НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

МАРТИНЕНКО МАРИНА ПАВЛІВНА

УДК 532.54

ГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН В

ПНЕВМО-ПУЛЬСАЦІЙНОМУ АПАРАТІ КАМЕРНОГО ТИПУ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики

Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук

Чайка Олександр Ілліч,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Нікітенко Микола Іванович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

провідний науковий співробітник.

кандидат технічних наук,

Дубровський Віталій Володимирович

Інститут загальної енергетики НАН України,

старший науковий співробітник.

Провідна установа: Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”,

теплоенергетичний факультет, м. Київ.

Захист відбудеться 5 липня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 3 червня 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.І. Чайка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рідинна екстракція цільових компонентів з твердого тіла широко розповсюджена в хімічній, фармацевтичній, харчовій та інших галузях промисловості. В багатьох випадках цей процес є визначальним для техніко-економічних показників виробництва в цілому. Як правило він потребує великих енерго-витрат, тривалого часу протікання, а обладнання, в якому він реалізується, має досить значну питому енерго- та металоємність. Підвищення ефективності процесу традиційно досягають шляхом збільшення поверхні контакту фаз; пито-мої потужності, що витрачається на змішування; підвищення температури та ви-ко-рис-тан-ня токсичних розчинників. Інший підхід базується на принципі дискретно-імпульс-ного введення та трансформації енергії в рідинних дисперсних системах (ДІВЕ). Його особливість полягає в тому що, просторово-часова структура двох-фаз-ного середовища утворює поблизу поверхні розподілу фаз зони концентро-ва-ної дисипації енергії, що перевищують дисипацію енергії при звичайних способах її вводу на декілька порядків. Така концентрація енергії викликає на поверх-ні роз-поділу фаз великі зсувні напруження, які спричиняють турбулізацію, а також дефор-мацію і руйнування поверхні контакту фаз. При цьому відбувається значна інтенси-фікація міжфазного тепломасопереносу, а також масопереносу в капілярно-пористих тілах, з яких екстрагується цільовий компонент.

Детальний аналіз процесів перемішування рідинних середовищ становить надзвичайно складну задачу, вирішену для невеликої кількості найпростішого устаткування. З огляду на це, актуальною є проблема дослідження процесів гідродинаміки та тепломасопереносу при пульсаційному впливі на рідке середовище та створення на цій основі удосконаленого обладнання з застосуван-ням ДІВЕ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні результати роботи одержані при виконанні проекту державного фонду фундаментальних досліджень України “Дослідження гідродинаміки та процесів тепломасообміну при низькочастотній пневмо-пульсаційній обробці гомо- та гетерогенних середовищ” (номер державної реєстрації №0103U006676), а також робота є узагальненням результатів досліджень, проведених у відповідності з темами науково-дослідних робіт: „Вивчення теплофізичних та гідродинамічних основ дискретно-імпульсного введення енергії з ме-тою створення нанотехнологічних процесів” (№0102U00219), „Дослідити сумісні процеси подрібнення, гомогенізації та дегазації багато-фазних рідинних систем” (№0100U004838), “Розробка теплотехнічних основ енергозберігаючих технологій та обладнання для одержання нових видів продукції сухих харчових сумішей та добавок” (№0100U002754).

Мета роботи полягає в проведенні комплексних досліджень гідродинамічних і тепломасообмінних процесів у пневмо-пульсаційних апаратах камерного типу і розробці на цій основі ефективної енергозберігаючої технології та устаткування для екстракції рослинної сировини.

Задачі роботи, виконання яких зумовило досягнення поставленої мети:

1. Створити повну й адекватну фізичну модель процесів тепломасообміну і гідро-динаміки в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу та провести апроба-цію існуючих моделей турбулентності.

2. Провести чисельне моделювання гідродинаміки і теплообміну в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу.

3. Розробити і створити експериментальну установку для проведення ла-бо-ра-тор-них досліджень та перевірки фізичної моделі процесів тепломасо-обміну і гідро-динаміки в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу.

4. На основі проведених досліджень розробити рекомендації з оптимізації пневмо-пульсаційного екстрактора камерного типу.

5. Оцінити енергетичну та економічну ефективність використання пневмо-пульса-ційного устаткування при екстракції рослинної сировини.

Об'єкт дослідження. Пневмо-пульсаційний апарат камерного типу.

Предмет дослідження. Процеси гідродинаміки та тепломасообміну в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу.

Модельні середовища. В якості модельних середовищ в роботі використовувалися при лабораторних дослідженнях – технічна вода, технічна вода + чай; при про-мис-ло-вих дослідженнях – вода + етиловий спирт + квітки календули, вода + етиловий спирт + плоди глоду.

Методи дослідження. Для вирішення вказаних задач використовувались чисельний експеримент та експериментальні методи дослідження процесів гідро-дина-міки і тепломасообміну в пневмо-пульсаційному апараті. Чисельні експери-мен-ти здійснювались за допомогою ренормгрупової моделі турбулентності, достовір-ність одержаних результатів було підтверджено задовільним збігом при спів-ставленні розрахунків з експериментальними даними.

Експериментальні дослідження здійснювалися на ряді спеціально розроб-ле-них і створених лабораторних стендів із застосуванням сучасних засобів і ме-то-дів ви-мі-рювання. Застосовано статистичну обробку отриманих даних на ПК. Основні експериментальні установки, що створені:

· Установка для експериментального вивчення процесів гідродинаміки і тепломасообміну при пневмо-пульсаційному впливі;

· Установка для дослідження власних коливань стовпа рідини в каналі;

· Установка для дослідження пружних властивостей гуми;

· Установка для екстракції на основі лопатевого перемішування;

· Дослідно-промислова установка для екстракції лікарських рослин на основі мето-ду ДІВЕ.

З огляду на високі швидкості досліджуваних процесів, виміри проводилися шляхом візуалізації з застосуванням цифрових відео - і фотокамер. Застосовано комп'ютерну обробку отриманого фото- і відеоматеріалу. Характеристики екстрак-тів визначалися методом спектрофотометрії. Технологічні дослідження здійсню-ва-ли-ся на дослідно-промислових установках в умовах реальних виробництв із залу-чен-ням промислових засобів вимірів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено методику розрахунку тепло- і масообміну в пневмо-пульсацій-но-му апараті на основі ренормгрупової моделі турбулентності. Досліджено вплив на ефектив-ність перемішування глибини занурення труби пульсатора в реактор, ре-жи-му роботи одного або двох пульсаторів;

2. Вперше експериментально досліджено залежність швидкості витікання об-роб-люваного середовища з труби пульсатора в реактор; а також зв'язок між тис-ком, витратою в трубі пульсатора і періодом власних коливань стовпа рідини в трубі пневмо-пульсаційного пристрою;

3. Отримано експериментальні дані щодо модуля пружності вакуумної гуми й особ-ли-востей її застосування в камері пневмо-пульсаційного пристрою типу;

4. Проведено порівняння дії двох типів пристроїв і виявлено, що апарати на осно-ві методу ДІВЕ створюють більш інтенсивний вплив на оброблюване сере-до-ви-ще.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична цінність роботи полягає у: розробці методики розрахунку гідро-ди-наміки, тепло- і масообміну в пневмо-пульсаційному апараті на основі ренорм-групової моделі турбулентності, яка може застосовуватися в науково-дослід-них і проект-них організаціях для вивчення і розрахунків пневмо-пульсаційних апаратів. Надано рекомендацій щодо оптимальних глибин занурення труби в реактор пневмо-пульсаційного пристрою, режимів роботи камери пневмо-пульсаційного пристрою та теплової ізоляції дна і стінок реактора при застосуванні у деяких технологіях екстракції лікарських рослин. Запропоновані й обґрунтовані технічні рішен-ня щодо конструювання камери пульсаційного апарату.

Особистий внесок здобувача. Автор розробила експериментальний стенд, методику розрахункових та експериментальних досліджень; виконала обробку, аналіз та узагальнення експериментальних даних; одержала дані досліджень щодо визначення ефективних геометричних характеристик та технологічних режимів роботи апарата; розробила нові технічні рішення щодо конструювання камери пневмо-пульсаційного пристрою.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на наукових семінарах Балтійського державного технічного університету РАН (г. Санкт-Петербург, 2004); Академії цивільної авіації РАН (г. Санкт-Петербург, 2004); на ІІІ та ІV міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми економії енергії” (Львів, 2001, 2003); всеукраїнській конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „ЕВРІКА – 2003” (Львів, 2003); на науковому семінарі Інституту гідромеханіки НАН України (Київ, 2003); на конференції „Промислова теплотехніка” (Київ, 2003).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 19 наукових працях (в 7 наукових статтях, 1 патенті на винахід, 11 публікаціях в матеріалах кон-фе-рен-цій).

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатка. Викладена на 131 сторінці машинописного тексту, враховуючи 74 рисунки та 8 таблиць. Список використаної літератури налічує 62 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано важливість і актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та завдання для її вирішення.

У першому розділі виконано огляд сучасного стану проблеми пульсаційного впливу на рідке середовище, проведено аналіз існуючих досліджень теплофізичних процесів, гідродинамічних та тепломасообмінних явищ при пульсаційній обробці рідинних систем, проаналізовано сучасне устаткування для пульсаційної обробки дисперсних систем.

Виходячи з сучасного стану досліджуваної проблеми, сформульовано задачі, які вирішуються в даній роботі з метою проведення комплексного дослідження гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу.

Наведено оригінальні дані по фізичним механізмам процесів, що мають міс-це в пневмо-пульсаційних апаратах камер-но-го типу, типова схема якого представлена на рис. 1. Принцип роботи апарату наступний: у реак-тор 1 завантажується оброб-лю-ва-не середо-ви-ще (суміш екстракту та подібної рослин-ної си-ро-вини) вище рівня труби 2. На керуючому прила-ді 3 встановлюється режим пода-чі команд для управління роботою клапана 4. Кла-пан по черзі відкриває доступ газового тракту до ре-си-ве-ра низького 5 і високого 6 тиску. При пода-чі тис-ку в крайні ємності 7, 8 камери пульсатора, гнуч-кі мембрани 10 спрямовуються назустріч одна одній. Об'єм середньої 9 ємності стає міні-маль-ним. При цьому з труби 2 у реактор 1 з приско-рен-ням виштовхується середовище. Коли клапан з'єднує крайні ємності з ресивером вакууму, вони звільня-ються від повітря. Гнучкі мембра-ни 10 спрямо-вуються до бокових коніч-них поверхонь камер 7, 8 до повного контакту з ними. Об'єм край-ніх ємностей 7, 8 стає міні-маль-ним. При цьому з реактора 1 рідке середо-ви-ще з прискорен-ням всмоктується в трубу 8 і серед-ню ємність каме-ри пульсатора 9. Такий цикл багаторазово повто-рюється.

З метою підтвердження наявності елемен-тів ДІВЕ в пневмо-пульсаційному апара-ті був про-ве-де-ний фізичний експеримент. Методом візуалізації дослід-жу-ва-лися процеси, що від-бу-вають-ся в камері 9, аналогу труби 2 і реак-то-рі 1.

Досліджено наявність в камері апарату 1 таких елементів ДІВЕ, як парова бульбашка, гідро-ди-на-мічна порожнина, кумулятивний мікро-стру-мінь, тороїдальний вихор.

В роботі детально досліджено процеси, які відбуваються в камері при одному пов-ному циклі роботи мембран. Під дією тиску на мембрани камери середовище вишто-вхується в трубу пульсатора. Незважаючи на різке зіткнення мембран, суціль-ність середовища не порушується. Далі під впливом розрідження мембрани почина-ють відтягуватися до стінок камери. Напрямок руху рідини змінюється і вона приму-со-во починає повертатися в камеру. Швидкість рідини зростає до величин, що є достатніми для виникнення гідродинамічної каверни на місцевих опорах потоку. Кінозйом-ка встановила наявність каверн, що існують короткий проміжок часу. Вони від-риваються від місця утворення і під дією фронту кавітації руй-нуються, перетворюючись в сукупність дрібних бульбашок. Процес відбувається практично миттєво, фронт кавітації рухається в напрямку, зворотному руху рідини.

Наприкінці кожного повного періоду коливань, тобто після періоду підключення до ємності низького тиску, відбуваються так звані згасаючі коливальні процеси. На трьох послідовних кадрах, часовий проміжок між якими 0,04 с, цей період спостерігався, як різка зміна стану середовища. Після зіткнення мембрани з стінками камери весь видимий простір заповнено бульбашками, на наступному кадрі практично всі бульбашки зникли і на третьому кадрі знову зявилися. Ці результати можна пояснити таким чином: перехід в область низьких тисків характе-ри-зується утворенням бульбашок, а при наявності високого тиску бульбашки за-хло-пують-ся, а далі знову спостерігається об'ємна кавітація рідини. Отримані дані свід-чать про наявність згасаючих коливальних процесів у камері і трубі апарата після періоду підключення до вакууму.

Процеси, що відбуваються в реакторі візуалізовано за допомогою контрастно пофарбованих кульок. Завдяки цьому показано наявність тороїдального вихору, що утворюється в реакторі.

У другому розділі описуються методика і результати числових експери-мен-тів. На-ве-дено апробацію сучасних моделей турбулентності (рис. 2), основаних на рів-нян-ні Нав’є – Стокса (1, 2), а також проводиться порівняння трьох моделей тур-бу-лент-но-сті, таких як стандартна k – ? – (позначення ––––), ренормгрупова k – ? (- - - -) фор-му-ли (4, 5) та модель напружень Рейнольдса (–– - –– -) з відомими емпіричними да-ни-ми. До-ве-де-но, що ренормгрупова модель турбулентності більш повно та адек-ват-но опи-сує про-цеси пульсаційного впливу на рідке середовище.

Система диференціальних рівнянь на основі ренормгрупової моделі, що описують процеси в реакторі пневмо-пульсаційного апарату, для турбулентного руху нестисливої рідини в двовимірному осесиметричному випадку матиме наступний вигляд

Аксіальне рівняння кількості руху

(1)

Радіальне рівняння кількості руху

. (2)

Рівняння нерозривності в осесиметричній постановці

. (3)

Модель турбулентності наступна. Рівняння для кінетичної енергії турбулентності

(4)

а рівняння для швидкості дисипації

(5)

Доданок R в рівнянні для дисипативного масштабу, що враховує низькорейнольдсеві ефекти, є відмінністю ренормгрупової моделі від стандартної k-

, (6)

де

, 0 = 4,38, = 0,012, .

Доданок, що враховує генерацію турбулентної кінетичної енергії розраховується за формулою

.

Обернені ефективні числа Прандтля Pr-1k та Pr-1 розраховуються за наступною формулою, виведеною аналітично з теорії ренормгруп,

, (7)

Теплообмін враховувався наступними рівняннями. Рівняння енергії для рідини, що не стискається,

, (8)

eff – ефективна теплопровідність: , де t – теплопровідність, яка обумовлена турбулентністю, що розраховується через число Прандтля по формулі

. (9)

Рівняння енергії для твердого тіла

. (10)

Для визначення чисельного рішення використовувався метод кінцевих елемен-тів. За допомогою моделі (2-10) виконано дослідження гідро-дина-мі-ки та теплообміну в реакторі пульсаційного апарату камерного типу. Дослід-жу-ва-ло-ся витікання струменя в наповнений водою реактор рис. 3 а. Реактор робочої ємнос-ті виконаний у виді циліндра висотою L і діаметром D, нижня основа якого має фор-му конуса. Зверху в робочій області встановлена труба пульсатора діаметром d, гли-би-на занурення якої h. Передбачається, що рідина з камери пульсатора вихо-дить зі швидкістю uc. У нижній основі конуса можливе підключення другої труби ниж-нього пульсатора. Граничні умови наступні: на вході 1 (рис. 3 а) перед-ба-чається, що профіль повздовжньої швидкості рівномірний і змінюється в часі за гармонійним за-ко-ном виду: , де А = 4 м/с амплітуда коливань швидкості, = 0,4 1/с – їх час-то-та. Початкова кінетична енергія турбулентності приймається рівною 1 м2/с. На осі симетрії 2 при визначенні значень часток похідних приймалося, що їх величина дорів-нює величині в сусідній комірці. На стінках 3, 4 і 6 покладалося, що вони абсолют-но гладкі і швидкість на них дорівнює нулю. На виході 5 перед-ба-чається, що профіль повздовжньої швидкості рівномірний і змінюється в часі по гар-мо-ній-ному закону виду: , де u* і A* визначені, виходячи з балансу ма-си.

Аналіз результатів розрахунків показав, що для ефективної організації пере-мі-шу-ван-ня в пневмо-пульсаційному екстракторі типу ЕІ-100, глибина занурення труби пульсатора в реак-тор повин-на складати приблизно 0,3 м.

Більш чітко кінематика процесу виявляється при розгляді полів векторів швид-кості (рис. 3 б). Як видно, майже в центрі камери утворюється інтенсивний то-ро-їдальний вихор, що практично гаситься до кінця першої чверті періоду струменем рі-ди-ни, що витікає з труби. Далі настає період всмоктування, після якого в ємності також утворюється тороїдальний вихор. Очевидно, що ефект перемішування заснова-ний на створенні подібних вихорів. При підключенні другої камери пульсатора в асинхрон-ному режимі, тобто коли з однієї сторони (зверху) настає період всмок-ту-ван-ня, а з іншої (знизу) період виштовхування середи, кінематична картина процесу анало-гічна описаній вище. Принципово відрізняється картина процесу при синхрон-ній роботі обох камер. У цьому випадку утворюється два вихори (рис. 3 в), що охоп-люють більший об’єм рідини.

Аналіз динамічних характеристик роботи апарату приведено для осьової швид-кості. На рис. 4 а представлено залежність повздовжньоїшвидкості на осі від коорди-нати для різних глибин занурення: 0,2 м; 0,3 м; 0,4 м. Як видно, струмінь досягає дна у всіх трьох випадках. Однак максимальна швидкість у ядрі струменя реалізується при глибині занурення рівній 0,2 м. Залежність повздовжньої швид-кості від координати для перетину, що становить 0,75 радіуса, представлено на рис. 4 б. Максимальна повздовжня швидкість у цьому випадку досягається при глибині зану-рен-ня 0,4 м. Аналогічні результати отримано для поперечної складової швидкості рис. 5 а, що має менший вплив на величину швидкості рис. 5.б. Причому верхні ша-ри, вище зрізу труби, практично не охоплюються для усіх випадків. Оптимальна гли-би-на занурення труби становить 0,3 м, у цьому випадку має місце більш рівномірний роз-по-діл поля швидкостей в середній частині реактору, а отже і більш рівномірним є сам процес перемішування.

Дослідження процесів теплообміну проведено на геометрії реактору лабо-ра-тор-ного стенду. Вирішувалась задача теплообміну стінка – рідина в спряженій пос-та-нов-ці. Граничні умови наступні: на вході в трубу вважається, що профіль поз-довж-ньої швидкості рівномірний та змінюється у часі по закону, визначеному експери-мен-тально. Вважалося, що в максимальній точці швидкість миттєво зменшується до нуля. В початковий момент часу температура всього обєму рідини рівномірна та дорів-нює Т0 = 50 С. З кожним кроком температура рідини на вході і виході приймаєть-ся рівній температурі на попередньому кроці. Матеріал стінок – скло. На зов-нішній стороні стінки задавались умови теплообміну 3-го роду. Величина коефі-цієн-ту тепловіддачі дорівнювала 20 Вт/ м2 К, температура повітря дорівнювала 287 К, тиск приймався рівним атмосферному.

Для підтвердження адекватності розрахунків було експериментально виміряна температура поблизу труби реактора. Співставлення результатів розрахунків та екс-пе-ри-мен-тально отриманих даних представ-лено на рис. 6.

Температура рідини за одну годину роботи апарату зни-жуєть-ся в середньому на 5-7 ?С. Тех-но-логія обробки дея-ких лі-кар-ських рослин, по-тре-бує під-три-мання темпе-ра-тури на од-но-му рівні. Для техно-ло-гії та-ко-го ти-пу можна рекомен-ду-ва-ти ізолю-вати дно и стінки реак-тора. При-чому місце уда-ру струменя необхід-но ізолю-вати ма-теріалами з кращи-ми тепло-ізоляційними влас-ти-вос-тя-ми.

Визначення ступеню впли-ву згаса-ючих коливальних про-цесів у ка-мері на гідродинамічні процеси досліджувалось в реакторі ла-бо-ра-тор-ної уста-нов-ки. На вході передбачалося, що профіль повздовжньої швидкості рівно-мір-ний і змі-нюється в часі за законом

, де t виражено в секундах.

Така форма функції прийнята з наступних міркувань. На перших двох підциклах підключення до ресиверів тиску і вакууму записана експериментально отримана залежність. Для другого підциклу записана функція для затухаючих коливальних процесів з періодом коливань відповідно 0,02 с і декрементом затухання = 0,28 1/с. Декремент затухання для технічної води визначено експериментально. Амплі-туда коли-вань приймалася рівною швидкості наприкінці підцикла підключення до реси-ве-ра вакууму. Форма функції для швидкості витікання рідини з труби пульсатора пред-став-лена на рис. 7.

На рис. 8 а. пред-став-лено розрахун-кові зна-чення функції то-ку в пе-ріод підключення до ре-си-вера тиску. Основ-ним чин-ни-ком, що іні-ціює пе-ре-мі-шу-ван-ня (велико-мас-штаб-не вихро-утво-рен-ня в ємно-сті) є потік рі-ди-ни, що витікає з труби пнев-мо-пульса-цій-ного апара-та. То-ро-їдальний ви-хор, що ут-во-рю-ється, швид-ко опу-скає-ться на дно апарату та змі-щується до нижньої куто-вої час-ти-ни єм-ності. Чим вище швид-кість ви-ті-кан-ня рі-ди-ни з тру-би, тим біль-ше набли-жен-ня ядра ви-хо-ру до стін-ки та його при-тис-нен-ня в кут реак-то-ра. В міру зниження швидкості в трубі інтенсивність вихору змен-шується. Однак струк-тура вихору не змінюється. Перехід від нагнітання до всмок-ту-вання на вих-ро-вій картині не позначається. Природньо, що інтенсивність вихору (rot ) при цьому зменшується рис. 8 б.

Можна стверджувати, що при пульсаційній обробці утворюється стійкий торо-їдаль-ний вихор, на структуру якого не впливає перехід між режимами наг-ні-тан-ня та всмоктування. Важливо відзначити, що перемішування в ємності вище зрізу тру-би незначне.

Вплив низькочастотних пульсацій після підключення до ресивера вакууму на про-цеси перемішування в реакторі полягає в наступному. Створений малий (рис. 8 в) торо-їдаль-ний вихор охоплює всю єм-ність нижче зрізу труби, а висо-ко-час-тотні пульсації швид-ко-сті жив-лять його додатковою енер-гі-єю. Ці вихори дифундують в напрямку “великого” тороїдаль-но-го вихору і поглинаються їм. Пере-мішування вище зрізу труби від-бувається з меншою інтен-сив-ніс-тю.

Дослідження гідродинамічних про-цесів у циліндричній ємності реак-тора в тривимірній поста-новці і їх зіставлення з реальними про-це-са-ми, експери-мен-тально визначеними ме-то-дом візуа-лі-за-ції, пред-став-лено на рис. 9. Спів-став-лен-ня ре-зуль-татів роз-ра-хун-ку й експери-менту пока-зують задо-віль-ний збіг.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням процесів, що відбуваються в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу. Для їх вивчення було створено експериментальний стенд (рис. 10), що дозволяв вимірювати тиск, швидкість та концентрацію, а також візуалізувати всі процеси.

В ході експериментів визначено швидкість руху рідини в області перетину труби пульсатора 2, встановлено зв’язок між тиском та витратою рідини в каналі та виконано дослідження власних вільних коливань рідини в трубі пульсатора.

На рис. 11 представлено характерний вид залежностей швидкості від часу. Цю залежність було використано при побудові математичної моделі процесів, що відбуваються в пристрої. Дослідження руху рідини в трубі пульсатора виконувалось методом візуалізації.

Одержані експериментальні дані апроксимовані поліномом третього ступеня

, де t в секундах.

Дослідження, пов’язані з встановленням зв’язку між тиском та витратою рідини в каналі, представлені на рис. 12. Було отримано вираз (11) для визначення величини тиску в залежності від радіусу прогину мембран з урахуванням їх початкового положення.

(11)

Знаходження величини власних вільних коливань рідини в каналі пульсатора виконувалось за допомогою чисельного експерименту. Математична модель базується на рівнянні руху ідеальної рідини в каналі пневмо-пульсаційного перемішуючого пристрою з врахуванням втрат енергії

,

де індекси 1 – реактор; 2 – труба пульсатора. Початкові умови наступні

;.

Чисельний розрахунок математичної моделі (рис. 13) було проведено методом Рунге-Кутта 4-го порядку зі змінним кроком. Адекватність та повноту моделі було підтверджено експериментально. Експеримент проведено в каналі з прозорими стінками з використанням швидкісної кінозйомки (камера СКС-1М з ширококутовим об’єктивом “Панкoлар”).

Для зручності застосування результатів розрахунку періоду роботи при інженерних розробках пневмо-пульсаційних апаратів було отримано апрок-си-мацію періоду, вираженого в секундах

, де h в метрах.

Таким чином, модель дає змогу визначити величину періоду власних коливань системи, а також розрахувати глибину занурення пульсатора таким чином, щоб період власних коливань рідини в пульсаторі резонансно співпадав з періодом підключень пульсатора до ресиверів вакууму або високого тиску.

В четвертому розділі отримано дані для модуля пружності гуми, що стано-вить практичний інтерес для інженерного моде-лю-ван-ня процесів у пневмо-пульсаційних апара-тах камерного типу й оптимізації їх ро-бо-ти. Його зна-чен-ня складає 2,2 0,2 МПа. У процесі проведення експерименту отримані криві розтягування вакуумної гу-ми. Дослідження показали, що в гумі товщиною 2 мм чітко виявляються процеси гістерезису. Наяв-ність великих гістерезисних втрат свідчить про недостатню еластичність ма-те-ріалу, що неприпустимо при роботі гумових мембран в апараті, тому застосу-ван-ня її в апараті не ефективно. У зв'язку з цим було проведено дослідження зіткнен-ня мембрани з конусною обкладкою. Воно відбувається стрибкоподібно. При малому перепаді тиску мембрана закриває вихід до ресивера розрідження, за-ли-шають-ся застійні зони і потенціал розрідження використовується не повністю.

Проведені дослідження обумовили необхідність створення нової удоскона-ле-ної камери пневмо-пульсаційного пристрою. У конструкцію камери внесено наступ-ні зміни:

1. Використання для мембран гуми товщиною 5-7 мм.

2. Співвідношення робочого об'єму внутрішньої камери 9 (рис. 1) повинне бути рівним об'ємові камер 7, 8.

3. У камерах 7, 8 при підключенні вакууму можливе утворення застійних зон, які можна усунути шляхом нанесення проточок на внутрішню поверхню конічних обкладок.

Порівняльна оцінка ефективності удосконаленого пневмо-пульсаційного апарата була проведена на прикладі екстракції системи технічна вода – чай із засто-суван-ням традиційних апаратів з механічною мішалкою і технології, засно-ва-ної на методі ДІВЕ.

Результати дослідження наведені на рис. 14. Показано, що при використан-ні технології, заснованої на методі ДІВЕ, концентрація чаю у розчині вища, ніж при застосуванні механічної мішалки, починаючи з моменту часу t=2 c. Це свід-чи-ть про істотну інтенсифікацію масообміну при застосуванні технології, заснованої на принципі ДІВЕ. Указана інтенсифікація масообміну обумовила створення про-мис-ло-во-го устаткування, що використовує принцип ДІВЕ.

В Інституті технічної теплофізики розроблена проектно – технічна доку-мен-тація на різні типорозміри пневмо-пульсаційних екстракторів з об'ємом реак-тора 0,020; 0,100; 0,630 м3 (табл.). Виготовлено і випробувано в промислових умовах пневмо-пульсаційні екстрактори з об'ємом реактора 0,020; 0,100 м3, виготов-лений та впроваджений імпульсний екстрактор з об'ємом реактора 0,63 м3. Пуль-сацій-ний екстрактор ЭИ - 100 апробований в умовах Київської фарма-цев-тич-ної фабрики. Результати дослідів представлені на рис. 15.

Аналіз економічної та енергетичної ефективності застосування пневмо-пульсацій-ного обладнання при екстрагуванні рослинної сировини показав, що ви-ко-рис-тан-ня екстрактора пневмо-пульсаційного типу дозволяє одержувати економію енергії 28,5 КВт·год/т, що складає 10,3 т.у.п. на тонну продукції. Процес екстрак-ції в апаратах такого типу скорочує час обробки речовини в 3-10 раз і підви-щує ступінь вилучення цільової речовини.

Таблиця

Технічні характеристики пневмо-пульсаційної техніки

Найменування | Оди-ни-ця ви-мі-ру | Модель апарату

ЕІ – 020Л | ЕІ – 006Е | ЕІ – 100,

ЕІ – 100М | ЕІ – 630

Об'єм реактора | мз | 0,02 | 0,006 | 0,100 | 0,63

Продуктивність по готовому продук-ту | м3/год | 0,01 | 0,0025 | 0,05 | 0,25

Середній розмір часток сировини | мм | 1,0 – 10 | 1,0 - 5 | 1,0-10 | 1,0 – 10

Температура суміші в реакторі | К | 280-370 | 280 - 370 | 298-343 | 298-343

Встановлена електрична потужність | кВт | не більш

1,0 | не більш 1,0 | не більш 2,0 | 15

Застосування | лабора-торний | експеримен-тальний | промис-ло-ві | промис-ловий

Основні результати:

1. Проведено апробацію сучасних моделей турбулентності на задачі витікання середовища в осесиметричний тупик.

2. Проведено чисельне дослідження процесів гідродинаміки і теплообміну в реакторі пневмо-пульсаційного апарата камерного типу.

3. Експериментально отримано апроксимуючі вирази залежності швидкості рідини в трубі пневмо-пульсаційного пристрою камерного типу для труб із внутрішніми діаметрами 15,7 і 20,2 мм.

4. З урахуванням прогнозованого значення початкового прогину мембран експериментально визначена залежність між тиском і витратою в трубі пульсатора.

5. Визначено залежність величини періоду власних коливань рідини в трубі екстрактора від глибини занурення, що дозволяє розрахувати оптимальну глибину занурення труби пульсатора таким чином, щоб період власних коливань рідини в пульсаторі резонансно збігався з періодом підключень пульсатора до ресиверів вакууму і високого тиску.

6. Визначено модуль пружності вакуумної гуми Е = 2,20,2 МПа. Це значення становить практичний інтерес для моделювання процесів у пневмо-пульсаційному апараті.

7. Дано рекомендації з удосконалення камери пневмо-пульсаційного апарату камерного типу.

8. У ході промислового експерименту отримано, що час процесу екстракції при застосуванні устаткування принципу ДІВЕ скорочується в 3...10 разів.

Основні висновки:

1. Встановлено робочий елемент принципу ДІВЕ – нестаціонарний тороїдальний вихор, що зумовлює інтенсифікацію процесу перемішування в реакторі пневмо-пульсаційного єкстрактора.

2. Процеси гідродинаміки та теплообміну в пневмо-пульсаційному екстракторі адекватно описуються ренормгруповою k – моделлю турбулентності.

3. На основі проведених досліджень встановлені рекомендації з удосконалення конструкції пневмо-пульсаційного екстрактора типу ЭИ-100, ЭИ -100М:

• глибина занурення труби пульсатора в реактор повинна становити близько 0,3 м;

• найбільш ефективне підключення другої камери пульсатора з організацією синхронного режиму їхньої роботи;

• період коливань мембран повинен становити близько 1,0 с;

• для підтримання постійної температури необхідно теплоізолювати місце удару і розвороту струменя.

4. На основі експериментальних досліджень встановлені рекомендації, щодо удосконалення конструкції камери пневмо-пульсаційного пристрою:

• на внутрішній стороні обкладки камери рекомендуються проточки;

• співвідношення об'ємів серединної і бічних камер повинно становити 1:1;

• в якості мембран рекомендується використовувати гуму товщиною 5-7 мм.

5. Використання екстрактора пневмо-пульсаційного типу дозволяє одержувати економію енергії 28,5 кВт·год/т, що складає 10,3 т.у.п. на тонну продукції економії умовного палива. Процес екстракції в апаратах такого типу скорочує час обробки речовини в 3-10 разів і підвищує ступінь витягнення цільової речовини.

Позначення: А – амплітуда коливань швидкості; а – коефіцієнт температуро-провод-ності; b – товщина гумової мембрани; C – константи; Ср – питома тепло-ємність при постійному тиску; с – концентрація; D – діаметр реактора робочої ємності; d – діаметр труби; E – модуль пружності гуми; Gk – генерація турбулент-ної кінетичної енергії; h – глибина занурення труби пульсатора; k – кінетична енер-гія турбулентності; l - половина відстані між обкладками камери; L – висота реак-тора робочої ємності; N – процентний вміст етилового спирту; Pr - число Прандтля; p – статичний тиск; r – радіальна координата; R – радіус; S – площа; T – тем-пература; t – час; u – повздовжня складова швидкості; V – об'єм; W – коор-дината прогину мембрани; x – осьова координата; z – висота стовпа рідини; – коефіцієнт тепловіддачі; – декремент загасання; – швидкість дисипації; – коефі-цієнт гідравлічного опору на вході і виході з труби; – швидкість дефор-ма-ції; – коефіцієнт теплопровідності; – динамічна в'язкість; – вектор швид-кос-ті; – коефіцієнт гідравлічного опору; – густина; – період власних коливань; – радіальна складова швидкості; ij - тензор швидкості деформації; – частота коли-вань середньої швидкості. Індекси: eff – ефективність; d – деформаційне; h – зіт-кнення; k – обумовлене кінетичною енергією турбулентності; mol – молекуляр-на; t – турбулентна; e – обумовлено дисипативним масштабом; – обумовлено в'яз-кістю; м – мембрана; р – гума; с – зріз; сх - зіткнення мембрани; 0 – початко-вий; 1 – труба; 2 – реактор. Скорочення: ДІВЕ – дискретно-імпульсне введення енергії;

Основні наукові положення дисертації викладено в роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Окремі аспекти дисертаційної роботи викладено в 11 тезах.

АНОТАЦІЯ

Мартиненко М.П. Гідродинаміка та тепломасообмін в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплотехніка, Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ, 2005.

У роботі проведено теоретичні та експериментальні дослідження гідродинаміки та тепломасообміну в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу. Наведено оригінальні дані по фізичним механізмам процесів, що мають міс-це в пневмо-пульсаційних апаратах такого типу. В результаті двовимірного та триви-мір-ного моделювання отримані поля швидкості, температури та функцій току; проаналізовано особливості гідродинаміки та теплообміну в апараті такого типу. Експериментально досліджено швидкість руху рідини в трубі пневмо-пульса-ційного апарата. Представлені розрахункові співвідношення та дослідні дані для прогину гумових мембран в пульсаторах камерного типу для випадків незалеж-ного і спільного їх деформування з урахуванням вихідної залишкової дефор-мації. Визначено період власних коливань рідини в трубі такого пристрою. Надано рекомендації, щодо удосконалення камери пневмо-пульсаційного апарату, глиби-ни занурення труби пульсатора та режимів його роботи. Проведено аналіз ефекти-вності та надано оцінку енергозаощадження при виробництві рідких екстрактів.

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию гидродинамики и тепломассообмена в пневмо-пульсационном аппарате камерного типа.

В работе приведены данные по физическим механизмам процессов, происходящих в пневмо-пульсационном аппарате. Экспериментально подтверждено наличие в аппарате таких элементов ДИВЭ, как паровой пузырек, гидродинамическая каверна, кумулятивная микроструя и тороидальный вихрь. Визуализированы процессы, происходящие в камере и реакторе пневмо-пульсационного аппарата.

Проведена апробация моделей турбулентности, таких как стандартная k – модель, РНГ k – модель и МНР в задаче истечения среды в осесимметричный тупик. Показано, что оптимальной моделью для расчета пневмо-пульсационных аппаратов является РНГ k – модель турбулентности. В результате двухмерного и трехмерного моделирования получены поля скорости, температуры и функций тока. На основе этих исследований проанализированы особенности гидродинамики и теплообмена в аппарате. Проведено сравнение полученных данных с экспериментальными исследованиями. Сопоставление результатов расчета и экспериментальных данных показали хорошее совпадение.

Экспериментально исследована скорость движения жидкости в трубе пневмо-пульсационного аппарата. Представлены расчетные соотношения и экспериментальные данные для прогиба резиновых мембран в пульсаторах камерного типа для случая независимого и совместного их деформирования с учетом начальной остаточной деформации. Определена зависимость величины периода собственных колебаний жидкости в трубе пульсатора камерного типа от глубины погружения, которая позволяет рассчитать оптимальную глубину погружения трубы пульсатора таким образом, чтобы период собственных колебаний жидкости в пульсаторе совпадал с периодом подключений пульсатора к ресиверам вакуума и высокого давления.

Даны рекомендации по усовершенствованию камеры пневмо-пульсационного аппарата, глубине погружения трубы пульсатора и режимов его работы. Приведены данные опытно-промышленных испытаний аппарата. В ходе промышленного эксперимента получено, что время процесса экстракции при применении оборудования принципа ДИВЭ сокращается в 3…10 раз.

Проведен анализ эффективности и оценка энергосбережения при производстве жидких экстрактов.

SUMMARY

Martynenko M.P. Hydrodynamics and heat and mass transfer of chamber type pneumo-pulse apparatus. – Manuscript.

Thesis for a Degree of “Candidate of Technical Sciences”. Speciality 05.14.06 – “Engineering Thermophysics and Industrial Heat-and-Power Engineering”. Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The investigation of hydrodynamics, heat and mass transfer of chamber type pneumo-pulse apparatus was carried out. The physical representation of real processes in pneumo-pulse apparatus is offered. The results of modeling of two- and three-dimensional fluid motion are presented. Fields of velocities and stream functions are determined. Peculiarities of hydrodynamics and heat transfer of chamber type pneumo-pulse apparatus are analyzed. Jet velocity in the tube of pneumo-pulse apparatus was experimentally obtained. The computation al relations and experimental data for deflection of rubber membranes in chamber-type pneumo-pulse apparatus for the cases of independent and combined deformation of the membranes with account for initial residual deformation are presented. The natural oscillations of liquid for apparatus of such type are investigated. The improvement suggestion of camber design and mode of operation of pneumo-pulse apparatus are offered. The economical efficiency and power-saving effects at liquid extract processing are analyzed.