспериментального центра

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита диссертации состоится «27» июня 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», по адресу 659305, Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «24» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Шалунов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Развитие техники псевдоожиженного слоя и пневмотранспорта приобретает все большее значение в химической, нефтеперерабатывающей, горной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Как следствие, среди процессов химических технологий, протекающих в гетерогенных системах, особое значение приобретают процессы образования и получения газовых свободнодисперсных систем. Теоретическим аспектам процесса получения однородного псевдоожиженного слоя (псевдожидкости) крупнозернистых и порошковых смесей посвящены многочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов: Г.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, В.Б. Кваша, И.М. Разумова, A.B. Аэрова, И.Ф. Девидсона, Д. Харрисона и многих других ученых. Вместе с тем, на практике, для реализации процесса псевдоожижения применяется технологическая аппаратура различного типа, и, как правило, при конструировании таких аппаратов проблема оценки качества ожижения порошковых смесей оказывается теоретически затруднительной или невозможной.

Несмотря на появление многочисленных вариантов конструкций аппаратов для псевдоожижения и пневмотранспорта, принципиальным и наиболее слабо исследованным вопросом до сих пор являются физические аспекты подготовки газопорошковой смеси, импульсное вытеснение частичек порошка сжатым газом через короткие насадки-распылители или отверстия, газодинамика и параметры газопорошковой струи при ее истечении, силовое воздействие факела распыления на преграды, другие проблемы, оказывающие первостепенное влияние на эффективность и качество работы аппаратов, связанных в единую цепочку физических и химико-технологических превращений.

Таким образом, задача теоретической и экспериментальной оценки рациональных режимов и условий подготовки и пневмотранспортировки газопорошковых смесей, определения основных рабочих характеристик аппарата путем моделирования основных газодинамических процессов истечения с использованием методов математической физики и экспериментальной техники, является актуальной.

Исследования, результаты которых частично представлены в работе, выполнялись по контракту с Федеральным агентством по энергетике в рамках научно-исследовательской/опытно-конструкторской работы «Разработка комбинированных модулей пожаротушения на основе огнегасящих порошков и огнегасящей жидкости» (Государственный контракт № Ю6-ОПН-05п от 19 сентября 2005 г.).

Цель работы - разработка методики и анализ процессов ожижения и истечения порошков через насадки и отверстия в импульсном нестационарном режиме для повышения эффективности ожижения и транспортировки газопорошковых смесей.

Задачи исследований:

1. Разработать методику экспериментальной оценки однородности псевдоожиженного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей.

2. Разработать и обосновать метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия.

3. Провести анализ и установить влияние соотношения доли газовая фаза -частицы на изменение газодинамических параметров потока при истечении газопорошковой смеси из корпуса.

4. Установить параметры и воздействие струи на преграды при ее истечение в незатопленное пространство.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются газопорошковые смеси - процессы ожижения порошка и распыления порошков через короткие насадки и отверстия; процессы, протекающие в гетерогенных системах при изменении параметров аэродисперсности - непрерывно изменяющемся соотношении доли частиц в газовой фазе.

В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного передового производственного опыта и научно-технических разработок; аналитические и численные методы математического моделирования на базе гидрогазодинамических флюидных потоков и псевдоожиженных веществ при их истечении через отверстия и сопла с использованием ЭВМ; лабораторные и натурные экспериментальные методы исследования особенностей проявления параметров смеси при ее истечении и взаимодействия факела распыления с преградами; автоматизированные экспериментальные комплексы натурного измерения газодинамических параметров при истечении порошка из корпуса по специально разработанным методикам.

Научная новизна:

1. Эффективность работы аппарата ожижения порошка предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния. При значениях 0 < Ко < 1 газопорошковая смесь близка к однородной смеси; при Ко < 0 ожижение не однородное; при Ко = 1 газопорошковая смесь находится в свободном дисперсном состоянии.

2. Установлено, что ожижение порошка газом, близкое к однородной смеси, достигается в корпусе при расходе ожижающего газа не менее чем 0,25 л/с и не более чем 2,4 л/с через ниппельный аэратор (Ко > 0).

3. Впервые установлен характер высокоградиентного изменения плотности факела газопорошковой струи в зависимости от расстояния фронта факела от среза насадка. Показано, что при истечении газопорошковой смеси происходит вторичный процесс аэрации факела, сопровождающийся снижением плотности

смеси более, чем на порядок, на расстояниях до 2,5 м от его среза. При высоконапорных истечениях газопорошковой смеси (давление в корпусе ~ 1,2 МПа и более) сосредоточенное воздействие фронта факела может привести к повреждению оборудования и травмировать человека на расстояниях до 10 метров от среза сопла.

4. Впервые определены пределы изменения коэффициента расхода для нестационарного истечения газопорошковой смеси через отверстия и насадки и установлена взаимосвязь расходных характеристик насадка от доли частиц в газовой фазе. Установлено, что из-за местного сопротивления на входе в отверстие среднее значение коэффициента расхода газопорошковой смеси снижается до величины 0,41 по сравнению с истечением жидкости, где коэффициент расхода соответствует величине 0,62. Установлено, что до уровня доли частиц более 15 % в газовой фазе величина коэффициента расхода имеет функциональную зависимость от доли частиц в смеси.

5. Впервые при истечении через насадок газопорошковой смеси определено среднее значение коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа, равное 0,65. Установлено, что до уровня доли частиц более 15 % в газовой фазе величина коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа имеет функциональную зависимость от доли частиц в смеси.

Теоретическая значимость: заключается в разработке и обосновании численных методов и алгоритмов расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока через отверстия и короткие насадки-распылители в импульсном режиме.

Практическая значимость: заключается в дальнейшем совершенствовании и развитии химических технологий, включающих процессы подготовки газопорошковых смесей к транспортировке их нестационарного истечения через отверстия и насадки, и воздействия истекающих струй на преграды за счет:

1. Разработки рекомендаций и критериев использования различных ожижающих агентов для рационального псевдоожижения порошков. При этом эффективность работы аппарата ожижения порошка предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния.

2. Установления закономерности изменения газодинамических параметров свободнодисперсных систем при их импульсном нестационарном истечении через насадки.

3. Разработанные варианты аппаратов порошкового пожаротушения с импульсным нестационарным истечением газопорошковой смеси и технологические рекомендации по расположению аппаратов порошкового пожаротушения в защищаемом пространстве использованы на шахте «Чертинская-Коксовая» ОАО «Белон» при противопожарной защите узла подготовки горячего воздуха для регулирования климата в шахте,

сверхкатегорийной по пыли и газу; на обогатительной фабрике «Анжерская» для противопожарной защиты участка обогащения угля.

4. Результаты работы использованы при разработке устройств пожаротушения и взрывоподавления на опасных производствах (угольные шахты). За участие в выполнении этой работы и большой личный вклад в развитие науки и техники автору присуждена премия Алтайского края в 2011 г.

Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается использованием современных инструментальных методов анализа с применением сертифицированных методик и оборудования, высоким уровнем объективности результатов прогноза информативных параметров ожижения и истечения порошков, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методам, методикам и алгоритмам с данными прямых натурных экспериментов.

Личный вклад автора: анализ проблемы подготовки и истечении газопорошковых смесей по данным литературных источников отечественных и зарубежных авторов, разработка методик измерения информативных параметров процессов ожижении порошков и нестационарного истечения газопорошковых смесей, выбор исследовательского и производственного оборудования для экспериментов, участие в проведении экспериментальных исследований, анализ и интерпретации полученных данных, разработка методов моделирования процессов нестационарного истечения смесей из насадков и отверстий, разработка соответствующих алгоритмов и программ для ЭВМ, подготовка публикаций по выполненной работе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались в рамках проекта «Разработка устройства подавления взрывного горения смеси углеводородов и пыли с воздухом без присутствия человека», представленного в Экспертный совет Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на конкурс «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2011». Проект признан победителем программы «У.М.Н.И.К.» за 2011 год.

Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2011 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Успехи в специальной химии и химической технологии», посвященной 75-летию Инженерного химико-технологического факультета РХТУ им. Д.И. Менделеева - 2010 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях ИАМП-2010) (г. Бийск, 2010 г.); на научно-технических советах АО УК «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 2008-2010 гг.); на ученых советах Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (РосНИИГД,

г. Кемерово, 2006-2008, 2010 гг.); Восточного научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ, г.Кемерово, 2008-2009 гг.); на научных семинарах кафедры «Процессы и аппараты» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (г. Томск, 2012 г.); кафедры «Техническая механика» Бийского технологического института (филиала) АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Бийск, 2007-2011 г.).

На защиту выносятся:

1. Методика экспериментальной оценки однородности псевдоожиженного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей; рекомендации и критерий использования различных ожижающих агентов - газов для рационального псевдоожижения порошков.

2. Метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия, базирующийся на гидродинамической аналогии жидкость-псевдожидкость при условии зависимости коэффициента расхода от доли частиц в смеси.

3. Метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия, базирующийся на условии запаздывания скорости частиц от скорости газа в зависимости от доли частиц в смеси.

4. Функциональная зависимость силового воздействия струи на преграды от скорости истечения смеси, плотности смеси во фронте факела и расстояния от среза насадка до преграды.

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, в 2 патентах Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 6 таблиц и 52 рисунка, список использованной литературы из 73 наименований, три приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и тематика исследований, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная значимость и отражена научная новизна полученных в ходе исследований результатов. Представлены основные научные положения,

вынесенные на защиту.

Первая глава посвящена анализу физико-химических аспектов процесса ожижения сыпучих материалов (порошков с размерами частиц 10-50 мкм) и их пневмотранспорта.

Выявлены сущность, критерии и способы однородного ожижения порошков. Рассмотрены проблемы истечения подготовленной к транспортировке смеси через короткие насадки и отверстия. Показано, что установление эффективности химико-технологических процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей восходит к необходимости использования достижений в области прямой натурной и модельной диагностики газодинамических параметров газопорошковой смеси в корпусе подготовки смеси, а также в изучении газодинамических процессов при истечении и формировании факела распыления порошка.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям газодинамических и баллистических характеристик дисперсной газопорошковой смеси на этапе ожижения порошка и изучению процессов стабилизации потока при динамическом вскрытии насадка.

Экспериментальные исследования газодинамических процессов проводились на установке промышленного масштаба (рисунок 1).

1 - фиксатор клапана; 2 - клапан; 3 - заклепка; 4 - насадок Рисунок 1 - Схема основных конструктивных элементов устройства для исследований процессов подготовки и истечения газопорошковой смеси

В качестве основного элемента установки использован корпус модуля порошкового пожаротушения объемом 6 литров с навеской порошка массой 0,57-0,62 кг и сопловым цилиндрическим насадком диаметром 46 мм и длиной 52 мм. В экспериментах использованы огнетушащие порошки известных марок ИСТО-1 и Вексон (размеры твердых частиц порошка не превышают 20 мкм). Истечение газопорошковой смеси через насадок 4 осуществляется после вскрытия клапана 2 при достижении давления в корпусе заданной величины.

В основу разработанной методики экспериментальной оценки качества подготовки газопорошковой смеси положен технологический контроль остатка порошка в корпусе после завершения истечения смеси из корпуса. При этом полагается, что газопорошковая смесь вполне однородна (отсутствие пузырей и комков), если остаток порошка в корпусе не превышает 15 % от исходной навески порошка.

В таблице 1 представлены экспериментальные данные, свидетельствующие о качестве псевдоожижения огнетушащего порошка. Эксперименты проведены для навески порошка т = (0,60±0,001) кг при различном среднем уровне расхода в (вдува) газа С02 через четыре ниппельных аэратора в корпус с порошком и давлении вскрытия корпуса Р0= 1,79-1,83 МПа.

Таблица 1 - Объемные и весовые характеристики огнетушащего порошка и газа (С02) в корпусе аппарата при его ожижении__^__

4,1 6,3 8,2 9,8

Ро, МПа 1,81 1,83 1,83 1,79

в, л/с 13,1 9,54 7,3 5,9

Дш, кг 0,105 0,078 0,045 0,028

5,% 17,5 13,0 7,5 4,7

£ 0,50 0,44 0,45 0,46

В таблице 1 использованы следующие обозначения: I - время ожижения; Аш - остаток порошка в корпусе после его истечения (определяется взвешиванием с точностью ±0,001 кг); 8 - доля остатка порошка в корпусе, определяемая из соотношения: 5 = Дш/ш • 100 %; е - порозность огнетушащего порошка в корпусе, определяемая при помощи закона Бойля-Мариотта: е = 1 - ОД • Ще/(РоЩ)> гДе Ще - объем газа (литры), закаченного в корпус до его вскрытия; - объем корпуса (литры).

Из анализа таблицы 1 следует, что высокие расходы при наддуве корпуса не способствуют однородному псевдоожижению, поскольку имеет место высокий остаток порошка в корпусе из-за образования газодинамических каналов в смеси. Рациональные варианты расхода газа при ожижении порошка и методика выбора параметров псевдоожижения может быть принята аналогично вышеописанной.

Исследования истечения газопорошковой смеси из цилиндрического насадка проводились по данным видеонаблюдений с использованием камеры скоростной видеосъемки ВИДЕОСПРИНТ, имеющей разрешение 1280x1024 с цифровым усилением, работающей совместно с удаленной ПЭВМ и позволяющей проводить видеосъемки с частотой смены кадров 1/1000 секунды. Суммарная погрешность обработки смены кадров на ЭВМ для фронта факела не превышает 15 % относительной ошибки.

Вследствие гидроудара при вскрытии насадка установлен переходный процесс истечения газопорошковой смеси, от нестабилизированного истечения к стабилизированному, рисунки 2а, 26. При этом критерием стабилизации потока служит угол Р между осевой линией потока и его внешней границей, меняющийся от 80 градусов в начале истечения до (9-11) градусов для стабилизированного потока. Экспериментально установлено, что процесс

перехода к стабилизированному потоку имеет временной интервал, составляющий не менее 0,06 с (рисунок 2в).

О 0.02 0,<М 0.06 0,08 0,1 Время, с

б) В)

а.) V) а)

а) - нестабилизированное течение; б) - стабилизированное течение; в) - процесс стабилизации угла распыления Рисунок 2 - Стадии процесса стабилизации газопорошкового факела при истечении газопорошковой смеси

0.14 сск

В таблице 2 и на рисунках 36 и Зв показано изменение скорости для стабилизированного потока. Анализ истечения показывает, что факел стабилизируется, когда его фронт удаляется на расстояние Н = 1,75-2,0 м от среза насадка. При этом время истечения составляет t > 0,05-0,06 с (р—>9°~11°).

V, м/с

п и

- !

i u v

/ чг V

¿1 р/

i Г'

f/i i

hí

V, м/с

V, м/с

5

t,c

ítfc

X

Н.м

0,01 0.02 0,03 0.04 0,05 0.06 0,05 0.15 0,25 0,35 0;45 0,55 0,65 Щ0 2,0 4,0 6;0 8,0 10,0 12.0 14,0

а) б) в)

Рисунок 3 - Изменение скорости фронта газопорошковой смеси во времени (а), (б) и в зависимости от расстояния до среза насадка (в)

Таблица 2 - Скорость фронта факела газопорошковой смеси (давление вскрытия

Параметр Нестабилизированный поток Стабилизи рованный поток

t, с 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Н, м 0,22 0,57 0,93 1,32 1,73 2,12 4,1 7,7 10,3 11,8 12,9 13,7 14,4

V, м/с 32,0 36,0 38,0 40,0 44,0 42,6 40,0 31,9 20,1 12,4 8,9 6,9 5,1

Третья глава работы посвящена экспериментальным исследованиям газодинамических и баллистических характеристик газопорошковой струи на третьем, заключительном этапе истечения смеси.

При разработке методики оценки газодинамических параметров струи газопорошковой смеси, истекающей в свободное пространство, и при решении задачи о силовом воздействия фронта факела газопорошковой струи на преграду использовано понятие скоростного напора:

Рс=^Ч2п, (1)

где рс - статическое давление (скоростной напор) газопорошковой смеси, оказываемое на неподвижную площадку, расположенную по нормали к потоку; рэф - плотность единицы объема смеси непосредственно перед встречей фронта

струи с преградой; увп - скорость фронта струи непосредственно перед встречей потока с преградой.

Следует принять во внимание, что воздействие факела на преграду происходит в виде первичного динамического воздействия и вычисляется по зависимости:

Рд = кдРс' (2)

где рд - динамическое давление на площадку; кд - коэффициент динамичности.

Динамическое давление на преграду измерялось при помощи динамометрических (пружинных) датчиков давления, встроенных в площадку, расположенную по нормали к оси потока. Суммарная погрешность датчика давления не превышает 5 %.

Измеряя динамическое давление и скорость встречи фронта факела с препятствием, из уравнения (1) с учетом связи (2) определялась плотность газопорошковой смеси во фронте факела:

Рэф = ЙЬ (3)

Для оценки величины коэффициента динамичности использовано решение дифференциального уравнения движения массы чувствительного элемента на пружине, в предположении воздействия фронта газопорошковой струи на чувствительный элемент датчика в виде действия некоторой произвольной нагрузки Р(1:):

5(0 + со 2 <5(0 = Р(£)/т , (4)

где 8 — перемещение чувствительного элемента датчика (торца пружины); со = д/с/т — круговая частота колебаний чувствительного элемента; с -жесткость системы (пружины); т - масса ударяемого тела.

Полагая, что воздействие факела на пластину чувствительного элемента моделируется силой Р(0, которая в течение некоторого малого промежутка времени линейно нарастает до своего максимального значения, затем остается постоянной и далее линейно уменьшается до нуля, из решения уравнения (4) получена максимальная оценка для коэффициента динамичности: к™ах = 2.

В таблице 3 и на рисунке 4а представлены экспериментально-теоретические данные об изменении плотности фронта газопорошковой струи при ее движении

в пространстве, на рисунке 46 - давление фронта на неподвижную преграду в зависимости от расстояния насадка аппарата до преграды.

Таблица 3 - Газодинамические параметры фронта газопорошковой струи при ее

движении в пространстве (давление вскрытия насадка Рр = 1,8 МПа)

t, С 0,04 0,05 0,06 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Н, м 1,3 1,7 2,1 4,1 7,7 10,3 11,8 12,9 13,7 14,4

vBn, м/с 40,0 44,0 42,6 40,0 31,9 20,1 12,4 8,9 6,9 5,1

Рд, МПа 0,45 0,39 0,28 0,16 0,075 0,027 0,009 0,003 0,002 0,001

Рзф, КГ/м3 28,3 20,2 15,6 9,8 7,4 6,6 5,7 4,4 3,6 2,7

На рисунке 4в показана диаграмма опасности прямого воздействия фронта факела газопорошковой струи на человека, пересчитанная из рисунка 56 для давления вскрытия насадка 1,8 МПа. Уровни опасности воздействия фронта ударной волны на человека заимствованы из исследований A.A. Мясникова, С.П. Старкова и В.И. Чикунова.

Рисунок 4 - Изменение плотности (а), давления (6), (в) во фронте газопорошковой смеси при встрече с препятствием в зависимости от расстояния до среза насадка Н

Четвертая глава посвящена разработкам моделей нестационарного истечения газопорошковой смеси через отверстия и насадки.

Первая модель построена с использованием аналогии капельная жидкость-псевдожидкость, что позволяет использовать методы технической гидромеханики для решения задач о потоке газопорошковой смеси через отверстия или насадки при изотермических условиях истечения.

Модель истечения получена из уравнения Бернулли в виде соотношения, связывающего давление в корпусе Ро С^) с объемным расходом Ggp газопорошковой смеси через сопло или отверстие, модифицированное на случай нестационарного процесса истечения:

где p.(t) - коэффициент расхода; со - площадь входного сечения насадка или отверстия; Рат - атмосферное давление; p^(t) - эффективная плотность газопорошковой смеси (ГПС); t — текущее время.

Эффективная плотность ГПС в корпусе рассчитывалась из выражения:

_ mp(t)+m g(t) __ mgp(t) ЭФ J Wp(t)+w g(t) Wp(t)+ W g(t) ' >

где Wp, Wg - объем частиц порошка й газа соответственно; тр, mg - масса частиц порошка и масса газа в объеме смеси соответственно.

Для нахождения давления в корпусе в некоторый промежуточный момент времени получено следующее дифференциальное уравнение:

dP0(t) _ P0(t) Gp(t) Gg(t)RgTg dt Wg(t)" Pp Wg(t) ' >

где Gp, Gg - массовый расход частиц порошка и газа соответственно; рр - плотность частиц порошка.

Для того чтобы система уравнений (5)-(7) имела замкнутый вид, устанавливается доля частиц порошка sK(t) в объеме ГПС:

sK(t) = Wp(t) • (8)

KV ' wp(t)+w g(t)

Вторая модель истечения газопорошковой смеси из коротких насадков или отверстий базируется на исследованиях Дж. Клигеля, Дж. Рудингера, Р. Хогланда, С. Соо, И. Стокеля и других ученых, которым в предположении об изотермичности процесса стационарного истечения двухфазного потока через сопла и о постоянстве значения коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа, удалось основную систему уравнений свести к алгебраическим соотношениям, учитывающим высокое содержание твердых частиц в газовой фазе.

Коэффициент запаздывания скорости частиц от скорости газа определяется отношением скорости частиц к скорости газа Vg в любом сечении сопла:

Кр=^ = р.г1(1-Ек)Рк/Ек; (9)

где Рк - давление в корпусе; ек - объёмная доля частиц в корпусе; р - отношение плотностей газа и порошка; ц - отношение массовых расходов частиц и газа.

Относительное

давление в сжатом сечении Рсж — Рсж / Рк определяется из решения трансцендентного уравнения

2.1n(pcJ+i-^.pcJ +4.^.рсж=т(1 + п-Кр)-У0-1 + -^-, (10)

\'~6к ) 1 ек 1 Ек

Объёмная доля частиц в сжатом сечении сопла определяется из выражения

Р-Л-Рсж (11)

Кр+Р-П-Рсж 13

Скорость газа в сжатом сечении сопла Уьсж вычисляется из соотношения

1 И (12) &СЖ 1"£сж >11+Г|-Кр)'

где у — показатель адиабаты.

Из уравнения состояния газа для изотермического течения определяется плотность газа в сжатом сечении:

Рсж ПЗ")

Тогда секундный массовый расход газа через сопло можно определить из соотношения

Се=(1-еСж)-Рсж-\сж"<:йсж' О4)

где Юсж _ площадь сжатого сечения соплового насадка, а расход частиц как

Ор =£сжРр'Ур,сж,(0сж. (15)

где Ур,сж = Уьеж.Кр - скорость частиц порошка в сжатом сечении.

При решении нестационарной задачи истечения для нахождения давления в корпусе аппарата в следующий момент времени приведенная система уравнений дополняется следующими дифференциальными уравнениями:

= = ^ (16) А % Рр 8 ' Л Рр "

Для первой и второй модели по приведенным алгоритмам разработаны ЭВМ-программы на алгоритмическом языке «Турбо Паскаль». Системы уравнений интегрировались с использованием формулы Симпсона.

При расчёте параметров потока задавался шаг интегрирования по времени А£=0,001 с. Относительная погрешность между двумя расчетами при Д1?=0,001 с и Л1=0,0005 с составляла 8<0,1 % по обеим моделям.

Точность моделирования параметров потока и состояния газопорошковой смеси в корпусе оценивалась путем сопоставления расчетов изменения давления в корпусе во времени Рэ(0= полученноного из экспериментов и по результатам расчетов давления РР{Ь) , с использованием зависимости:

■ 100 %, (17)

8 =

¡^рчт t

Экспериментальные данные по изменению давления в корпусе получены с использованием тензометрического датчика давления РЗМ комплекса «АРМ -ЛУЧ», аттестованного Госстандартом с суммарной погрешностью измерений, не

превышающей 1,0 %.

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных для турбулентного истечения газопорошковой смеси через отверстие для значения коэффициента расхода, соответствующего коэффициенту расхода для капельной жидкости рОО = 0,62, показали отклонение расчетных данных от экспериментальных на величину 3 > 21,9 %.

В результате численных исследований установлено, что доля твердых частиц в нестационарном потоке смеси влияет на величину коэффициента расхода и не является величиной постоянной.

При этом получено, что изменения коэффициента расхода, в зависимости от объемной доли порошка, описывается следующими зависимостями

если ек(Х)> £К*/И0Д(Х) = к ■ ек(0 + п иначе ц = 0,62, (18)

где параметры кип- эмпирические коэффициенты; ек* _ минимальное значение объемной доли частиц, при котором коэффициент расхода не зависит от доли частиц в потоке.

Расчеты спада давления в корпусе с использованием диаграммы (18) и критерия (17) показали, что при условии ек 0,15 отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет величину 8 = 4,1 %.

По второй модели, в результате численных исследований установлено, что доля твердых частиц в нестационарном потоке газопорошковой смеси влияет на величину коэффициента скорости Кр, который становится зависящим от объемной доли частиц в газопорошковой смеси и не является величиной постоянной, как это принято при стационарном истечении.

При этом изменение коэффициента скорости при истечении смеси поставлено в зависимость от объемной доли частиц порошка Ек (по аналогии с изменением коэффициента расхода, см. зависимости (18)):

если £к (С) > ек * то = к • ек (0 + п иначеКр($ = 1, (19)

где бк - пороговое значение доли частиц в объеме смеси, влияющее на коэффициент скорости.

Численными экспериментами установлено, что влияние наличия твердых частиц в потоке практически не наблюдается, когда доля частиц в объеме газопорошковой смеси становится менее ек* < 0,15. При этом скорость частиц приближается к скорости газа.

Для рациональных значений коэффициентов кип при ек *= 0,15 и выполнении требования 8 -» 8 т1п относительная погрешность расчета и эксперимента не превышала величины 8 = 4,5 %.

Расхождение результатов расчетов изменения доли частиц в корпусе при истечении газопорошковой смеси по первой и второй моделям не превышает 1,3%.Интегральная погрешность результатов расчетов изменений массовых расходов по первой и второй моделям не превосходит 8 = 5,0 %. В начале истечения эта погрешность менее 1 %.Вместе с тем имеются существенные различия в прогнозе газодинамических параметров между первой и второй моделями, заключающиеся в оценках объемных расходов и скорости истечения газовой фазы. Эти различия являются следствием исходных предпосылок о характере истечения газопорошковых смесей через насадки. В модели псевдожидкости предполагаются истечения частичек и газа с равными

скоростями, в модели двухфазного истечения постулируется запаздывание скорости частиц от скорости газа.

На рисунке 5 и рисунке 6 представлены результаты расчетов параметров газопорошковой смеси в корпусе и при истечении смеси через отверстие. £|р

,2 0.25 О.З

ООП 0.1 0.15 0.3 0^5 ОД 0:35

----расчет по первой модели; ----доля частиц;

-----расчет по второй модели; -коэффициент

-эксперимент; скорости

б) в)

Рисунок 5 - Изменение доли частиц (а), давления в корпусе (б) и коэффициента скорости (в) при истечении газопорошковой смеси через отверстие

— расчет по первой модели; ---расчет по второй модели;

а)

«грчЩМ:

; [м | | | | '^^^я^пгг-^ .....7Ш УШьЯ*

о.об

0.05 004

аоэ 002

\-......!.............

|

Л Щ

\ «а... • Щ

зе : -V!

0.0? 0.1 0.15 0.2 <Г£5 03 0.35

.................расчет по первой модели; ---расчет по второй модели

а) б)

Рисунок 6 - Изменение массовых расходов частиц (а) и газа (б) через насадок при истечении газопорошковой смеси для Р0 = 1,8 кг/с

Таким образом, метод расчета параметров потока с использованием аналогии капельная жидкость-псевдожидкость и метод, основанный на предположении о запаздывании скорости частиц от скорости газа, могут быть использованы для прогноза параметров газопорошковой смеси в корпусе и при ее истечении из насадков при условии замены постоянного значения коэффициента расхода и постоянного значения коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа значениями, поставленными в зависимость от доли частиц в потоке.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика экспериментально-теоретической оценки однородности газопорошковой смеси при использовании газов в качестве ожижающих агентов, вдуваемых в корпус аппарата через аэраторные устройства.

В качестве критерия однородности смеси принята величина остатка массы порошка в корпусе после импульсного истечения газопорошковой смеси через насадок. Эффективность работы аппарата предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния. При значениях 0 < Ко < 1 газопорошковая смесь близка к однородной смеси; при Ко < 0 ожижение не однородное; при Ко = 1 газопорошковая смесь находится в свободном дисперсном состоянии.

2. Показано, что при конструировании аппаратов для эффективного ожижения порошков конструкцию аэраторов следует подбирать с учетом физических свойств ожижаемого агента. Если вместо углекислого газа как газа индикаторного, приводящего смесь к однородному состоянию, при прочих равных условиях в качестве ожижающих агентов использовать такие газы, как аргон, воздух, азот либо любой другой газ, для которых произведение плотности на индивидуальную газовую постоянную находятся в пределах 36< р • Ш <37, можно ожидать ожижение порошка в корпусе, близкое к однородному.

3. Экспериментально установлено, что при использовании аппаратов с ниппельными аэраторами при исходной порозности порошка 0,46-0,5 однородное ожижение порошка в корпусе достигается при расходе газа через аэраторы не менее чем 1,0 л/с и не более чем 10,0 л/с.

4. Установлено, что истечение газопорошковой смеси из коротких насадков в начальные моменты времени является нестабилизированным и нестационарным. Процесс стабилизации истечения имеет протяженность во времени, не превышающую 0,06 секунд. При этом критерием стабилизации потока служит угол между осью струи и внешней границей факела, изменяющийся от 80° до (9 - 11)° для стабилизированного потока.

5. Истечение газопорошковой смеси за счет сопротивления воздуха сопровождается вторичными процессами аэрации факела с высокоградиентным понижением плотности смеси более чем на порядок на расстояниях до 2,5 м от среза сопла. При этом для высоконапорного истечения смеси из корпуса (давление вскрытия более 1,2 МПа) сосредоточенное воздействие фронта факела может травмировать человека и привести к разрушению оборудования на расстояниях до 10 метров от среза сопла.

6. Разработаны и обоснованы методы численных расчетов газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители, базирующиеся на аналогии капельной жидкости и псевдожидкости, а также на условии запаздывания скорости частиц порошка от скорости газа, позволяющие оперативно в интерактивном режиме работы с терминала ЭВМ рассчитать с точностью до 10-15 % основные параметры процесса истечения смеси из корпуса в импульсном режиме.

7. Установлено, что наличие твердых частиц в газовой фазе влияет на параметры истечения газопорошковой смеси из корпуса через короткие насадки, когда доля частиц составляет более 15 % от объема смеси. При этом показано, что коэффициент запаздывания скорости частиц от скорости газа и коэффициент расхода в моделях двухфазного нестационарного истечения газопорошковой смеси - величины переменные при снижении доли частиц в смеси до 15 %. При доле частиц менее 15 % модели истечения газопорошковой смеси совпадают с моделями истечения капельной жидкости.

8. Методы расчета параметров нестационарного истечения двухфазных потоков с высоким содержанием частиц и результаты экспериментальных исследований процессов истечения газопорошковых смесей из насадков и отверстий использованы при проектировании конструктивных элементов модулей порошкового пожаротушения, а также для обоснования рациональных вариантов пространственно-планировочных расположений модулей в защищаемом пространстве опасных производств.

Основные результаты опубликованы в работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Кулявцев, Е.Я. Моделирование газодинамических процессов при срабатывании модуля порошкового пожаротушения с использованием аналогии капельная жидкость-псевдожидкость/ Е.Я. Кулявцев, В.Г. Казанцев, Р.И. Куимов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности.

- 2012. -№ 3. — С. 74-83.

2. Кулявцев, Е.Я. Некоторые . особенности применения модулей порошкового пожаротушения / В.Г. Казанцев, Е.Я. Кулявцев, А.Г. Овчаренко, Е.А. Петров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 1. - С. 74—83.

3. Кулявцев, Е.Я. Системы взрывозащиты газоотводящей сети высокой пропускной способности / В.Г. Казанцев, С.С. Золотых, М.К. Дурнин, В.В. Тормозов, Р.И. Куимов, Е.Я. Кулявцев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). - 2009. - T. 12, № 12. - C. 380396.

4. Кулявцев, Е.Я. Компьютерное моделирование системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения/ С.А. Лисаков, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин, Е.Я. Кулявцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности.

- 2012.-№3.-С. 94-97.

Статьи в сборниках трудов, материалах международных и всероссийских

конференций:

5. Кулявцев, Е.Я. Системы взрывозащиты газоотводящей сети высокой пропускной способности / В.Г. Казанцев, С.С. Золотых, М.К. Дурнин,

В.В. Тормозов, Р.И Куимов, Е.Я. Кулявцев // Материалы международной научно-практической конференции 2009 года «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов». - Новокузнецк: издательский центр СИБГИУ, 2009. - С. 274-284.

6. Кулявцев, Е.Я. Анализ конструктивных схем и особенности работы модулей порошкового пожаротушения / В.Г. Казанцев., ЕЛ. Кулявцев, М.К. Дурнин // Сборник научных статей. Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов». - 2011. - С. 291-296.

7. Терентьев, С.А. Проектирование оптической системы с цилиндрическими линзами пирометрического датчика определения координат очага возгорания / С.А. Терентьев, Е.В. Сыпин, Е.Я. Кулявцев, Р.И. Куимов, В.Г.Казанцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. - С. 126-132.

8. Сидоренко, А.И. Пирометрический датчик с оптическими затворами для определения двумерных координат очага взрыва / А.И. Сидоренко,

A.Н. Павлов, Е.В. Сыпин, Е.Я. Кулявцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 3. - С. 90-93.

9. Кулявцев, Е.Я. Выбор рациональных газодинамических параметров порошковых систем пожаротушения для эффективного подавления возгораний /

B.Г. Казанцев, Е.Я Кулявцев // Всероссийская научно-техническая конференция «Успехи в специальной химии и химической технологии», посвященная 75-летию Инженерного химико-технологического факультета РХТУ им. Д.И. Менделеева - 2010. - С. 77-81.

Патенты:

10. Датчик ударной волны: пат. № 2472553 Российская Федерация: МПК А62С 37/00 Казанцев В.Г., Золотых С.С., Сутормин Д.А., Золотых М.С., Кулявцев Е.Я.; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Система промышленной безопасности». - 2011102379/12; заявл. 21.01.2011; опубл. 20.01.2013, Бюл.№2 - Юс.

11. Мортира пылеметная газодинамическая: пат. №2457333 Российская Федерация: МПК E21F 5/14 Казанцев В.Г., Золотых С.С., Куимов Р.И., Золотых М.С., Кулявцев Е.Я., Дурнин М.К.; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Система промышленной безопасности». - 2011102377/12; - Заявл. 21.01.2011; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21 - Юс.

Подписано в печать 22 .05.2013 г. Печать - ризография. Заказ 2013 - .5.5 Объем 1,19 п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический

университет им. И.И. Ползунова»

На правах рукописи

04201360566

Кулявцев Евгений Яковлевич

Повышение эффективности процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей через насадки

в импульсном режиме

Специальность: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, старший научный сотрудник В.Г. Казанцев

Бийск — 2013

Содержание

Введение...................................................................................... 4

1. Научные принципы и методология процессов подготовки

и нестационарного истечения псевдоожиженных порошков через отверстия и насадки................................................................................... 12

1.1 Виды сыпучих материалов и способы их подготовки

к транспортировке......................................................................... 12

1.2 Особенности ожижения грубодисперсных сыпучих порошков............ 15

1.3 Особенности движения газопорошковых смесей через сопловые насадки

и отверстия................................................................................... 18

1.3.1 Модель движения псевдоожиженных сред.................................... 18

1.3.2 Модель движения двухкомпонентных смесей................................ 20

1.4 Направления работ по улучшению способов подготовки и истечения

свободнодисперсных порошков. Выбор направлений исследований............ 23

Выводы по главе............................................................................ 25

2. Экспериментальные исследования процессов ожижения

и истечения свободнодисперсных порошков через цилиндрические насадки в импульсном режиме...................................................................... 28

2.1 Объект исследования, аппаратурное и технологическое обеспечение экспериментов 28

2.2 Исследование закономерностей газодинамических процессов в корпусе при ожижении порошка и импульсном вскрытии клапана насадка............. 35

2.3 Исследование газодинамических параметров свободной струи

при нестационарном истечении газопорошковой смеси из насадков........... 50

Выводы по главе............................................................................ 56

3. Экспериментальная оценка параметров факела газопорошковой струи

при ее движении в пространстве..............................................................................................58

3.1 Анализ подходов к оценкам силового воздействия газопорошковой

струи на твердые преграды.............................................................. 58

3.2 Оценка ударного динамического воздействия факела газопорошковой смеси на преграду......................................................................... 60

3.3 Экспериментальная оценка плотности факела газопорошковой смеси.... 64 Выводы по главе........................................................................... 71

4. Моделирование газодинамических процессов нестационарного истечения 72

газопорошковой струи из корпуса через цилиндрические насадки и отверстия....................................................................................

4.1 Методика и алгоритм расчета истечения газопорошковой смеси

из корпуса по модели псевдожидкости................................................ 72

4.1.1 Стационарное истечение........................................................... 72

4.1.2 Нестационарное истечение........................................................ 77

4.2 Оценка точности алгоритма расчета истечения газопорошковой смеси

из корпуса по модели псевдожидкости. Корректировка модели.................. 82

4.3 Результаты численных исследований истечения газопорошковой смеси

из корпуса по модели псевдожидкости................................................ 89

4.4 Методика и алгоритм расчета нестационарного истечения двухкомпо-нентных газопорошковых смесей с высоким содержанием твердых частиц

в газовой фазе............................................................................... 98

4.4.1 Результаты численных исследований нестационарного истечения двухкомпонентных смесей с высоким содержанием твердых частиц в газовой фазе.............................................................................. 106

4.5 Обсуждение результатов численных исследований нестационарного истечения двухкомпонентных смесей с высоким содержанием твердых

частиц в газовой фазе и по модели псевдожидкости.............................. 109

Выводы по главе........................................................................... 114

Заключение.................................................................................. 116

Список использованных источников.................................................. 119

Приложение 1 Акты внедрения результатов работы 127

Приложение 2. Программа расчета газодинамических параметров нестационарного истечения газопорошковой смеси из корпуса по модели

псевдожидкости..............................................................................129

Приложение 3. Программа расчета газодинамических параметров нестационарного истечении газопорошковой смеси из корпуса по модели двухфазного истечения с учетом запаздывания частиц............................. 132

Введение

Актуальность работы. Развитие техники псевдоожиженного слоя и пневмотранспорта приобретает все большее значение в химической, нефтеперерабатывающей, горной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Как следствие, среди процессов химических технологий, протекающих в гетерогенных системах, особое значение приобретают процессы образования и получения газовых свободнодисперсных систем. Теоретическим аспектам процесса получения однородного псевдоожиженного слоя (псевдожидкости) крупнозернистых и порошковых смесей посвящены многочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов: Г.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, В.Б. Кваша, И.М. Разумова, A.B. Аэрова, И.Ф. Девидсона, Д. Харрисона и многих других ученых. Вместе с тем, на практике, для реализации процесса псевдоожижения применяется технологическая аппаратура различного типа, и, как правило, при конструировании таких аппаратов проблема оценки качества ожижения порошковых смесей оказывается теоретически затруднительной или невозможной. По-видимому, это связано с недостаточной изученностью всего комплекса явлений, которые могут иметь место в рабочей камере аппарата, в том числе из-за особенностей его конструктивных элементов. Таким образом, для организации процесса однородного псевдоожижения при доводке конструктивных элементов аппаратов возникает необходимость в разработке экспериментальных методов оценки качества псевдоожижения с учетом типа ожижающего агента.

Решение проблем псевдоожижения и пневмотранспорта связывается с необходимостью решения широкого ряда практических задач при разработках технологий импульсной поверхностной обработки различных поверхностей двухфазными псевдоожиженными смесями с целью их обезжиривания и удаления ржавчины, нанесения защитных полимерных покрытий, для факельного торкретирования огнеупорных поверхностей, для противопожарной

защиты и взрывозащиты химических объектов и опасных производств, выявляются и другие проблемы, требующие ускоренного научно-технического решения.

Несмотря на появление многочисленных вариантов конструкций аппаратов для псевдоожижения и пневмотранспорта, принципиальным и наиболее слабо исследованным вопросом до сих пор являются физические аспекты подготовки газопорошковой смеси, импульсное вытеснение частичек порошка сжатым газом через короткие насадки-распылители или отверстия, газодинамика и параметры газопорошковой струи при ее истечении, силовое воздействие факела распыления на преграды, другие проблемы, оказывающие первостепенное влияние на эффективность и качество работы аппаратов, связанных в единую цепочку физических и химико-технологических превращений.

Таким образом, задача теоретической и экспериментальной оценки рациональных режимов и условий подготовки и пневмотранспортировки газопорошковых смесей, определения основных рабочих характеристик аппарата путем моделирования основных газодинамических процессов истечения с использованием методов математической физики и экспериментальной техники является актуальной.

Исследования, результаты которых частично представлены в работе, выполнялись по контракту с Федеральным агентством по энергетике в рамках научно-исследовательской/опытно-конструкторской работы «Разработка комбинированных модулей пожаротушения на основе огнегасящих порошков и огнегасящей жидкости» (Государственный контракт № Ю6-ОПН-05п от 19 сентября 2005 г.).

Цель работы - разработка методики и анализ процессов ожижения и истечения порошков через насадки и отверстия в импульсном нестационарном режиме для повышения эффективности ожижения и транспортировки газопорошковых смесей.

Задачи исследований:

1. Разработать методику экспериментальной оценки однородности псевдоожиженного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей.

2. Разработать и обосновать метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия.

3. Провести анализ и установить влияние соотношения доли газовая фаза — частицы на изменение газодинамических параметров потока при истечении газопорошковой смеси из корпуса.

4. Установить параметры и воздействие струи на преграды при ее истечение в незатопленное пространство.

Объект и методы исследований. Объектом исследования являются газопорошковые смеси — процессы ожижения порошка и распыления газопорошковой струи через короткие насадки и отверстия; процессы, протекающие в гетерогенных системах при изменении параметров аэродисперсности - непрерывно изменяющемся соотношении доли частиц в газовой фазе.

В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного передового производственного опыта и научно-технических разработок; аналитические и численные методы математического моделирования на базе гидрогазодинамических флюидных потоков и псевдоожиженных веществ при их истечении через отверстие и сопла с использованием ЭВМ; лабораторные и натурные экспериментальные методы исследования особенностей проявления параметров смеси при ее истечении и взаимодействия факела распыления с преградами; автоматизированные экспериментальные комплексы натурного измерения газодинамических параметров при истечении порошка из корпуса по специально разработанным методикам.

Научная новизна.

1. Эффективность работы аппарата ожижения порошка предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния. При значениях 0 < Ко < 1 газопорошковая смесь близка к однородной смеси; при Ко < 0 ожижение не однородное; при Ко = 1 газопорошковая смесь находится в свободном дисперсном состоянии.

2. Установлено, что ожижение порошка газом, близкое к однородной смеси, достигается в корпусе при расходе ожижающего газа не менее чем 0,25 л/с и не более чем 2,4 л/с через ниппельный аэратор (Ко > 0).

3. Впервые установлен характер высокоградиентного изменения плотности факела газопорошковой струи в зависимости от расстояния фронта факела от среза насадка. Показано, что при истечении газопорошковой смеси происходит вторичный процесс аэрации факела, сопровождающийся снижением плотности смеси более чем на порядок на расстояниях до 2,5 м от его среза. При высоконапорных истечениях газопорошковой смеси (давление в корпусе ~ 1,2 МПа и более) сосредоточенное воздействие фронта факела может привести к повреждению оборудования и травмировать человека на расстояниях до 10 метров от среза сопла.

4. Впервые определены пределы изменения коэффициента расхода для нестационарного истечения газопорошковой смеси через отверстия и насадки и установлена взаимосвязь расходных характеристик насадка от доли частиц в газовой фазе. Установлено, что из-за местного сопротивления на входе в отверстие среднее значение коэффициента расхода газопорошковой смеси снижается до величины 0,41 по сравнению с истечением жидкости, где коэффициент расхода соответствует величине 0,62. Установлено, что до уровня доли частиц более 15 % в газовой фазе величина коэффициента расхода имеет функциональную зависимость от доли частиц в смеси.

5. Впервые при истечении через насадок газопорошковой смеси определено среднее значение коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа, равное 0,65. Установлено, что.до уровня доли частиц более 15 % в газовой фазе

величина коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа имеет функциональную зависимость от доли частиц в смеси.

Теоретическая значимость: заключается в разработке и обосновании численных методов и алгоритмов расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока через отверстия и короткие насадки-распылители в импульсном режиме.

Практическая значимость: заключается в дальнейшем совершенствовании и развитии химических технологий, включающих процессы подготовки газопорошковых смесей к транспортировке их нестационарного истечения через отверстия и насадки, и воздействия истекающих струй на преграды за счет:

1. Разработки рекомендаций и критериев использования различных ожижающих агентов для рационального псевдоожижения порошков. При этом эффективность работы аппарата ожижения порошка предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния.

2. Установления закономерности изменения газодинамических параметров свободнодисперсных систем при их импульсном нестационарном истечении через насадки.

3. Разработанные варианты аппаратов порошкового пожаротушения с импульсным нестационарным истечением газопорошковой смеси и технологические рекомендации по расположению аппаратов порошкового пожаротушения в защищаемом пространстве использованы на шахте «Чертинская-Коксовая» ОАО «Белой» при противопожарной защите узла подготовки горячего воздуха для регулирования климата в шахте, сверхкатегорийной по пыли и газу; на обогатительной фабрике «Анжерская» для противопожарной защиты участка обогащения угля.

4. Результаты работы использованы при разработке устройств пожаротушения и взрывоподавления на опасных производствах (угольные шахты). За участие в выполнении этой работы и большой личный вклад в развитие науки и техники автору присуждена премия Алтайского края в 2011 г.

Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается использованием современных инструментальных методов анализа с применением сертифицированных методик и оборудования, высоким уровнем объективности результатов прогноза информативных параметров ожижения и истечения порошков, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методам, методикам и алгоритмам с данными прямых натурных экспериментов.

Личный вклад автора: анализ проблемы подготовки и истечении газопорошковых смесей по данным литературных источников отечественных и зарубежных авторов, разработка методик измерения информативных параметров процессов ожижении порошков и нестационарного истечения газопорошковых смесей, выбор исследовательского и производственного оборудования для экспериментов, участие в проведении экспериментальных исследований, анализ и интерпретации полученных данных, разработка методов моделирования процессов нестационарного истечения смесей из насадков и отверстий, разработка соответствующих алгоритмов и программ для ЭВМ, подготовка публикаций по выполненной работе.

Положения, выносимые на защиту:

1) Методика экспериментальной оценки однородности псевдоожи-женного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей; рекомендации и критерий использования различных ожижающих агентов-газов для рационального псевдоожижения порошков.

2) Метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия, базирующийся на гидродинамической аналогии жидкость-псевдожидкость при условии зависимости коэффициента расхода от доли частиц в смеси.

3) Метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-

распылители и отверстия, базирующийся на условии запаздывания скорости частиц от скорости газа в зависимости от доли частиц в смеси.

4) Силовое воздействие струи на преграды имеет функциональную зависимость от скорости истечения смеси, плотности смеси во фронте факела и расстояния от среза насадка до преграды.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы обсуждались в рамках проекта «Разработка устройства подавления взрывного горения смеси углеводородов и пыли с во