ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кнауб Людмила Володимирівна

УДК 533.6.011.6

ГАЗОДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ ВЗАЄМОДІЇ

ПОЛІДИСПЕРСНИХ ПОТОКІВ У ВИХРОВИХ АПАРАТАХ

Спеціальність 05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському інституті Сухопутних військ

Науковий консультант доктор технічних наук, професор

Барсуков Сергій Іванович,

Одеський інститут Сухопутних військ,

професор кафедри механіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Воїнов Олександр Петрович,

Одеський Національний політехнічний університет,

професор кафедри теплових електричних станцій та

енергозберігаючих технологій

доктор технічних наук, професор

Кєсова Любов Олександрівна,

Національний технічний університет України “Київсь-

кий політехнічний університет”, завідувач кафедри те-

плоенергетичних установок теплових та атомних елек-

тростанцій

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Шубенко Олександр Леонідович,

Інститут проблем машинобудування НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України

Захист відбудеться 12 квітня 2005 р. о 14.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 при Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: м. Одеса, пр. Шевченка, 1

Автореферат розісланий 11 березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Гогунський В. Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Простота конструкції, відсутність рухливих вузлів і деталей, висока надійність та мала металоємність вихрових труб усе більше привертають увагу конструкторів, дослідників і розроблювачів нових зразків техніки. Рішення задач по збереженню енергоресурсів, чистоти технологічних процесів поділу або змішування гетерогенних полідисперсних потоків, які базуються на основних теплофізичних законах, диктується економічними й екологічними вимогами.

Актуальність теми. Розвиток теорії оптимізації тепло- і масообміну гетерогенних вихрових потоків для поділу або змішування компонентів є актуальним, тому що дозволяє вирішувати важливу народногосподарську проблему економії енергії та покращення довкілля за рахунок впровадження у технологічні процеси вихрових апаратів, які за своєю конструкцією дозволяють зменшити енергоспоживання, працюють за замкнутим циклом та можуть використовувати альтернативні палива, такі як стабільний газоконденсат, продукти його переробки та ін.

Сучасні технологічні процеси щодо поділу й змішування гетерогенних полідисперсних середовищ пов'язані з великими енергетичними та економічними витратами і мають ряд недоліків: складність конструкції, велике число рухомих механізмів, вузлів, деталей, сепаруючих сит та ін., незадовільні екологічні показники. У зв'язку з цим, актуальною є розробка таких газодинамічних вихрових апаратів, які дозволяють усунути рухомі елементи і сепаруючі сита у технологічних процесах, де основні енергетичні витрати на одиницю виділеної готової продукції складають переважну величину стосовно вартості устаткування і витрат на підготовку сировини. Використання вихровими додатковими системами живлення низькооктанових і низькоцетанових палив у двигунах внутрішнього згоряння, які експлуатуються на промислових та комунальних об’єктах, є незаперечно актуальним не тільки для ряду галузей народного господарства України, але й, у цілому, для забезпечення енергонезалежності нашої держави.

Актуальність роботи обумовлена ще й тим, що вирішення вказаної науково-технічної проблеми здійснюється згідно діючих Законів України „Про енергозбереження…” та „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки до 2006 р.”

Газодинамічні процеси, які здійснюються у вихрових апаратах, незалежно від форми дискретних часток гетерогенних потоків, яким властиві різні аеродинамічні опори й критичні швидкості, у результаті взаємодії їх з набігаючими потоками, дозволяють керувати масообміном між лініями струмів і концентрувати окремі компоненти по координатах. Це дає можливість застосовувати газодинамічні вихрові апарати у різних технологічних процесах змішування або сепарування компонентів та зменшити габаритні показники, металоємність, енергоємність та їхню вартість порівняно до існуючих апаратів.

Наукова проблема розробки вихрових газодинамічних апаратів полягає у недостатньому рівні теоретичних зв’язків газодинамічних функцій з конструктивними розмірами пристроїв для поділу або змішування гетерогенних середовищ більшості технологічних процесів. Тому розробка математичних моделей, які пов’язують газодинамічні функції з геометричними розмірами вихрових апаратів являється основною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах планів науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт Одеського відділення Інженерної академії СРСР, Міжнародної інженерної академії і лабораторії “Газодинаміки” Одеського інституту Сухопутних військ (ОІСВ) на базі тем: “Термостатування розподільних силових шаф” (договір №10 Одеського вищого командно-інженерного училища ППО); “Розробка газодинамічних апаратів для використання низькосортних палив на силових установках” (шифр ГД-1, відділ “Газодинаміка” ОІСВ); “Розробка газодинамічних апаратів для виділення мінеральних домішок з розмелу кам'яного вугілля перед спалюванням” (шифр ГД-2, відділ “Газодинаміка” ОІСВ); “ Розробка форкамер для спалювання високов'язких палив (мазутів) з метою зниження викиду сірчистих сполук за рахунок збільшення швидкості і повноти згоряння” (шифр ГД-3, відділ “Газодинаміка” ОІСВ); “Газодинамічні процеси вихрових апаратів для сепарації зерна” (шифр “Процес” кафедра “Механіка” ОІСВ) та законів України “Про енергозбереження…” та “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки до 2006 р.” у межах пріоритетних напрямків 3. “Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток…” та напрямку 6. “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, а також у відповідності з державними науково-технічними програмами у межах пріоритетного напрямку 4. “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, за галузевою науковою програмою Міністерства освіти України у межах пріоритетного напрямку 38. “Наукові проблеми енергозбереження шляхом діагностики, інтенсифікації технологій в енергетиці, промисловості і сільському господарстві при додержані екологічних вимог”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток теорії та розробка нових методів розрахунку газодинамічних процесів для забезпечення оптимального управління енергетичними рівнями та аеродинамічними параметрами вихрових гетерогенних потоків, що дозволить створити газодинамічні апарати, які здатні забезпечити енергоефективність та екологічність технологічних процесів.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:–

розробити теорію енергетичної взаємодії полідисперсних гетерогенних потоків з керованим набігаючим однокомпонентним потоком для визначення найвигідніших газодинамічних функцій і геометричних розмірів вихрових сепараторів, холодильників та випаровувачів-змішувачів;–

розробити методику оцінки аеродинамічних параметрів компонентів полідисперсних гетерогенних потоків;–

розробити експрес-методи оцінки ступеню поділу гетерогенних потоків на складові;–

розробити математичну модель термостатування об’ємів зі змінними внутрішнім тепловиділенням і зовнішнім теплообміном за допомогою вихрового холодильника і розробити методику оцінки змін теплових потоків для заданого енергетичного навантаження;–

розробити математичні моделі оцінки дисперсності розпилювання рідких палив та якості їхнього змішування з повітрям та відпрацьованими газами двигунів для збільшення повноти згоряння;–

розробити методи розрахунку газодинамічних функцій і геометричних роз-

мірів вихрових апаратів за результатами усереднення основних параметрів;–

розробити математичну модель енерго- та масообміну факелу з окислювачем у вихрових потоках форкамер газотурбінних двигунів;–

спроектувати та виготовити на основі розроблених теорій та числового моделювання лабораторні, напівпромислові й промислові примірники газодинамічних вихрових сепараторів, випаровувачів-змішувачів і холодильних агрегатів;–

довести на підставі проведення експериментальних досліджень процесів поділу та змішування у вихрових сепараторах, випаровувачах-змішувачах і холодильних агрегатах достовірність запропонованих теоретичних положень та моделей;–

довести економічну доцільність розробок та пропозицій щодо вихрових газодинамічних апаратів.

Об'єкт дослідження – вихрові газодинамічні апарати для сепарування та змішування гетерогенних сумішей.

Предмет дослідження – керовані газодинамічні вихрові процеси у гетерогенних полідисперсних потоках.

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувалися теоретичними методами дослідження розроблених багаторівневих моделей, що описують нестаціонарні газодинамічні процеси вихрових гетерогенних потоків у сепараторах, випаровувачах-змішувачах і енергетичних установках різного конструктивного виконання, з використанням чисельних методів і фізичного моделювання. Вірогідність теоретичних досліджень оцінювалася шляхом проведення натурних випробувань окремих дослідних і напівпромислових примірників з використанням сучасних засобів контрольно-вимірювальних приладів і апаратури для експрес оцінки результатів, обробка яких здійснювалась методами обчислювальної техніки і програмування.

Експериментальні дослідження проводилися в лабораторіях: “Горіння” Міжнародної інженерної академії, “Газодинаміки” Одеського інституту Сухопутних військ, а також на наукових і промислових підприємствах України, Росії і Польщі.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі дістала подальшого розвитку теорія газодинамічних вихрових процесів, тобто: розроблено диференціальні зв'язки зміни енергетичних рівнів гетерогенних потоків у взаємодії з однокомпонентним набігаючим, керованим за енергетичним потенціалом, потоком із заданими амплітудно-частотними параметрами, що дозволяє визначити зміни газодинамічних функцій і геометричні розміри вихрових сепараторів; вперше введено в математичну модель, яка описує вихрові процеси, кінематичні параметри компонентів, керовані на вході реактором, котрий формує вільний вихор і величину пограничного шару, що дозволяє визначити критичні швидкості й координати окремих компонентів; вперше введено в математичну модель вихрових процесів вібраційний критерій Рейнольдса, який визначає траєкторії й енергію вихрового гвинтового руху окремих компонентів у зоні змушених вихрів і ефективність поділу потоку на складові, що дозволяє визначити оптимальні місця розташування забірників фракцій; вперше в математичну модель процесу поділу гетерогенного потоку введено критерій зовнішнього збурення, котрий враховує опір вихрового силового поля й амплітудно-частотний енергетичний рівень, що дозволяє визначити параметри пульсатора додаткових збурень для покращення процесу поділу суміші на необхідну кількість фракцій.

Дістала подальшого розвитку математична модель термостатування адіабатного об’єму, розроблена проф. Г. Ф. Шиліним, в якій враховувався тільки конвективний теплообмін. Відмінність полягає у тому, що у пропонованій нами моделі враховуються змінні внутрішнє тепловиділення і зовнішній теплообмін. Це дозволило розрахувати геометричні параметри вихрових холодильних апаратів для термостатування розподільних силових шаф.

Дістала подальшого розвитку математична модель оцінки дисперсності і якості рідких палив, розроблена проф. В. Ф. Анісімовим. Відмінність полягає у тому, що математична модель розроблена на основі теорії малих відхилень і враховує параметри турбулентної дифузії і зміну теплофізичних параметрів альтернативних палив, що дозволило розрахувати геометричні параметри випаровувачів-змішувачів, як додаткових систем живлення карбюраторних і дизельних двигунів з використанням дешевих низькооктанових і низькоцетанових палив.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена теорія вихрових гетерогенних потоків дозволила розрахувати, спроектувати і виготовити лабораторні й напівпромислові примірники вихрових сепараторів для поділу зернової суміші без рухомих вузлів і деталей і без каліброваних багатокоштовних сит. Напівпромислові зразки сепараторів впроваджені в технологічний процес сепарування зернової суміші на Куліндорівському комбінаті м. Одеси (акт упровадження по договору № 8 від 1.09.1992 р.).

На підставі математичної моделі термостатування об’ємів з внутрішнім тепловиділенням розраховані, спроектовані і виготовлені напівпромислові примірники холодильних агрегатів для термостатування розподільних силових шаф. Експериментальні випробування вихрових холодильників довели теоретичні припущення щодо можливості використання вихрових апаратів. Запас по тепловому захисті склав + 35 . Технічна документація на розробку передана Замовнику.

На підставі математичної моделі вихрових процесів при змішуванні альтернативних палив у двигунах внутрішнього згоряння розраховано, спроектовано і виготовлено напівпромислові й промислові примірники випаровувачів-змішувачів для використання низькооктанових і низькоцетанових палив для повного і бездетонаційного згоряння. Вихрові випаровувачі-змішувачі пройшли повномасштабні випробування, технічна документація на їхню розробку передана підприємствам АТП ЧМП і АТП № 15114 м. Одеси, “Сєвтюменьавтотранс” і “Сургутгазпром” м. Сургут (акти упровадження по договорам № 1 від 07.09.1990 р. та № 2 від 2.01.1991 р. ).

З метою скорочення часу на експериментальні дослідження і доводку вихрових апаратів розроблено і рекомендовано для практичного використання лазерний експрес-метод оцінки якості поділу гетерогенних полідисперсних потоків.

Особистий внесок здобувача. У дисертації використані дослідження, викладені у статтях, опублікованих, в основному, автором.

Особисто здобувачем розроблені: –

багаторівневі математичні моделі оцінки зміни газодинамічних параметрів вихрових гетерогенних потоків та їхні зміни від взаємодії з набігаючими, а також математичні моделі визначення геометричних розмірів вільних, змушених і потенційних вихрових зон апаратів для поділу і змішування компонентів;–

експрес-методи оцінки ступеню поділу гетерогенних вихрових сумішей на основі використання двопроменевого лазерного анемометра;–

математичні моделі процесів змішування і випаровування низькооктанових і низькоцетанових палив для повного і бездетонаційного згоряння у двигунах внутрішнього згоряння на основі теорії диференціальних зв'язків у малих відхиленнях; –

конструкції сепараторів розмелу кам'яного вугілля, зерна, борошна і піску на компоненти з заданими параметрами;–

конструкції випаровувачів-змішувачів низькоякісних палив для двигунів внутрішнього згоряння, на що отримано авторське свідоцтво;–

удосконалено математичну модель енерго- та масообміну факелу з окислювачем у вихрових потоках форкамер газотурбінних двигунів;

– алгоритми розрахунку, обробки експериментальних даних і оцінки погрішностей досліджень аеродинамічних параметрів складових гетерогенної суміші,

а також:–

теоретично й експериментально досліджений вплив реактора керування й пульсатора збурення на гетерогенні вихрові потоки і ступінь поділу;–

експериментально визначені аеродинамічні параметри гетерогенних складових для чисельного рішення математичних моделей.

Деякі статті опубліковано у співавторстві:

У роботі [2] здобувачем особисто розроблено математичну модель руху вихрового потоку. У роботі [5] здобувачем наведено особисто проведений аналіз експлуатаційних характеристик двигуна КамАЗ з додатковим вихровим підведенням рідкого палива, на підставі чого побудовані графічні залежності вихідних параметрів двигуна. У роботі [6] здобувачем наведено особисто проведений аналіз експлуатаційних характеристик двигуна ГАЗ – 24 з додатковим вихровим підведенням низькооктанового палива. У роботі [10] особисто здобувачем розроблено основи формування кінематичних параметрів газодинамічного сепаратора на вході у зону змушених вихрів за допомогою використання реактора керування. У роботі [12] наведено особисто здобувачем отримані взаємозв’язки зміни динамічних якостей легкового автомобіля, що працює на низькооктановому паливі за допомогою паралельного сумішоутворення карбюратором і вихровим випаровувачем-змішувачем. У роботі [13] наведено особисто здобувачем отримані взаємозв’язки зміни динамічних якостей вантажного автомобіля, що працює на низькоцетановому паливі за допомогою паралельного сумішоутворення стандартною та додатковою системами живлення. У роботі [23] здобувачем особисто запропоновано конструктивні рішення реактора керування й пульсатора перемінної функції витрати. У роботі [26] особисто здобувачем розроблено математичну модель термоста-тування адіабатного об’єму силової шафи за допомогою уведення холодного потоку від вихрового агрегату. У роботі [30] особисто здобувачем запропоновано викорис-товувати зміну хімічного потенціалу, який визначає якість сумішоутворення вихро-вого потоку, для оцінки відхилень складу робочої суміші від стехіометричного. У роботі [31] особисто здобувачем запропоновано теорію упорскування палива у ма-лих відхиленнях, яка враховує зміни теплофізичних параметрів палива. У роботі [33] особисто здобувачем розроблений параметричний зв’язок процесу сумішоут-ворення від швидкості входу потоку на тангенціальний канал при перемінній частоті обертання колінчастого валу. У роботі [34] особисто здобувачем розроблено мате-матичну модель нестаціонарного пароутворення та горіння факела палива на основі інтегральних рівнянь газової динаміки. У роботі [35] наведено особисто розроблену здобувачем математичну модель факела палива, а також визначено границі припустимих відхилень параметрів. У роботі [37] здобувачем викладено резуль-тати повноти вигоряння палива по характеристиці тепловиділення на основі зміни параметрів стану в період вигоряння. У роботі [41] особисто здобувачем запропоно-вано на основі газодинамічних функцій диференціальний зв’язок величин відхи-лення малих циклових подач з індикаторними показниками дизеля. У роботі [47] наведено особисто розроблені здобувачем основні теоретичні положення для розрахунку процесів зволоження. У роботі [48] особисто здобувачем проведений розрахунок необхідного вологовмісту для отримання максимального холодоефекту. У роботі [51] особисто здобувачем проведений розрахунок параметрів потоку й обробка експериментальних даних. У роботі [52] особисто здобувачем визначені параметри зсуву гетерогенних компонентів при вимушених коливаннях. У роботі [54] особисто здобувачем визначені енергетичні рівні потоків на зрізі сопла для руйнування крапель при зміні акустичного опору. У роботі [55] наведено особисто розроблену здобувачем математичну модель процесу сепарування. У роботі [56] наведено особисто розроблену здобувачем методику визначення концентрацій компонентів за траєкторією вихору.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доведені, обговорені й ухвалені на міжвузівській науково-практичній конференції (м. Одеса, ОІСВ, 1995 р.), II-й міжвузівській науково-методичній конференції (м. Одеса, ОІСВ, 1996 р.), III-й міжвузівській науковій конференції “Наукові та прикладні питання бойового застосування та будівництва Сухопутних військ” (м. Одеса, ОІСВ, 1996 р.). Результати досліджень доповідалися на IV-й міжнародній конференції “Про-блеми техніки сільськогосподарського виробництва” при Одеському державному сільськогосподарському інституті (м. Одеса, 1999 р.); науково-практичній конфере-нції “Комп'ютерні технології в економіці та машинобудуванні” при Ново-Каховсь-кому технологічному інституті (м. Нова Каховка, 2001 р.); науковому конгресі по горінню в дизелях “KONSSPAL' 2002” (м. Вроцлав, Польща, 2002 р.); IV, V, VI міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології в освіті та управлінні”(м. Нова Каховка, 2002, 2003, 2004р.р.); IV-ій міжнародній науково-технічній конференції “Вібрації в техніці та технологіях” (м. Вінниця, 2002 р.); Міжнародному симпозіумі “Суднові енергетичні установки” (м. Щецин, Польща, 2003 р.). Дисертаційна робота у цілому розглянута й ухвалена на міжкафедральному семінарі Одеського інституту Сухопутних військ (м. Одеси, 26 травня 2004 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи викладені в 56 публікаціях, з яких 44 публікацій – статті; 1 – патент; 1 монографія обсягом 276 стор., 10 – доповідей, викладені в матеріалах міжнародних технічних конференцій і конгресів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури із 171 найменування, 4-х додатків. Робота викладена на 282 сторінках, містить 78 рисунків і 15 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ дисертації обґрунтована актуальність проблеми використання вихрового ефекту Ранка для розробки газодинамічних вихрових сепараторів і випаровувачів-змішувачів, що дозволяють усунення рухливих елементів і сепаруючих сит, а також рухливих пар і вузлів, у різних технологічних процесах змішування або поділу компонентів полідисперсних гетерогенних середовищ. Сформульовано мету, наукову новизну й практичну цінність досліджень.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ дисертації приведена теорія взаємодії гетерогенного полідисперсного потоку, який рухається у вихровому потоці, з енергією силового поля на основі рівнянь збереження маси, імпульсу й енергії і теорія усереднення швидкостей і-х складових суміші, котрі дозволяють вирішити задачу масообміну між потоками та визначити траєкторії і координати максимальних концентрацій необхідних компонентів у вигляді системи рівнянь:

(1)

де – абсолютна, радіальна, окружна й осьова швидкості руху компонентів відповідно;

– густина потоку;

– похідна функції струму по координаті ;

– турбулентна в'язкість у функції від концентрації с (по Ейнштейну при );

, , – швидкості приросту маси і-ої складової по координатах відповідно.

Установлено, що для розробки різних видів пристроїв і апаратів для змішування або поділу вихрових гетерогенних потоків необхідний аналіз аеродинамічних властивостей складових полідисперсного середовища, для чого використовувалися критерії Ейлера, Рейнольдса, Архімеда і критерій опору силового поля

,

де – густини несущої і несомої фаз;

– відносний динамічний напір збурень;

– “енергетичний” потенціал силового поля – величина постійна для подібних тіл.

Приведено результати продувки моделей компонентів полідисперсної суміші, виготовлених у масштабі 43:1, і для порівняння автомобіля, пластини та ін. у масштабі 1:43 (як стандартні моделі для малої аеродинамічної труби з постійними тиском і витратою повітря), здійсненої в лабораторіях “Горіння” Інженерної академії СРСР, “Газодинаміки” Одеського інституту Сухопутних військ (м. Одеса) і Сибірському відділенні Академії наук (м. Новосибірськ). Моделі виготовлялися по формах компонентів з поліуретану з твердими наповнювачами для ідентифікації густини, шорсткості і форми. Довільно просторовими положеннями моделей компонентів при продувці отримані коефіцієнти: піднімальної сили, аеродинамічного опору, бічної сили, подовжнього і поперечного моментів і поворотного моменту. На підставі цих досліджень розроблений ряд коефіцієнтів аеродинамічної подібності і вперше складено таблицю аеродинамічних характеристик.

Доведено, що при наявності потенціалу швидкості, обумовленого швидкісним полем, середнє значення швидкості можна приймати як середньоквадратичне по координатах для двофазного гетерогенного потоку й окремих фаз

,

де – несталий рух із зовнішнім збуренням суміші;

– зміна маси складової,

й аналогічно для нестаціонарного силового поля

,

де – енергія силового поля;

i – постійний індекс, що відноситься до координат,

тобто уперше на такому теоретичному рівні представляється процес взаємодії силових полів двофазного вихрового гетерогенного й імпульсного набігаючого потоків, що дозволяє з обґрунтованим ступенем допущення визначити зміни газодинамічних параметрів складових, а за отриманими значеннями зміни густини двофазного потоку, тиску по координатах і усередненій швидкості, що визначаються впливом поля збурювання, виведені рівняння динаміки в загальному вигляді і розподіл енергії нестаціонарного вихрового силового поля, котрі дозволяють визначати ймовірнісні координати потрібної фази.

Показано, що параметри складових, які проходять через завантажувальний пристрій у зоні вільних вихрів до реактора керування (рис. 1), розглядаються як параметри докритичної течії через сопло Лаваля, а швидкості несущої і несомої фаз поєднуються коефіцієнтом гальмування гетерогенного середовища й описуються наступною системою рівнянь при граничних умовах і :

де – усереднена швидкість дискретної фази гетерогенного потоку до зрізу мертвої зони;

– поточне значення радіуса, внутрішній і зовнішній радіуси труби відповідно;

– перепад тиску;

– коефіцієнт опору ділянки 2н;

– дійсна витратна швидкість руху і-ої фази;

– витрата, густина і прохідний перетин окремої і-ої фази відповідно;

, – швидкості в перетинах і відповідно;

– перетин, для якого характерна швидкість при розширенні потоку на довжині (рис. 1);

– тиск на початковій ділянці;

– тиск наприкінці ділянки, що є вихідним для розрахунку початку вільних вихрів перед реактором.

Рис. 1. Схема утворення двофазного потоку

Установлено, що формування змушених вихрів визначається параметрами вільних вихрів, величиною пограничного шару і тиском на границі. Тому для утворення змушених вихрів розроблений реактор керування, що представляє собою газодинамічну непрофільовану решітку з чотирма ступенями свободи (рис. 2), призначений для створення середовища з усередненою густиною гетерогенних складових по нормальному перетині потоку так, щоб пограничний шар у вільному вихрі був нескінченно малий, а сам потік несущої фази був вільний від стінок у даному вихрі. Крім того, реактор керування може змінювати напрямок двофазного середовища в напрямку до вільного вихору на величину (дискретно) з п-шаговими діленнями, кратними величині пограничного шару, що дозволило визначити найвигідніші значення кутів положення решітки для заданої густини гетерогенної суміші (кам’яного вугілля, золи, зерна, борошна та ін.)

Рис. 2. Принципова розрахункова схема реактора керування двофазним потоком:

1 – розподілювачі;

2 – передаткові механізми;

3 – датчики ;

і – номер потоку ,

(і) – номер складової потоку

Отримано диференціальні рівняння гвинтового руху (зі змінним радіусом від осі обертання) несомої і несущої фаз, які враховують вплив сил дискретної складової і набігаючого потоку, котрий визначає густини потоків по координатах. Це дозволило визначити кількість руху по кожній координаті і параметри набігаючого потоку для обраної густини і аеродинамічного опору: –

рівняння руху несущої фази (перший потік) по координаті r

(3) –

рівняння руху дискретної фази (другий потік) по координаті r

(4)–

рівняння руху несущої фази по координаті

; (5) –

рівняння руху дискретної фази по координаті

(6)

– рівняння руху несущої фази по координаті z

(7) –

рівняння руху дискретної фази по координаті z

(8)

Доведено, що динаміка набігаючого потоку змінює рух наприкінці вільного вихору, унаслідок чого і на підставі рівнянь кількості руху, без урахування зіткнення часток і пограничного шару несущої фази, визначаються абсолютні значення прискорень окремих складових (рис. 3):

(9)

де – доцентрове прискорення, що визначається як і спрямоване до осі z по найкоротшій відстані від точки m до осі z ( );

– коефіцієнт, який враховує характер руху дискретної фази (якщо , то потік прискорюється);

– прискорення Коріоліса, рівне .

Рис. 3. Визначення абсолютного прискорення дискретної складової у швидкісному полі

Доведено, що сили, які діють на складові дискретної фази, не є симетричними до осі z і пов'язано це, насамперед, з тим, що перерозподіл сил у залежності від координати частки викликає перерозподіл фаз по траєкторіях. Цю обставину використано як основний позитивний фактор, що призводить до масообміну по лініях струму, тобто до поділу дискретних фаз на окремі потоки з однаковими густинами і аеродинамічними опорами (рис. 4).

Рис. 4. Схема сил, які діють на дискретні складові в потоках двофазної суміші:

– сила опору;

– архімедова сила;

– сила тяжіння; – відцентрова сила;–

рухлива сила;–

зовнішні збурення;–

сила Коріоліса

Установлено, що для рішення поставленої задачі по поділу полідисперсних гетерогенних потоків і підвищенню ефективності масообміну потрібні додаткові імпульсні (амплітудно-частотні) збурення, котрі призведуть до збільшення сумарної сили, що діє на компоненти гетерогенного полідисперсного потоку в зонах змушеного і початку потенційного вихрів, тобто необхідний пульсатор для інтенсифікації поділу потоків на складові. У цьому випадку час збурення дискретних компонентів пульсатором, які знаходяться у сталому вихровому (стаціонарному) потоці, необхідно вибирати таким, щоб амплітудно-частотні характеристики, обумовлені тиском пульсатора і частотою вихрів, задовольняли повному перерозподілу часток з однаковими аеродинамічними характеристиками у свої координати. При цьому траєкторії компонентів зберігають гвинтовий характер з асиметричним відхиленням по координаті z.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ дисертації доведено можливість використання ефекту Ранка за допомогою розробленого вихрового холодильного агрегату для термостатування систем зі змінними внутрішнім тепловиділенням і зовнішнім теплообміном. В основу розрахунку й аналізу холодильного апарата закладені газодинамічні функції

, (10)

де – безрозмірний параметр відношення тисків;

– відношення масових витрат холодного і гарячого потоків;

– відношення отриманого ефекту охолодження до ефекту охолодження при ізоентропійному розширенні , яке дорівнює

(11)

де – повна температура газу на вході у вихрову трубу;

– статична температура газу перед вентилем;

– показник адіабати;

– безрозмірна величина, яка дорівнює

, (12)

де – повний тиск газу на вході у вихрову трубу;

– статичний тиск газу на виході з діафрагми,

на основі яких визначаються параметри, необхідні для розрахунку вихрових труб, що працюють автономно на осушеному повітрі в адіабатному об’ємі: –

ефект охолодження (13)

– ефект підігріву

(14)

або (15)

– холодопродуктивність . (16)

На основі теоретичних досліджень розроблено повну методику розрахунку газодинамічних функцій і геометричних розмірів вихрового протиточного холодильного апарату (рис. 5), за допомогою якої були визначені параметри вихрової холодильної установки для термостатування розподільних шаф з електричними комутаціями, а також був зроблений підбір матеріалу адіабатної оболонки шафи. За результатами розрахунку було спроектовано, виготовлено і випробувано на розподільних силових шафах вихрові газодинамічні холодильники (реактор і пульсатор у холодильних апаратах були відсутні).

Рис. 5. Схема вихрового

холодильника:

1 – сопловий апарат; 2 – діафрагма; 3 – дросель; 4 – труба вихрова; 5 – осьові шари; 6 – периферійні шари; – повна температура газу на вході у вихрову трубу; – повний тиск газу на вході у вихрову трубу; – статичний тиск газу на виході з діафрагми; – безрозмірна швидкість газу на вході у вихрову трубу; –відносна масова витрата охолодженого газу; – ширина вхідного сопла;–

висота вхідного сопла; – внутрішній діаметр вихрової труби;

– діаметр діафрагми; –довжина вихрової зони; і – число калібрів

Отримано результати теоретичного аналізу й експериментальних випробувань термостатування розподільних силових шаф вихровими холодильними агрегатами, на основі яких зроблений висновок, що ефект термостатування запропонованими холодильними агрегатами реалізується зі значним перепадом температури по тепловому захисті, тобто дані пристрої (ряд розроблених вихрових трубок із зазначеними параметрами) пропонується використовувати на підприємствах для захисту електричних комутацій від перегріву (для термостатування або охолодження окремих об’ємів і вузлів без капітальних витрат на промислові холодильники).

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ дисертації наведено теорію, розрахунок і результати експериментальних досліджень вихрових сепараторів для поділу полідисперсних гетерогенних потоків. Приведено аналіз сучасних засобів очищення полідисперсних гетерогенних сумішей, на основі якого було встановлено, що-існуючі сепаруючі та очищувальні машини не позбавлені таких недоліків, як: складність конструкції; велике число джерел стиснутого повітря; високі експлуатаційні вимоги до приводів і сит; велике число рухливих механізмів, вузлів і деталей; велике число (набори) сепаруючих сит; високі вимоги по чистоті і справності сит і вентиляторів; електро- і пожежебезпечність та ін., усунення котрих пропонується за допомогою розроблених нами апаратів, принципово відмінних від існуючих машин по очищенню гетерогенних полідисперсних сумішей без рухливих частин, вузлів і каліброваних сит.

Запропоновано і науково обґрунтовано принцип поділу гетерогенного потоку (повітря плюс розмел кам’яного вугілля або зернова суміш, або пісок), який полягає у використанні закону взаємодії стаціонарного сталого швидкісного поля полідисперсної двофазної суміші з полем швидкостей зовнішнього збурення для керування і формування в необхідному напрямку траєкторій дискретних складових, котрі мають близькі аеродинамічні і теплофізичні параметри, з одержанням необхідного числа потоків (рис. 6).

Рис.6. Принципова схема газодинамічного вихрового сепаратора:

1 – труба; 2 – тангенціальний вхід несущого середовища; 3 – заванта-

жувальний пристрій; 4 – реактор керування; 5 – пульсатор; 6 – дросель;

7 – приймачі виділюваних фракцій; 8 – вихід несущого середовища (по-

вітря); I – зона вільного вихору; II – зона змушеного керованого вихору;

III – зона потенційного вихору; IV – зона приймачів окремих фракцій

Процес поділу гетерогенного потоку описується диференціальними рівняннями руху компонентів (3 – 8), силовий вплив – системою (9), а зовнішні збурення від пульсатора, як додатковий силовий вплив, інтегральними рівняннями збереження маси, імпульсу й енергії з урахуванням силового поля і вібраційного критерія Рейнольдса

(17)

(18)

(19)

(20)

де – зміна густини і-го компонента;

– вектор швидкості і-го компонента;

– вектор потоку маси та енергії і-го компоненту відповідно;

– одиничний вектор;

– елементарна поверхня обраного елементарного об’єму робочого тіла;

– вектор швидкості і-го об’єму;

– об’ємна потужність джерела імпульсу та енергії відповідно;

– тиск суміші гетерогенних компонентів;

– вектор імпульсу і-го компонента;

– парціальний тиск і-го компонента;

– питома теплова внутрішня енергія;

– сумарна швидкість і-го компоненту у вихровому процесі;

– максимальна амплітуда і-го компоненту під дією пульсатора;

– усереднена кінематична в'язкість потоку;

– імпульс сили пульсатора;

– імпульс сумарної сили, що діє в проміжку часу між збуреннями пульсатора ;

– час дії імпульсу сили пульсатора;

– час відновлення нових координат по гвинтовій траєкторії і-го компонента.

За результатами математичного моделювання і вимірів зміни траєкторій, аналізом концентрацій у забірниках і на підставі отриманих значень, котрі задовольняли б усім гетерогенним сумішам (рис. 7), були спроектовані лабораторні й напівпромислові вихрові газодинамічні сепаратори для поділу: розмелу кам'яного вугілля на вугілля й породу, зернової суміші на зерно та важковідокремлювані домішки (гречка, в'юнок, вівсюг та ін.); каракумського піску на доломіт і кварцит; борошно першого ґатунку на вищій, перший і другий ґатунки.

Особлива увага приділялася очищенню зерна, що надходить на елеватори з українських, казахстанських і французьких полів з домішками до 2 %. Всі обрані проби, представлені лабораторією Куліндорівського елеватора м. Одеси, сепарувалися на напівпромислових зразках один раз, кількість домішок по аналізу результатів знаходилась у межах 0,05 – 0,1 %.

Поділом борошна отримані фракції вищого, першого та другого ґатунків з вмістом клейковини 28,8; 28,6; 28,2 % відповідно; ступенем чорності вищий і перший ґатунки візуально не відрізнялися, а другий ґатунок виявився, практично, сірим через розмелену невідсіяну ситом оболонку.

Розроблено принципово новий експрес-метод оцінки ступеню поділу гетерогенних потоків на складові з використанням двопроменевого лазерного анемометра на основі закону Бугера-Ламберта-Бера.

Рис. 7. Траєкторії дискретних потоків наприкінці зони потенційних вихрів:

I – несуща фаза (повітря); II – гетерогенний потік; III – потік домішок; IV – траєкторії у зоні пульсатора (а – суміш; б – домішок);

1, 2, 3 – забірники фаз (приймачі відокремлюваних фракцій)

Приведено результати поділу гетерогенних сумішей на дослідному зразку вихрового сепаратора, аналіз яких показує, що поділ відбувається ефективно (наприклад домішок у зерні першого класу склав 0,0 %), тобто ступінь очищення високий, а якісні і кількісні показники задовольняють вимогам ДЕСТу. Аналіз результатів здійснювався Куліндорівським комбінатом хлібопродуктів відповідно до вимог ДЕСТ 9353-85 “Пшениця. Технічні умови”.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ дисертації наведено теоретичні й експериментальні результати подальшого розвитку теорії вихрового руху щодо процесів, які відбуваються у розроблених випаровувачах-змішувачах як додаткових системах живлення карбюраторних та дизельних двигунів для отримання однорідних гетерогенних сумішей з низькооктанових і низькоцетанових палив, повітря та відпрацьованих газів, а також для збільшення швидкості і повноти згоряння.

Приведено математичну модель теорії упорскування у малих відхиленнях, що дає можливість оцінити зміну процесу упорскування і якість розпилювання палива в експлуатації. При цьому багатопараметричний зв'язок диференціальної характеристики упорскування з перемінними функціями й аргументами описується системою диференціальних рівнянь 17 порядку, котра вирішується чисельним методом Рунге-Кутта. Для оцінки впливу обраного параметра задається поле можливих його змін, а всі аргументи, що входять у приведені рівняння, приймаються постійними. Значення відхилень будь-якого параметра дають можливість оцінити зміну характеристик упорскування палива в експлуатації при заміні стандартного палива низькоцетановим.

Приведено математичну модель розрахунку процесу змішування на основі теорії малих відхилень, яка дозволяє оцінити швидкість зміни коефіцієнта надлишку повітря та зміну концентрації суміші. Це дозволяє вирішувати питання як і на скільки змінюються певні параметри в експлуатації при включенні будь-якої додаткової системи живлення, що задовольняє швидкісному, навантажувальному і перехідному режимам роботи двигуна незалежно від того, на якому паливі здійснюється робочий процес, і без урахування рециркуляції відпрацьованих газів. Відмінною рисою розробленої математичної моделі упорскування палива в дизель і живлення карбюраторного двигуна порівняно до теорії проф. І. В. Астахова, І. М. Леніна, В. Г. Івановського, є те, що процеси змішування нами вирішувалися в залежності від теплофізичних параметрів палива, тобто швидкість плунжера задана аналітично по профілю кулачка паливного насосу, а малі відхилення параметрів упорскування диференціально пов'язані зі змінами теплофізичних параметрів палива і режимами роботи двигунів.

Запропоновано математичну модель оцінки якості робочої суміші при використанні додаткової вихрової системи живлення для спалювання низькоцетанових і високов'язких палив, яка дозволяє в межах допуску визначати параметри робочої суміші перед початком усмоктування. При цьому процес сумішоутворення у вихровій зоні (для розрахунку режиму роботи дизеля) вважався ідеальним, а суміш близькою до стехіометричної незалежно від теплофізичних параметрів суміші. Усебічні дослідження дизелів, що працювали на стабільному газоконденсаті, дозволили довести якісне поліпшення процесів згоряння по повноті і запуску дизеля при низьких температурах навколишнього середовища (до – 380 С).

Отримано математичну модель енерго- і масообміну факелу з окислювачем, яка дозволяє мати всебічну інформацію про зміну параметрів стану в процесі горіння будь-якого виду палива. Рішення математичної моделі щодо вихідних параметрів процесу горіння дозволяє керувати фізично як параметрами факелу, так і підведенням палива у форкамеру. Отриманий багатопараметричний диференціальний зв'язок параметрів упорскування дозволяє автоматизувати проектування камер згоряння і форсунок, а також здійснювати процеси стійкого повного згоряння з мінімізацією шкідливих складових у відпрацьованих газах (на 14 % по СО і 8 % по NOx).

Отримані результати якості розпилювання низькоцетанового палива (стабільного газоконденсату) роздільними системами живлення дизеля з газотурбінним наддуванням: основною паливною апаратурою дизеля і додатковою у вигляді вихрового випаровувача-змішувача в усмоктувальному колекторі, які дозволяють вирішувати питання форсування дизелів з до при (рис. 8).

Розглянуто питання форсування вихрокамерних дизелів і розширення фракційного складу палива шляхом використання низькоцетанових і роздільної подачі: первинної, через вихрову додаткову систему, і стандартної, через паливну апаратуру дизеля. Аналіз експериментальних параметрів сумішоутворення при форсуванні вихрокамерного дизеля з вихровою додатковою системою сумішоутворення частини палива дає підставу зробити наступні висновки, що вихрокамерні перспективні дизелі типу 4Ч 9,5/11 допускають форсування по параметрах: наддування до ; частоті обертання до ; потужності до . При форсуванні до параметрів, зазначених вище, необхідні наступні зміни характеристик систем, що обслуговують робочий процес: додаткова вихрова система живлення включається послідовно ( ГТН – вихрова система – усмоктувальний колектор; тиск початку упорскування ПАД зі штифтовою форсункою повинний бути не менше для вихрокамерного виконання дизеля); установка роздільної системи живлення дозволяє розширити фракційний склад використовуваних дизельних палив (можна використовувати палива з цетановим числом 31), при цьому згоряння протікає як і на стандартному паливі без явних ознак детонації, димності відпрацьованих газів і з

припустимою жорсткістю; збільшення ж частоти обертання колінчастого валу дизеля 4Ч9,5/11 до і потужності до вимагає додаткових

удосконалень і вихрової системи, і ПАД, оскільки на цих режимах різко зростають питома ефективна витрата палива, димність вихлопу і жорсткість згоряння через невідповідність фаз газообміну, ступеню стиску, форми факелу формі камери згоряння і характеристики розпилювача форсунки. Ця окрема перспективна задача дослідження, економічно виправдується тим, що замість двох дизелів 4Ч 9,5/11 можна використовувати один 4ЧН 9,5/11.

Рис. 8. Результати індиціювання по частоті обертання колінчастого валу дизеля 4Ч 9,5/11 з вихровою первинною підготовкою палива:–

дизельне паливо; – стабільний газоконденсат

Досліджуваний принцип використання вихрових процесів у додатковій системі живлення з поділом сумішоутворення на первинне й основне при форсуванні дизелів є перспективним для карбюраторних і газових двигунів.

У П'ЯТОМУ РОЗДІЛІ дисертації приведені лабораторні, напівпромислові й промислові примірники газодинамічних вихрових випаровувачів-змішувачів, сепараторів, холодильників, погрішності випробувань, методологія досліджень та економічна доцільність розробок. Газодинамічні вихрові апарати розраховувалися, проектувалися і випробувалися в КБ Одеських відділень Інженерної академії СРСР і Міжнародної інженерної академії і лабораторії “Газодинаміка” Одеського інституту Сухопутних військ для рішення питань: можливості використання в період гострого дефіциту палива в СРСР і СНД низькооктанових, низькоцетанових