автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка методов расчета вихревого аппарата для тепло- и массообменных процессов

На правах рукописи

РГй ОД

Паршин Олег Анатольевич

; ^ дек <' '

УДК 621.928.95

Разработка методов расчета вихревого аппарата для тепло— и массообменных процессов

Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

г

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете

имени А.Н. Косыгина

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Гудим Леонид Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Артамонов Николай Алексеевич кандидат технических наук, доцент Гончаров Владимир Сергеевич

Ведущая организация: ЗАО «НЛП Промконверсия»

Защита состоится « 2-9» 2000 г. в /У часов на заседании дис-

сертационного совета Д 053.25.02 в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 117918, Москва, Малая Калужская улица, дом 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. А.Н. Косыгина

Автореферат разослан & 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Козлов А.Б.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Возможность применение вихревых аппаратов для проведения тепло- и массообменных процессов обусловлена тем, что вихревые аппараты обладают управляемой в широких пределах активной гидродинамической характеристикой и структурой течения в рабочей камере. Локальные и интегральные свойства встречных закрученных потоков в вихревом аппарате (ВА) чрезвычайно многообразны. Варьируя совокупность его режимных и конструктивных параметров, можно управлять структурой и характером течения в нем, подбирать эффективные и благоприятные условия не только для процесса разделения фаз, но и для их взаимодействия. Например, в одном и том же аппарате возможна либо кратковременная обработка дисперсного материала с одновременным высокоэффективным улавливанием, либо длительная обработка со значительным временем пребывания материала в ВА.

Настоящая диссертационная работа направлена на исследование влияния режимных и конструктивных параметров ВА на структуру двухфазных потоков в нем, их основных характеристик, имеющих важнейшее значение для реализации того или иного тепло- и массо-обменного процесса с одновременным улавливанием дисперсной фазы. В работе предлагается методика гидравлического расчета ВА для тепло- и массообменных процессов, которая может способствовать созданию новых, высокоэффективных образцов вихревых аппаратов для тепло- и массообменных процессов.

Цель и задачи работы.

Исследование ВА с закрученными потоками с целью определения удерживающей способности, функции распределения времени пребывания, эффективности улавливания в режиме взвешенного закрученного кольцевого слоя (ВЗКС) дисперсного материала; расчет основных узлов ВА; разработка метода расчета вихревых аппаратов, предназначенных для тепло- и массообменных процессов; создание методики гидравлического расчета ВА для тепло- и массообменного процесса.

Достижение поставленной цели связано с необходимостью решения ряда задач, главными из которых являются:

— анализ научных работ, посвященных исследованию режим-но-конструктивных параметров ВА, методов их расчета, и обоснование необходимости их усовершенствования;

— теоретическое и экспериментальное исследование зависимости технических параметров ВА (расход газа, удерживающая способность, потеря давления, эффективность улавливания дисперсного материала) от режимно-конструктивных параметров (кратность расхода, расход материала и его концентрация, диаметр и высота аппарата, конструкция и основные размеры завихрителей).

— разработка замкнутой математической модели, связывающей технические параметры ВА с его режимными и конструктивными параметрами;

— разработка алгоритмов и программ расчета на ЭВМ вихревого аппарата для тепло- и массообменного процесса.

Научная новизна работы.

Исследована теоретически и экспериментально удерживающая способность дисперсного материала в ВЗКС. Установлена ее зависимость от основных параметров (плотность материала, плотность газа, средняя скорость, диаметр сепарационной камеры, геометрические параметры завихрителей и др.).

Разработана специальная новая методика получения Р-кривой отклика и исследована функция распределения времени пребывания материала в ВА, структура потоков в ВЗКС описана ячеечной моделью с числом ячеек 4: Исследована теоретически и экспериментально удерживающая способность дисперсного материала в ВЗКС.

Установлена зависимость между фракционной эффективностью улавливания ВА и его коэффициентом гидравлического сопротивления при наличие ВЗКС дисперсного материала.

Разработана новая методика гидравлического расчета и программа расчета вихревого аппарата, предназначенного для проведения тепло- и массообменных процессов.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности.

Получены инженерные формулы для расчета ВА предназначенного для тепло- и массообменного процесса.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками для организации в них тепло- и массообменных процессов (сушки, термообработки, грануляции, и др.).

Разработанные методики и программы выбора и расчета вихревого аппарата дают основу для расширенного их применения в химической, текстильной и других отраслях промышленности.

Методики и программы расчета ВА, разработанные в диссертации, используются в учебном процессе и научной работе кафедры ПАХТ и БЖД МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе обусловлена:

Достаточно глубоким анализом работ, опубликованных по исследуемой проблеме, применением корректных теоретических предпосылок и математических методов обработки аналитических и экспериментальных исследований, использованием современного оборудования и приборов для проведения экспериментов (фотоседи-ментограф «Анализетте-20» фирмы Fritsch, персональный компьютер класса Pentium-II и планшетный сканер UMAX), а также соответствием результатов теоретических разработок и экспериментальных данных. Применением современного математического аппарата в теоретической части работы и при разработке алгоритмов и программ расчета (пакеты прикладных программ Adobe PhotoShop 5.5 и MathCAD 8.0).

Апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-98", "МКХТ-99" (Москва, 1998, 1999), на ежегодной научно-технической конференции МГТА (Москва, 1999 г), четвертом международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 2000 г.), межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2000 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 77 наименований и приложений. Общий объем диссертации 116 страниц, в том числе 105 страниц основного текста, 5 таблиц, 15 рисунков, 6 страниц приложений.

Содержание диссертационной работы

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы. Определены цель исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе анализируются результаты исследований по теме диссертации, опубликованные в научной литературе. Рассмотрены особенности аэродинамики вихревых аппаратов, известные методы ее описания. Рассмотрены вопросы применения В А в качестве пылеулавливающих и тепломассообменных аппаратов. На этой основе формулируются задачи диссертационной работы.

Во второй главе сделано аналитическое исследование структуры потоков и ВЗКС дисперсного материала в ВА.

В ВА при определенных сочетаниях относительного параметра крутки Ф=Ф,/Ф2 и кратности расхода к = 02/<3 могут быть получены разные типы течения. На рисунке 1 экспериментальные кривые 1 и 2 определяют область существования этих течений.

Рисунок 1. Зависимость относительного параметра крутки Ф от кратности расхода к.

В работе установлено, что благоприятная область для проведения тепло- и массообменных процессов располагается между этими кривыми и отвечает условию 4,536 + 7,978к* <Ф <1,277 + 7,98- к*.

В этой области существует режим ВЗКС дисперсного материала, позволяющий во много раз увеличить время пребывания материала в аппарате, по сравнению с областью эффективного пылеулавливания, которая располагается правее кривой 2.

Далее в главе исследуются основные технические параметры ВА, работающего в области ВЗКС дисперсного материала. Одним из важных параметров является удерживающая способность ВЗКС дисперсного материала. Из теоретического анализа причин возникновения ВЗКС материала и влияния на его поведение и удерживающую способность отдельных режимно-конструктивных параметров ВА было установлено, что она в общем виде представляет собой следующую зависимость:

С = /(о ,Ч,а>,р,ри) (1)

где Б — диаметр сепарационной камеры вихревого аппарата; V/ — средняя осевая скорость; со — угловая скорость вращения газа; р — плотность газа; рм — плотность материала.

Данная зависимость была раскрыта с привлечением теории подобия и л-теоремы. Она имеет вид:

й = С • р- • V2 ■ [(1 - к)Ф, + кФ2 Г • Щ (2)

где Фь Ф2 — эффективные параметры крутки соответственно первого и второго потоков; к — кратность расхода газа.

Значения С, а и Ь были установлены из экспериментальных исследований на опытных моделях при различных значениях плотности, геометрических параметров крутки, кратности расхода и пр.

Для определения потери давления в области существования ВЗКС установлена теоретическая зависимость коэффициента гидравлического сопротивления £ от кратности расхода к:

где к* и — кратность расхода и коэффициент гидравлического сопротивления на границе области существования ВЗКС и эффективного пылеулавливания.

Значения к^ и зависят от предельных значений коэффициентов гидравлического сопротивления §1» аппарата, при подаче ма-

териала только по первому или только по второму каналу:

Исследованиями, выполненными на кафедре ПАХТ МГТУ им. А.Н. Косыгина доказано, фракционная эффективность вихревых аппаратов, работающих в режиме эффективного пылеулавливания, соответствует логнормальному закону. Поэтому эффективность улавливания дисперсных материалов с логнормальным дисперсным составом в этом режиме рассчитывают по уравнению

П = Ф(х) = -у=— (4)

где х - ; 8п=5о — размер частиц, улавливаемых на 50%;

^2о + 182оп

^ст,, — стандартное отклонение кривой фракционной эффективности; §5о и ст — параметры дисперсного состава.

В области ВЗКС, где происходит слияние встречных закрученных потоков, возникает усиленный радиальный сток газа, выносящий частицы в приосевой восходящий поток. Очевидно, что эти эффекты должны приводить к изменению в сторону ухудшения эффективности улавливания частиц вихревым аппаратом, что потребовало специальных экспериментальных исследований.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования вихревого аппарата.

Эксперименты проводились на аппарате с диаметром рабочей камеры 100 мм. В качестве испытуемого материала использовалась кварцевая пыль с различными параметрами.

Схема экспериментального стенда представлена на рисунке 2. Она включает в себя модель испытуемого вихревого аппарата (1) с первичным и вторичным патрубками, систему воздуховодов, вентилятор и контрольно-измерительные приборы. Вихревой аппарат работал под разрежением. Регулирование общего расхода воздуха и его кратности осуществлялось заслонками. С целью проведения визуальных наблюдений процесса и проведения исследований техническими средствами (в том числе фото и видеосъемкой) рабочая камера вихревого аппарата выполнена из прозрачного материала (оргстекла).

Рисунок 2. Схема экспериментального стенда: 1 — воздуховод; 2 — аппарат ВЗП-100; 3 — узел пылеприготовления; 4, 5, б, 7, 15, 17 — микроманометр и-образный; 8 — микроманометр с наклонной шкалой ММН; 9 — датчик статического и динамического напоров; 10 •— трубка про-боотборная; 11 — патрон фильтровальный; 12 — диафрагма; 13 — реометр; 14 — вентиль регулировочный; 16 — эжектор; 18 — манометр; 19 — барометр-анероид; 20 — психрометр; 21 — двухсекционный бункер.

Дисперсный состав исследуемого материала определялся с использованием сканирующего фотоседиментографа «Анализетте-2О» фирмы РгизсЬ.

Экспериментально исследовались удерживающая способность, функция распределения времени пребывания, гидравлическое сопротивление, эффективность улавливания дисперсного материала в зависимости от режимных и конструктивных параметров вихревого аппарата.

Результаты исследования удерживающей способности подтвердили возможность ее достаточно точного определения по уравнению (2). По экспериментальным данным это уравнение имеет следующий вид:

G = 1,21 • 10~4 • р ■ W2 ■ D2-[(l - к)Ф, + кФ2 Р"

(5)

Функция распределения времени пребывания материала в ВА исследовалась путем анализа F-кривых отклика на ступенчатый сигнал. В качестве ступенчатого сигнала использовался окрашенный кварц. Концентрация окрашенного кварца в общей массе в приемном бункере оценивалось при помощи сканирования фотографии прозрачного приемного бункера, с последующим анализом в прикладной программе Adobe PhotoShop 5.5. результат показан на рисунке 3.

л*

■щ

а)

Рисунок 3. Результат исследования функции распределения времени пребывания: а) фотография бункера с материалом; б) Б-кривая отклика.

Гч ,

Для описания структуры потоков была использована ячеечная модель. В результате обработки было получено, что ВЗКС соответствует четырем ячейкам идеального перемешивания.

Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от кратности расхода представлена на рисунке 4. В области к'<к<к^ существует ВЗКС. При переходе к* в нижней части камеры возникает кольцевой слой, £, начинает расти за счет увеличения потери давления на шибере вторичного потока. При к->к* ВЗКС поднимается вверх и при к = к* он исчезает, а практически весь дисперсный материал выносится через выхлопную трубу. Установлено также, что уравнение оЛУ2 .( 1—к V

ДР = £-— = У-- ¡-— соответствует экспериментальным данным.

2 I 1— ) 2

При исследовании эффективности улавливания было установлено, что она уменьшается при возникновении в вихревом аппарате ВЗКС материала при переходе кратности расхода в область к* <к<к,. Характерные экспериментальные данные показаны на рисунке 5. Эффективность улавливания в этой области с уменьшением кратности быстро снижается от значений, полученных для области эффективного улавливания к>к* до 0 при к = к*.

Для расчета эффективности улавливания дисперсного материала в области существования ВЗКС предложена формула

где х = —дЛЯ пересчета параметра бп=5о на рабочие условия со стандартных, принятых в энергетической характеристике ВА, используется формула 8 50 =

ар^УУГГр^

АР) \Ус) 1Рт-Мс

Четвертая глава посвящена усовершенствованию методов расчета и проектирования вихревых аппаратов предназначенных для проведения тепло- и массообменных процессов.

Расчет ВА для тепло- и массообменного процесса может быть выполнен по нижеследующей методике в два этапа. На первом этапе выполняется расчет для условий на границе смены типов течений, т.е. при к = к^. При этом из конструкционных и технологических условий выбирается тип завихрителей. Следует также учесть, что фактическая эффективность улавливания материала г| при рабочей

Рисунок 4. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления ВЗП-100 от кратности: 1 — область эффективного пылеулавливания; 2 — область ВЗКС.

80

Т0

55

^ ^ к

Рисунок 5. Результаты исследования зависимости эффективности улавливания кварцевой пыли 650=12 мкм и о=2,27 от кратности расхода к в аппаратах: 1. ВЗП-100; 2. ВЗП-200; 3. ВЗП-ЗООБ.

кратности к в режиме кольцевого взвешенного слоя будет примерно в половину меньше эффективности г|* при кратности к^, а фактическая потеря давления окажется выше. С учетом вышеизложенного можно записать систему уравнений для определения неизвестных параметров: в, к;, Фь Ф2, О, %2, ФгЬ Фг2, Н3,а3, 8л=5о,

х, н, а,.

С = д-тср (7)

4 / \2 / Х0.44

О = 1,2М0--р-[(1-к)Ф1+кФ2Г.^ -М (8)

Ф, =(1,277 + 7,98 ^ ^ (9)

• (ю)

к " О" 1

(11)

5,=/(фп.а,) (13)

5,=/а(Фг..З,) (14)

ФП=9»1(Ф1) (15)

Фп^Ю (16)

(П)

г|=50

(18)

СУ (19)

(20)

^82а + 182оп

(21)

Н = 20 (22)

с!, =0,50 (23)

В уравнениях (13)—(16) функции и ф; принимаются в зависимости от типа применяемых завихрителей. В уравнении (10) потерю давления следует на первом этапе принять несколько (процентов на 10) ниже допустимой.

На втором этапе расчет повторяется для рабочего значения кратности расхода к, которое принимается путем уменьшения полученного на первом этапе значения к^ на 0,05, что соответствует примерно середине диапазона между границами 1 и 2 на рисунке 1.

Расчетная система уравнений будет отличаться от предыдущей ((7)—(23)) тем, что в уравнениях (13) и (15) произойдет замена к* на к и на £ соответственно.

Система также дополнится уравнениями 1-к

(24)

- (25)

к;=к; -0,1 (26)

Таким образом данный расчет позволяет определить все основные режимные и конструктивные параметры вихревого аппарата. Конструктивные размеры завихрителей несложно рассчитать по их ФГ1 и ФГ2 и известным методикам.

Данный расчет можно повторять, меняя исходные данные по г| и АР, тип завихрителей, с целью разработки рациональной конструкции аппарата. С этой же целью можно переходить на групповую установку, уменьшая V и ч в N раз по числу N аппаратов в группе.

Поскольку предложенный расчет представляется достаточно трудоемким для его выполнения на ЭВМ разработана специальная программа.

Основные результаты и выводы

1. Исследована структура потоков в вихревом аппарате и область его режимных и конструктивных параметров, в которой существует ВЗКС.

2. Теоретически и экспериментально установлена зависимость удерживающей способности взвешенного закрученного слоя дисперсного материала от режимных и конструктивных параметров. Удерживающая способность оказывается достаточной для получения значительного времени пребывания материала в вихревом аппарате, при котором можно успешно реализовывать целый ряд технологических задач.

3. Разработана специальная методика получения F-кривых отклика с целью изучения функции распределения времени пребывания дисперсного материала в ВЗКС. Было установлено, что работа вихревого аппарата при таком режиме соответствует ячеечной модели с числом ячеек идеального перемешивания 4.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование эффективности улавливания вихревым аппаратом дисперсного материала в режиме взвешенного закрученного кольцевого слоя показало, что эффективность сильно зависит от кратности расхода и изменяется от максимально возможной (при режиме эффективного улавливания) до нуля (в конце области существования ВЗКС).

5. Изучено гидравлическое сопротивление вихревого аппарата работающего в режиме взвешенного закрученного слоя дисперсного материала. Получены теоретические зависимости для гидравлического сопротивления вихревого аппарата, подтвержденные экспериментально.

6. По результатам выполненных исследований разработана методика гидравлического расчета вихревого аппарата для тепло- и массообменных процессов. В предложенной методике можно рассчитать основные режимные (расход газа, кратность расхода, удерживающую способность, время пребывания, потери давления, эффективность улавливания) и конструктивные параметры (диаметр вихревого аппарата, диаметр выхлопной трубы, геометрические параметры завихрителей первичного и вторичного ввода, высоту вихревого аппарата). Для данной методики разработан алгоритм и программа расчета.

7. Разработанные методики и программы расчета В А используются в учебном процессе и научной работе кафедры ПАХТ и БЖД МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Список печатных работ по теме диссертации

1. Гудим Л.И., Паршин O.A. О расчете вихревого аппарата для тепло массообменных процессов. // Успехи в химии и химической технологии. Выпуск XIII Тез. докл. — М., 1999 — с. 49.

2. Гудим Л.И., Паршин O.A. // Потери давления в вихревом аппарате Успехи в химии и химической технологии. Выпуск XIII Тез. докл. — М., 1999 — с. 50.

3. Гудим Л.И., Марков В.В., Паршин O.A. Методика расчета элемента батарейного золоуловителя на базе аппарата ВЗП. // Техника и .технология экологически чистых производств. Международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов: Тез. докл. — М., 2000 — с. 34.

4. Гудим Л.И., Марков В.В., Паршин O.A. Режимно-конс-труктивная оптимизация элемента батарейного золоуловителя на базе вихревого аппарата. // Современные проблемы текстильной и легкой промышленности: Межвузовская научно-техническая конференция. — М.: РосЗИТЛП, 2000. — с. 27.

ЛР №020753 от 23.04.98

Подписано в печать 29.05.2000 Сдано в производство 29.05.2000 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 0,75 Заказ 282 Тираж 80

Электронный набор МГТУ, 117918, ул. Малая Калужская, 1

Основные условные обозначения

Введение

ГЛАВА I . Современный уровень теории и практики построения вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками.

1 . 1 Структура потоков.

1 . 2 Типы течений газа.

1.3 Поля скоростей и турбулентности

1.4 Методы расчета аэродинамики.

1.5 Применение вихревых аппаратов для проведения тепло- и массообменных процессов

ГЛАВА II. Аналитическое исследование структуры потоков и взвешенного закрученного кольцевого слоя дисперсного материала в вихревом аппарате

2 . 1 Зависимость относительного параметра крутки от кратности расхода

2 . 2 Зависимость потери давления от основных режимно-конструк-тивных параметров вихревого аппарата

2.3 Эффективность улавливания материала вихревого аппарата

2.4 Удерживающая способность вихревого аппарата

ГЛАВА III. Экспериментальное исследование вихревого аппарата со встречными закрученными потоками для тепло- и массообмен-ных процессов

3 . 1 Описание экспериментального стенда

3.2 Исследование удерживающей способности взвешенного закрученного кольцевого слоя материала

3.3 Исследование времени пребывания материала в вихревом аппарате

3.4 Коэффициент гидравлического сопротивления вихревого аппарата

3.5 Эффективность улавливания дисперсного материала в вихревом аппарате при различных типах течения

ГЛАВА IV. Методика расчета основных режимно-конструктивных параметров вихревого тепло- и массообменного аппарата

Первоначально вихревые аппараты со встречными закрученными потоками, работающие на принципе вымывания частиц материала из внутреннего, идущего вверх закрученного газового потока во внешний, идущий вниз закрученный поток, появились как тепломассообменники. Первые исследования на возможность проведения в вихревом аппарате (ВА) тепло- и массообменного процесса сделали Е. Шау-флер и X. Ценнек в ФРГ в 1963 году [1] . В нашей стране в МГТУ им. А.Н. Косыгина, МИХМе, ВНИПИЧЕО и других организациях проводились, в основном, исследования аппаратов со встречными закрученными потоками, направленные на создание высокоэффективных пылеуловителей. Наибольшие успехи были достигнуты в МГТУ им. А.Н. Косыгина, сотрудниками которого разработаны и внедрены в различные отрасли промышленности сотни вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками.

Одновременно в НИИХИММАШЕ и МГТУ им. А.Н. Косыгина под руководством академика, профессора B.C. Сажина проводились экспериментальные и теоретические исследования, направленные на создание вихревых аппаратов, способных совмещать высокоэффективное проведение тепло- и массообмен-ных процессов (грануляция, сушка, сепарация, сжигание и др.) с одновременным улавливанием дисперсной фазы.

Возможность применения вихревых аппаратов для проведения тепло- и массообменных процессов обусловлена тем, что вихревые аппараты обладают управляемой в широких пределах активной гидродинамической характеристикой и структурой течения в рабочей камере. Локальные и интегральные свойства встречных закрученных потоков в ВА чрезвычайно многообразны. Варьируя совокупность его режимных и конструктивных параметров, можно управлять структурой и характером течения в нем, подбирать эффективные и благоприятные условия не только для процесса разделения фаз, но и для их взаимодействия. Например, в одном и том же аппарате возможна либо кратковременная обработка дисперсного материала с одновременным высокоэффективным улавливанием, либо длительная обработка со значительным временем пребывания материала в аппарате.

Настоящая диссертационная работа направлена на исследование влияния режимных и конструктивных параметров ВА на структуру двухфазных потоков в нем, их основных характеристик, имеющих важнейшее значение для реализации того или иного тепло- и массообменного процесса с одновременным улавливанием дисперсной фазы. В работе предлагается методика гидравлического расчета ВА для проведения тепло- и массообменных процессов, которая может способствовать созданию новых, высокоэффективных образцов вихревых аппаратов для тепло- и массообменных процессов.

Исследования проводились в лаборатории кафедры ПАХТ МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Цель работы. Исследование вихревого аппарата со встречными закрученными потоками с целью определения удерживающей способности, функции распределения времени пребывания, эффективности улавливания в режиме взвешенного закрученного кольцевого слоя (ВЗКС) дисперсного материала; расчет основных узлов ВА и его рациональных схем; разработка метода расчета вихревых аппаратов, предназначенных для тепло- и массообменных процессов; создание методики гидравлического расчета ВА для тепло- и массообменного процесса.

Научная новизна. Исследована теоретически и экспериментально удерживающая способность дисперсного материала в ВЗКС. Установлена ее зависимость от основных параметров (плотность материала, плотность газа, средняя скорость, диаметр сепарационной камеры, геометрические параметры завихрителей и др.).

Разработана специальная новая методика получения Г-кривой отклика и исследована функция распределения времени пребывания материала в ВА, структура потоков в ВЗКС описана ячеечной моделью с числом ячеек 4. Исследована теоретически и экспериментально удерживающая способность дисперсного материала в ВЗКС.

Установлена зависимость между фракционной эффективностью улавливания ВА и его коэффициентом гидравлического сопротивления при наличие ВЗКС дисперсного материала.

Разработана новая методика гидравлического расчета и программа расчета вихревого аппарата, предназначенного для проведения тепло- и массо-обменных процессов.

Практическая ценность. Получены инженерные формулы для расчета ВА предназначенного для тепло- и массообменного процесса.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками для организации в них тепло- и массообменных процессов (сушки, термообработки, грануляции, и др.).

Разработанные методики и программы выбора и расчета вихревого аппарата дают основу для расширенного их применения в химической, текстильной и других отраслях промышленности.

Методики и программы расчета ВА, разработанные в диссертации, используются в учебном процессе и научной работе кафедры ПАХТ и БЖД МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложений. В первой главе проведен анализ литературных источников по проблеме применения вихревых аппаратов для тепло- и массообменных процессов, а также даны основные методы аэродинамического расчета ВА, приведены примеры применения вихревых аппаратов в качестве тепломасообменников.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследована структура потоков в вихревом аппарате и область его режимных и конструктивных параметров, в которой существует взвешенный закрученный кольцевой слой материала.

Теоретически и экспериментально установлена зависимость удерживающей способности взвешенного закрученного слоя дисперсного материала от режимных и конструктивных параметров. Удерживающая способность оказывается достаточной для получения значительного времени пребывания материала в вихревом аппарате, при котором можно успешно реализовывать целый ряд технологических задач.

Разработана специальная методика получения Е-кривых отклика с целью изучения функции распределения времени пребывания дисперсного материала в взвешенный закрученный кольцевой слой материала. Было установлено, что работа вихревого аппарата при таком режиме соответствует ячеечной модели с числом ячеек идеального перемешивания 4.

Теоретическое и экспериментальное исследование эффективности улавливания вихревым аппаратом дисперсного материала в режиме взвешенного закрученного кольцевого слоя показало, что эффективность сильно зависит от кратности расхода и изменяется от максимально возможной (при режиме эффективного улавливания) до нуля (в конце области существования взвешенный закрученный кольцевой слой материала).

Изучено гидравлическое сопротивление вихревого аппарата работающего в режиме взвешенного закрученного слоя дисперсного материала. Получены теоретические зависимости для гидравлического сопротивления вихревого аппарата, подтвержденные экспериментально.

По результатам выполненных исследований разработана методика гидравлического расчета вихревого аппарата для тепло- и массообменных процессов . В предложенной методике можно рассчитать основные режимные (расход газа, кратность расхода, удерживающую способность, время пребывания, потери давления, эффективность улавливания) и конструктивные параметры (диаметр вихревого аппарата, диаметр выхлопной трубы, геометрические параметры завихрителей первичного и вторичного ввода, высоту вихревого аппарата). Для данной методики разработан алгоритм и программа расчета .

Разработанные методики и программы расчета ВА используются в учебном процессе и научной работе кафедры ПАХТ и БЖД МГТУ им. А.Н. Косыгина.

1. Schauffler E., Oehlrich K.H., Schmidt K. // Staub. 1963. Bd. 23. № 4. S. 228-230.

2. Векуа Т.Ю. Исследование гидродинамики многофункциональных аппаратов со встречными закрученными потоками, канд. дисс. М. , 197 9.

3. Джохадзе З.И. Разработка аппарата со встречными закрученными потоками для осуществления адиабатического охлаждения воздуха, канд. дисс. М.: МТИ, 1983.

4. Земляков Н.В. Разработка аппарата для осуществления процесса грануляции пылевидных материалов во встречных закрученных потоках, канд. дисс. М.: МТИ, 1981.

5. Лукачевский Б.П. Исследование процесса сушки дисперсных тонкопористых материалов в аппаратах со встречными закрученными потоками, канд. дисс. М.: МТИ, 1978.

6. Попов И.А. Исследование гидродинамики в аппаратах со встречными закрученными потоками, предназначенными для сушки волокнообра-зующих материалов, канд. дисс. М., 1979.

7. Фокин И.Ф. Исследование процесса сушки и разработка рациональной конструкции аппаратов для сушки дисперсных материалов в закрученных потоках, канд. дисс. М.: МТИ, 1981.

8. Чувпило Е . А. Автореф. дис. к.т.н. Иваново, 1975. 24 с.

9. Серов Е.Ю. Повышение эффективности систем обеспыливания воздуха в производстве льняного волокна. Канд. дисс. М.: МТИ. 1988.

10. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Ярославль, 1971. 94 с.

11. Карпухович Д.Т. Высокоэффективный циклон СЦН-40. Информ. листок. Ярославский территориальный центр НТИ. 1985. 2 с.

12. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат. 1981. 296 с.

13. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1982. 312 с.

14. Банит Ф.И., Мальгин АД. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов. М.: Стройиздат, 1979. 352 с.

15. Биргер М.И. и др. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под ред. А.А. Русанова. М.: Энергоатомиздат, 1983. 312 с.

16. Русак О.Н., Милохов В.В. Борьба с пылью на деревообрабатывающих предприятиях. М.: Лесная промышленность, 1975. 152 с.

17. Оборудование, ремонт, техника безопасности и организация труда в очистительных цехах хлопкозаводов. Обзорн. информ. Уз-НИИНТИ, 1981. 88 с.

18. Штокман Е.А. Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности. М. : 1977. 304 с.

19. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. М.: Металлургия, 1977. 328 с.

20. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1985. № 4. с. 35 .

21. Падва В.Ю. // Водоснабжение и санитарная техника. 1968. № 4. с. 6-10.22. Пат. 1208163 ФРГ, 1953.

22. Сажин B.C., Гудим Л.И. Пылеуловители со встречными закрученными потоками. Обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ, 1982. Вып. 1. 4 7 с.

23. Klein Н. // Staub. 1963. Bd. 23. № 11. S. 501-509.

24. Янков В., Дичев И. // Техническа мисъл. 1971. Т. 8. № 1. с. 95-102.

25. Ciliberti D., Lancaster В. // Chem. Eng. Sei. 1976. V. 31. № 8. P. 499-503.

26. Кречин Ю.В., Соловьев В.И., Жилинский А.Н. // Научные труды ВНИПИчерметэнергоочистка. М.: Металлургия, 1969. Вып. 11-12. с. 36-38.

27. Успенский В.А., Соловьев В.И. // ИФЖ. 1970. Т. 18. № 3. с. 459-4 66.

28. Успенский В.А., Соловьев В.И., Гурьев B.C. // ИФЖ. 1971. Т. 20. №6. с. 1078-1081.

29. Кречин Ю.В. и др. // Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефте-маш, 1976. № 1. с. 24-25.

30. Успенский В.А., Гурьев B.C., Уваров В.А. // Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. № б. с. 9-10.

31. Успенский В.А., Уваров В.А., Весель-ман С.Г. // Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 197 9. №2. с. 11-13.

32. Мухутдинов Р.Х., Маслов В.К., Корнила-ев П.И. // Промышленная и санитарная очистки газов. 1980. № 3. с. 9-10.

33. Berichte der deutsche Keramische Geselsc-haft. 1970. № 4. S. 270.

34. Podgorski W. // Budownictwo gomiczo-prze-myslowe i kopalnictclud. 1975. № 2. P. 1-11.

35. Фролов E.B., Щургальский Э.Ф., Шитиков Е.С. // Промышленная и санитарная очистка газов. 1984. № б. с. 10-11.

36. Сажин B.C., Гудим Л.И., Векуа Т.Ю., Суровое М.В. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1984. № б. с. 66-68.

37. Белоусов A.C. Структура встречных закрученных потоков и расчет центробежного разделения газовзвесей. канд. дисс. М.: МТИ, 1986. 225 с.

38. Серов Е.Ю., Чумаков А.Г. // Сб. научных трудов ИТФ. Новосибирск, 1989. с. 229-233.

39. A.c. СССР 1516985. 01P3/36. Б.И. № 39, 1989.

40. Hejma J. // Einflub der turbulenz and den Abscheidevorgang im Zyklon. Staub

41. Reinhaltung der Luft. 1971. Bd. 31. № 7. S. 290-295.

42. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. 744 с.

43. Сажин B.C., Лукачевский Б.П., Джунисбе-ков М.Ш. и др. // ТОХТ. 1 985. Т. XIX. № 5. с. 687-690.

44. Сажин B.C., Лукачевский Б . П . , Гудим Л.И. и др. // Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для технологических процессов. Тез. докл. Всесоюз. науч. техн. совещания. М., 1977. с. 9-11.

45. Сажин B.C., Попов И.А., Векуа Т.Ю. и др. / / Повышение эффективности тепломассооб-менных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон. Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. М., 1970. с. 42-43.

46. Сажин B.C., Гудим Jl. И., Кикалишвили О. И. и др. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1986. № 1. с. 78-90.

47. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. с. Збб.

48. Успенский В.А. Теория, расчет и исследование вихревых аппаратов очистных сооружений. Автореф. дисс. докт. техн. наук М.: МИХМ, 198 4. 3 2 с.

49. Успенский В.А., Мошкина Л.Д., Сахарова В.В. // ТОХТ. 1977. Т. 11. № 3. с. 417-421.

50. Горячев В.Д., Чернышев В.В., Корпев Г.П. // Известия вузов. Энергетика. 1984. № 3. с. 67-72.

51. Launder В.Е., Spalding D.B. // Сотр. Meth. In Appl . Mech. and Eng. 197 4 . № 3 P. 269.

52. Шургальский Э.ф. Математическая модель вихревого аппарата, учитывающая влияние дисперсных частиц на гидродинамику несущей фазы. Расчет, конструирование и исследование машин, аппаратов и установок химических производств. М.: МИХМ, 1982. с. 53-57.

53. Даниленко Н.В. Разделение пылегазовых смесей в аппаратах вихревого типа. канд. дисс. М.: МИХМ, 1988. 155 с.

54. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. с. 468.

55. Велоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. с. 391.

56. Гурьев B.C., Успенский В.А. // Промышленная и санитарная очистка газов. 1975. № 4. с. 9-11.

57. Сажин B.C., Чувпило Е.А. Типовые сушилки со взвешенным слоем материала. М. : ЦИНТИ-химнефтемаш, 1975. 72 с.59. Пат. 1092282 ФРГ, 1953.

58. Ладыжский В.Н. Исследование гидродинамики и разработка эффективной системы улавливания в аппаратах со встречными закрученными потоками применительно к волокнооб-разующим полимерам. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: МТИ, 1979. 20 с.

59. Ein Wiгkungsvaller Drehtstromentstauber Chemische Rundschau. 1970. Bd. 23. № 46.

60. Budinsky K. // Die Bewegung der festen Teilchen im Drehströmungsentstauber. Stanb Reinhaftung der Luft. 1972. Bd. 32. №3. S. 87-91.

61. Сажин B.C., Гудим Л.И. Вихревые пылеуловители. М.: Химия, 1995. 144 с.

62. Сажин B.C. и др. // Материалы восьмого Всесоюзного научно-технического совещания по энерготехнологическим циклонным комбинированным и комплексным процессам. М.: МЭИ, 1974. с. 59-62.

63. Фролов Э.В., Шитиков Е.С. К вопросу о гидравлическом сопротивлении вихревых пылеуловителей. М.: МИХМ. 1984. с. 49-52.

64. Горячев В.Д. // Известия вузов. Энергетика, 1980. № 2. с. 49-55.

65. Белоусов A.C. // Современные проблемы развития текстильной промышленности и задачи подготовки инженерных кадров. Тез. докл. научной конференции МТИ. М., 1982. с. 122.

66. Белоусов A.C. // Методы кибернетики в химии и химической технологии. Тез. докл. второго Всесоюзного совещания-семинара молодых ученых. Грозный. 1984. с. 48.

67. Шургальский Э.Ф. // Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств. Тез. докл. Все-союз. науч. конф. Харьков, 1985. с. 8-9.

68. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1971. 784 с.

69. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия. 1985. 448 с.

70. KleinH., SchmidtP. Verfahrenstechnik. 1971. Bd. 5. № 8. S. 316-319.

71. Гудим JI.И. // Промышленная и санитарная очистка газов. 1984. № 4. с. 13.

72. Гудим Л.И., Журавлева Т.Ю., Маркин В.В. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1985. № 1. с. 117-119.