ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Русанов Сергій Аркадійович

УДК 66.01: 66.011

МОДЕЛЮВАННЯ ГІДРОДИНАМІКИ ВІБРОКИПЛЯЧОГО ШАРУ З РОЗРОБКОЮ УТИЛІЗАТОРА ТЕПЛА СИПКИХ МАТЕРІАЛІВ

05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Херсон 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор

Луняка Клара Василівна,

Херсонський національний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, завідувач кафедри “Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів”

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Кулінченко Віталій Романович,

Національний університет харчових технологій, Міністерство освіти і науки України, професор кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування;

кандидат технічних наук, доцент

Коваленко Ігор Валентинович

Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України,

доцент кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування.

Захист відбудеться « _26_»_червня_ 2008 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 67.052.04 при Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розісланий «_22_»_травня__2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г.А.Чумаков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вібраційні методи інтенсифікації фізичних процесів і хімічних реакцій, в тому числі створення віброкиплячого шару сипких матеріалів, знаходять все більш широке застосування в багатьох галузях промисловості. При цьому разом з інтенсифікацією технологічних процесів з'являється можливість поєднання двох або декількох технологічних операцій. Наприклад, досить просто поєднується транспортна операція з теплообмінними процесами. У зв’язку з цим створення енергозберігаючого утилізаційного обладнання з віброкиплячим шаром є досить перспективним. Але створення ефективного обладнання стримується недостатньою вивченістю деяких закономірностей процесу віброкипіння.

Існує досить багато спроб об'єднання сукупності спостережуваних фактів процесу віброкипіння в рамках однієї теорії. Ті або інші аспекти вдається описати різними моделями, проте достатньо надійної методики прогнозування поведінки віброкиплячого шару до цього часу не створено, і всі існуючі моделі мають вузьку область застосування. Відсутність можливості надійного прогнозування поведінки віброкиплячих шарів стримує процес впровадження обладнання для обробки сипких матеріалів у віброкиплячому шарі у виробництво.

Таким чином, систематичні експериментальні та теоретичні дослідження процесу віброкипіння з розробкою адекватної математичної моделі, що відповідає експериментальним даним і дозволяє автоматизувати обчислення, та розробка на основі вказаних досліджень енергозберігаючого утилізаційного обладнання з урахуванням інтенсифікуючих властивостей процесу віброкипіння є перспективним завданням, у зв’язку з чим робота є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дослідження співпадає з науково-дослідною тематикою Херсонського національного технічного університету “Дослідження теплових, гідромеханічних, масообмінних та механічних процесів в машинах і апаратах хімічних виробництв”. Дослідження виконані згідно з науково-технічною програмою № 0106U004204. Автор брав участь у даній роботі як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вивчення гідродинаміки віброкиплячих шарів сипких матеріалів зі створенням достатньо точної математичної моделі, яка описує структуру і поведінку віброкиплячого шару в різних умовах, моделювання процесу на ЕОМ зі створенням відповідного програмного забезпечення, проведення експериментальних досліджень гідродинаміки та теплообміну віброкиплячих шарів та розробка утилізатора тепла сипких матеріалів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- розробити математичну модель процесу віброкипіння сипких матеріалів з урахуванням характерних особливостей процесу;

- показати ефективність отриманої моделі на характерних задачах та співставленні з відомими експериментальними даними;

- розробити програмне забезпечення, що дозволяє автоматизувати моделювання процесу віброкипіння для широкого діапазону вхідних даних;

- провести експериментальні дослідження процесу транспортування та теплообміну віброкиплячого шару з вібруючими поверхнями на стендових моделях;

- розробити теплообмінник-утилізатор, конструктивні особливості якого забезпечать інтенсифікацію теплообміну за участю сипких матеріалів;

- розробити методики інженерного розрахунку основних конструктивних параметрів запропонованого обладнання.

Об’єкт дослідження – віброкиплячий шар сипкого матеріалу.

Предмет дослідження – гідродинаміка і теплообмін в віброкиплячих шарах сипких середовищ.

Методи дослідження – математичне моделювання здійснювалось на підставі класичних положень механіки суцільного середовища, теорії двофазних потоків з застосуванням сучасних чисельних методів. Фізичний експеримент проведено шляхом експериментальних досліджень на стендових моделях з віброкиплячим шаром. На етапі комп’ютерного моделювання застосовані програми комп’ютерної алгебри Maple 8 та MATLAB 6.5, система скінченноелементного аналізу FEMLAB 3.0. Побудову теоретичних залежностей виконано методами диференціального та тензорного обчислень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- створено математичну модель, що описує структуру і поведінку віброкиплячого шару в різних умовах, дозволяє спрогнозувати поведінку віброкиплячого шару в цілому для широкого спектру впливаючих чинників: фізичних властивостей сипкого матеріалу та газового середовища, геометрії робочого органу, параметрів вібровпливів, особливостей взаємодії фаз між собою та з вантажонесучими поверхнями;

- отримані рівняння, що описують поведінку віброкиплячого шару як суцільного середовища з особливою реологією, в якому, за рахунок підведеної зовнішньої вібрації, поширюються нелінійні хвилі деформації з періодичними змінами щільного та розпушеного стану; процес взаємодії віброкиплячого шару з вібруючими поверхнями з урахуванням деформацій вантажонесучих опор.

При цьому вирішено ряд питань, які стосуються:

- проведення теоретичних досліджень гідродинаміки руху віброкиплячих шарів сипких середовищ, включаючи:

- моделювання одиничного підкидання шару сипкого матеріалу;

- моделювання поведінки шару матеріалу на вертикально вібруючій поверхні;

- моделювання поведінки віброкиплячого шару, поперемінно контактуючого з двома вібруючими поверхнями;

- аналіз взаємодії віброкиплячого шару з несучими поверхнями;

- отримання профілів швидкостей та кривих плину віброкиплячого шару;

- експериментальних досліджень гідродинаміки віброкиплячого шару та теплообміну теплоносіїв з вібруючими поверхнями на стендових моделях з отриманням результатів, що дозволяють вести розрахунок та проектування теплообмінного утилізаційного обладнання з віброкиплячим шаром.

Практичне значення одержаних результатів.

- Розроблено систему автоматизованого моделювання гідродинаміки віброкиплячих шарів «Виброслой 1.0»;

- з метою утилізації тепла сипких матеріалів, що виходять після теплової обробки, запропонована захищена деклараційним патентом України конструкція теплообмінника-утилізатора, виготовлений такий апарат, проведені дослідження його роботи;

- розроблено методику розрахунку запропонованого обладнання для умов, продиктованих виробництвом;

- отримані наукові результати впроваджені у виробництво на промисловому підприємстві ЗАТ «Укрсклопром».

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні досліджень як в теоретичному, так і в експериментальному плані, а саме: аналізі літератури, підборі та апробації методик дослідження, теоретичному аналізі гідродинаміки віброкиплячого шару, розробці програмного забезпечення для автоматизованого моделювання гідродинаміки віброкиплячих шарів, проведенні серії моделювань гідродинаміки віброкиплячого шару в різних умовах, виготовленні експериментальної установки, виконанні експериментів, розробці утилізатору тепла сипких матеріалів, узагальненні отриманих результатів.

Постановка завдання, обговорення результатів досліджень, їх інтерпретація, узагальнення і формулювання висновків проводилося разом з науковим керівником д.т.н., професором Лунякою К.В.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на Міжнародній науково – практичній конференції “Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК” (Мелітополь 2005), науково – технічній конференції “Проблеми легкої та текстильної промисловості України” (Херсон, 2006), ІІІ Всеукраїнській науково – практичній конференції “Теорія і практика сучасного природознавства” (Херсон, 2007).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано у 11 наукових працях, з них 6 – у фахових виданнях, затверджених ВАК України, тез доповідей – 1. Отримано деклараційний патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, п’ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Основний текст дисертації викладено на 189 сторінках, що містять 140 рисунків, з яких 64 розміщені на 25 окремих сторінках, та 11 таблиць, з яких 3 розміщені на 3 окремих сторінках. Список літератури складає 129 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, сформульовані мета та задачі досліджень, їх наукова новизна та практичне значення, подана загальна характеристика роботи, наведена основна інформація про апробацію роботи, публікації, зв’язок з науковими програмами.

У розділі 1 проаналізовано особливості впливу вібрації на сипкі середовища, проаналізовані відомі дані стосовно гідродинаміки та теплообміну шарів сипких матеріалів в умовах підведеної зовнішньої вібрації.

Розглянуті основні моделі, що описують гідродинаміку віброкиплячого шару. Встановлено, що всі існуючі моделі процесу віброкипіння мають вузьку область застосування у зв'язку з безліччю спрощуючих допущень, що вводяться при створені вказаних моделей.

Проведено огляд питань, що стосуються застосування процесу віброкипіння, створення транспортно-технологічного обладнання з віброкиплячим шаром.

На основі проведеного аналізу літературних джерел були сформульовані напрямки досліджень.

У розділі 2 описаний загальний план теоретичних та експериментальних досліджень, описані чисельні методи інтегрування диференціальних рівнянь математичної моделі віброкипіння, наведена схема експериментальної установки та описана її робота, описані матеріали та прилади, що використовувалися у роботі, методики, що використовувались при проведенні експериментальних досліджень.

У розділі 3 проведено математичне моделювання гідродинаміки віброкиплячого шару на основі рівнянь нерозривності та руху для двофазного середовища (газ-тверді частинки).

Система рівнянь руху та нерозривності для двофазного середовища була перетворена з урахуванням особливостей процесу віброкипіння сипких середовищ. Однією з найважливіших відомих особливостей процесу, що дозволяє провести значні спрощення та адаптування до наступної автоматизації обчислень вихідної системи рівнянь гідродинаміки віброкиплячого шару як двофазного середовища, є наявність значних перепадів тиску газової фази над та під шаром. Завдяки вказаній особливості з’являється можливість провести спрощення рівняння руху газу за рахунок використання модифікованого рівняння Ергана, спрощення рівняння збереження маси для твердої фази, спрощення рівняння руху твердої фази за рахунок використання опису руху за Лагранжем та спрощення завдання граничних умов. Остаточна система рівнянь, що описує гідродинаміку процесу віброкипіння шарів дисперсних середовищ для схеми, що вказана на рис.1, була представлена у вигляді:

(1)

де s – об’ємна концентрація твердих частинок; – початковий розподіл об’ємної концентрації твердої фази по області Щ, що зайнята віброкиплячим шаром; u – вектор переміщення центра тяжіння системи частинок, що знаходяться всередині елементарного фізичного об’єму dV з радіус-вектором r, виділеного в області Щ, м; сg – густина газової фази, кг/м3; k – проникність шару, м2; µ – динамічна в’язкість газу, Па·с; t – час, с; сs – об’ємна маса матеріалу твердих частинок, кг/м3; p – тиск, Па; фs – тензор напруг, які виникають при взаємодії частинок, Па; g – вектор прискорення вільного падіння, м/с2; R – вектор взаємодії між частинками і газом, Н/м3; Div – оператор тензорної дивергенції.

Рис.1. Віброкиплячий шар та елементарний фізичний об’єм сипкого середовища.

Для замкнення системи (1) окремо задавались рівняння для проникності шару k, тензору напруг фs, зв’язку між густиною газу та тиском тощо. Проникність шару k знаходилася з перетвореного рівняння Ергана для падіння тиску в класичних псевдозріджених шарах, та задавалась у вигляді:

;

; , (2)

де g = 1 - s – об’ємна концентрація газової фази (порізність); Ф – фактор форми частинок шару; d – середній діаметр частинок шару, м; vgвідн=vg-vs– вектор відносної швидкості газової фази, м/с; – швидкість частинок в шарі, м/с.

Тензор фs задавався таким чином, щоб врахувати два можливих стани елементарного об’єму шару сипкого матеріалу в процесі віброкипіння: розпушений та щільний стан. У щільному стані у першому наближенні шар сипкого матеріалу моделювався пружним ізотропним середовищем, у розпушеному стані враховувався процес середньостатистичних зіткнень частинок матеріалу за кінетичними теоріями. Як параметр, що визначає стан шару в даній точці (щільний стан, стан розпушення) була вибрана порізність шару. Таким чином, вираз для тензора напруг, що враховує два вказаних стани шару, приймався у вигляді:

(3)

де з, л – сталі Ламе, Па; go – порізність шару в щільному стані; – символ Кронекера; – компоненти тензору відносних деформацій;– компоненти тензору, що описує середовище в стані розпушення, Па.

Вектор взаємодії між частинками і газом R задавався з векторної модифікації рівняння Ергану, зв'язок густини газу та тиску у вільному просторі між частинками шару (рис.1) задавався на основі рівняння стану ідеального газу.

Початкові й граничні умови для системи (1) задаються як для звичайної задачі по дослідженню напружено-деформованого стану суцільного середовища. Задаються закони руху несучих поверхонь, закони взаємодії шару з поверхнями, швидкість газу (можлива продувка газу через шар), або тиск на відкритих поверхнях.

Таким чином, у рамках вказаної моделі віброкиплячий шар (двофазне середовище) за рахунок його характерних особливостей був представлений як суцільне однофазне середовище з особливою реологією, в якому, за рахунок підведеної зовнішньої вібрації, поширюються нелінійні хвилі деформації з періодичними змінами щільного та розпушеного стану. Для підтвердження адекватності моделі були проведені чисельні розрахунки для наступних задач одновимірного віброкипіння: моделювання одиничного підкидання шару сипкого матеріалу (рис.2,3), моделювання поведінки шару матеріалу на вертикально вібруючій поверхні (рис.4,5), моделювання віброкиплячого шару, поперемінно контактуючого з двома поверхнями (рис.6,7). Для чисельного інтегрування зазначеної задачі було використано метод скінченних різностей. Запис скінченнорізницевих рівнянь здійснюється за допомогою явної і неявної схем. Нелінійні системи розв’язували стандартним методом Ньютона. Подібна схема забезпечувала хорошу стійкість різницевого рішення.

а) |

б)

Рис. 2. Швидкість твердих частинок (а) та газу (б) по висоті шару:

1 – 0 м; 2 – 0,04 м; 3 – 0,08 м; 4 – 0,12 м; 5 – 0,16 м; 6 – 0,20 м; 7 – 0,24 м.

а) |

б)

Рис. 3. Розподіл тиску по висоті шару (а) та траєкторії руху частинок по висоті шару, відраховані від вихідного положення (б):

1 – 0 м; 2 – 0,04 м; 3 – 0,08 м; 4 – 0,12 м; 5 – 0,16 м; 6 – 0,20 м; 7 – 0,24 м.

Рис. 4. Швидкість твердих частинок (а) та газу (б) по висоті шару:

1 – 0 м; 2 – 0,048 м; 3 – 0,096 м; 4 – 0,144 м; 5 – 0,192 м; 6 – 0,240 м.

Рис. 5. Розподіл тиску по висоті шару (а) та траєкторії руху частинок по висоті шару, відраховані від вихідного положення (б):

1 – 0 м; 2 – 0,048 м; 3 – 0,096 м; 4 – 0,144 м; 5 – 0,192 м; 6 – 0,240 м.

Рис. 6. Швидкість твердих частинок (а) та газу (б) по висоті шару:

1–0 м; 2–0,05 м; 3 – 0,10 м; 4 – 0,15 м; 5 – 0,20 м; 6 – 0,25 м; 7 – 0,30 м.

Рис. 7. Траєкторії руху частинок по висоті шару, відраховані від вихідного положення (а) та розподіл тиску (б) по висоті шару: 1 – 0 м; 2 – 0,05 м; 3 – 0,10 м; 4 – 0,15 м; 5 – 0,20 м; 6 – 0,25 м; 7 – 0,30 м.

За рахунок завдання тензора напруг за формулою (3) модель дозволяє розрахувати розподіл у часі ударних напруг в шарі матеріалу при зіткненні з несучими поверхнями. На рис.8 вказані розподіли напруг для розглянутих задач.

Рис. 8. Розподіли напруг по висоті шару сипкого матеріалу: а) для задачі одиничного підкидання шару: 1 – 0 м; 2 – 0,04 м; 3 – 0,08 м; 4 – 0,12 м; 5 – 0,16 м; 6 – 0,20 м; 7 – 0,24 м; б) на вертикально вібруючій поверхні: 1 – 0 м; 2 – 0,048 м; 3 – 0,096 м; 4 – 0,144 м; 5 – 0,192 м; 6 – 0,240 м; в) шару, поперемінно контактуючого з двома поверхнями.

Розглядаючи процеси зіткнення шару матеріалу з несучими поверхнями, при прийнятті для щільного стану елементарного фізичного об’єму сипкого середовища закону пружного деформування, були отримані аналітичні залежності для пікових напруг, що виникають при зіткненні шару з вантажонесучою поверхнею. При цьому показано, що значний вплив на пікові значення ударних напруг мають пружні властивості опор робочого органу. Вказані значення напруг описуються залежністю:

, (4)

де v0 – швидкість зближення вантажонесучої поверхні та шару в момент зіткнення, м/с; E0 – модуль лінійної деформуємості шару, Па; с – насипна об’ємна маса сипкого матеріалу, кг/м3; F – площа поверхні контакту шару з несучою поверхнею, м2; cп – приведена жорсткість основи (опор), Н/м; H – висота шару, м.

Вказана залежність отримана без урахування взаємного впливу газової і твердої фаз в процесі віброкипіння. Співставлення ударних процесів для шару, що фільтрує газ, і внаслідок цього трохи розпушеного, з ударним впливом щільного шару матеріалу (наприклад, для віброкипіння в вакуумі) було проведено в рамках моделі (1) (рис.9).

Рис. 9. Співставлення розподілу переміщень (а), швидкостей твердих частинок (б) та напруг (в) в шарі сипкого матеріалу в вакуумі та в умовах фільтрації газової фази.

Зазначено, що вплив газової фази на ударні навантаження в середньому занижує значення пікових напруг на 30%.

Рис. 10. Схема моделі віброкипіння в прямокутному лотку, що покладена в основу системи автоматизованого моделювання гідродинаміки віброкиплячих шарів «Виброслой 1.0».

Розроблена математична модель використана при створенні системи автоматизованого моделювання гідродинаміки віброкиплячих шарів «Виброслой 1.0». Дана система призначена для моделювання гідродинаміки віброкиплячого шару, що рухається в прямокутному лотку, розташованому під кутом б до горизонту (рис. 10). Лоток здійснює рухи, що описуються векторною функцією зміщень вантажонесучої поверхні у часі , при цьому на вказану залежність не накладається жодних обмежень. Кришка лотку (якщо вона є) також може здійснювати рухи, що описуються векторною функцією . Враховується можливість продувки газу через нижню або верхню поверхні, для яких задаються відповідні газопроникності.

Рис. 11. Елементи інтерфейсу розробленої системи автоматизованого моделювання «Виброслой 1.0»: а) – вікно вхідних даних і лістінгу розрахунку;

б) – вікно постпроцесору.

Система (1), стосовно до вказаної двовимірної моделі, була доповнена рівняннями, що дозволяють врахувати взаємодію частинок дисперсного середовища між собою всередині шару та з бічними стінками і вібруючими поверхнями за кулонівським тертям (у щільному стані) та рідинним тертям для вологих матеріалів, або за кінетичними теоріями (в розпушеному стані), сили зчеплення частинок та адгезійні зв’язки, взаємодію між частинками і газом. Вказані параметри в середовищі програмного продукту «Виброслой 1.0» можуть задаватися в загальному вигляді як аналітичні залежності від основних параметрів процесу (часу та координат, діаметру частинок та фактору форми, в’язкості газового середовища, об’ємної маси фаз та швидкостей і градієнтів швидкостей твердої та газової фази, порізності, переміщень та градієнтів переміщень частинок, тиску та градієнту тиску тощо). Система має зручний багатовіконний інтерфейс користувача (GUI) (рис. 11), та дозволяє проводити серії моделювань поведінки шарів сипких середовищ для широкого спектру вхідних даних.

У розділі 4 наводяться дані, що отримані при проведенні чисельних та натурних експериментів.

Проведено серію співставлень руху насипного продукту з відомими експериментальними даними. Показано, що за розробленою моделлю достатньо добрий збіг з експериментальними даними спостерігається не тільки для області віброкипіння, але й для області віброзрідження.

За результатами чисельних експериментів (рис.12) були отримані графіки профілів середньої швидкості руху сипкого матеріалу (піску) на

Рис.12. Профілі швидкостей вібротранспортування шару піску для параметрів перевантаження: а) – Г=1,16; б) Г=1,7; в) Г=2,33; г) Г=3,47.

вібруючій поверхні, що нахилена під кутом б =15о з кутом вібрації в=90о при різних параметрах перевантаження , де – кругова частота коливань, с-1. За знайденими профілями швидкостей були отримані криві плину віброкиплячого шару по нахиленій вібруючій поверхні, що апроксимуються залежностями для псевдопластичних рідин вигляду:

, (5)

де – напруги зсуву, Па; г – швидкість зсуву, с-1; µ0, k – константи.

Параметри µ0 та k були апроксимовані наступними залежностями:

; (6)

. (7)

Була проведена серія натурних експериментів по аналізу гідродинаміки віброкиплячого шару на експериментальному вібростенді за допомогою кінозйомки з наступною покадровою обробкою. Було досліджено вплив параметрів вібрації у діапазоні , кута нахилу лотку , висоти шару сипкого матеріалу та конфігурації вібруючого лотка (прямокутні та напівкруглі) на гідродинаміку руху віброкиплячого шару. На рис. 13-14 представлені результати дослідження швидкості вібротранспортування для прямокутних лотків.

Рис.13. Залежність швидкості вібротранспортування піску шаром 3 та 5 см від частоти вібрації при куті нахилу лотка (а) та (б);

? – Н=0,03 м; ? – Н=0,05 м.

Рис.14. Залежність швидкості вібротранспортування манної крупи шаром 3 та 5 см від частоти вібрації при куті нахилу лотка (а) та (б); ? – Н=0,03 м; ? – Н=0,05 м.

Експериментальні дані були співставленні з даними чисельного інтегрування системи (1) у програмі «Виброслой 1.0». Результати вказаного співставлення (рис. 15) показали задовільний збіг чисельних розрахунків з натурними дослідженнями.

Рис.15. Залежність швидкості вібротранспортування цукру-піску від частоти вібрації при куті нахилу лотка (а); (б); ? – за програмою «Виброслой 1.0»; ? – експериментальні дані, Н=0,05 м.

Рис. 16. Залежність коефіцієнту тепловіддачі м від частоти вібровпливів.

Дослідження теплообміну віброкиплячих шарів сипких матеріалів з вібруючими поверхнями проводились на вібростенді з встановленим на ньому порожнистим лотком з нахиленою поверхнею, всередині якого була забезпечена циркуляція рідини (вода). Дослідження проводились в діапазоні частот коливань від 10 до 19 Гц, що відповідало частотам обертання ексцентрику вібростенду n=хв.-1 На рис. 16 показано вплив частоти вібрації на тепловіддачу від віброкиплячого шару.

Зазначено, що може бути розрахований за формулою С.С.Забродського для класичних киплячих шарів , де сs – питома теплоємність сипкого матеріалу, Дж/(кг·К), – нормальна складова швидкості зближення (віддалення) частинок та поверхні теплообміну, м/с, – коефіцієнт теплопровідності газового середовища, Вт/(м·К), – середня відстань від стінки до зверненої до неї поверхні частинки, м, в разі, якщо величини та попередньо розраховані за програмою «Виброслой 1.0».

Для подальшої розробки теплообмінного обладнання була проведена серія додаткових експериментів по дослідженню теплообміну стінки з рідиною у вертикально вібруючих каналах. Результати експериментів були представлені у вигляді відношення коефіцієнту тепловіддачі з наявністю вібраційних впливів та без них. Показано, що за рахунок руйнуючого впливу вібрації на пограничний шар рідини при збільшенні інтенсивності вібрації коефіцієнт тепловіддачі зростає, що, з урахуванням покращення тепловіддачі від шару сипкого матеріалу, дозволяє розробити ефективне теплообмінне обладнання з віброкиплячим шаром.

У розділі 5 описується конструкція розробленого на основі одержаних результатів досліджень утилізатора теплоти сипких матеріалів (рис.17), конструктивні особливості якого забезпечують інтенсифікацію теплообміну при охолодженні сипких матеріалів.

Рис. 17. Схема утилізатора тепла сипких матеріалів:

1 – секція теплообмінника; 2 – порожнисті лотки; 3 – кришка; 4 – патрубок для введення сипкого матеріалу; 5,6 – патрубки для виведення та введення води; 7 – з’єднуючі патрубки (з’єднують внутрішні простори порожнистих лотків у секціях); 8 – віброплатформа; 9 – отвір для виведення сипкого матеріалу; 10 – пружини; 11 – двигун; 12 – пасова передача; 13 – віброзбуджувач; 14 – шків.

Теплообмінник виконано у вигляді набору окремих однакових секцій 1, що розміщуються одна на одній в протилежних напрямках. Сипкий матеріал подається через патрубок 4 у кришці 3, а виводиться через отвір 9 у віброплатформі 8. У теплообміннику сипкий матеріал спочатку рухається у стані віброкипіння по нахиленій поверхні порожнистого лотка 2, усередині якого циркулює вода (холодо- або теплоносій), а потім просипається через зазор на наступну секцію, де проходять аналогічні процеси. Охолоджуюча вода подається та відводиться по патрубкам 6 і 5 відповідно, циркуляція води між секціями досягається завдяки з’єднанню внутрішнього простору лотків патрубками 7. Віброкиплячий стан матеріалу забезпечується віброплатформою 8, на якій встановлений теплообмінник. Характер вібровпливів визначається віброзбуджувачем 13.

Для зазначеної конструкції теплообмінника-утилізатора була розроблена методика інженерного розрахунку, де визначається необхідна кількість секцій в залежності від розрахованої необхідної площі теплообміну.

Для детального вивчення роботи запропонованого теплообмінника-утилізатора була проведена серія комп’ютерних моделювань за методом скінченних елементів, що дозволили ретельно проаналізувати характер гідродинаміки рідини в порожнистих лотках та особливості теплообміну. Розрахунки були проведені для ефективних параметрів віброкиплячого шару. Поле швидкостей віброкиплячого шару сипкого матеріалу (піску) було попередньо розраховано в середовищі програми «Виброслой 1.0». Результати розрахунків показано на рис.18.

Рис.18. Лінії течії води в порожнистих лотках двох секцій утилізатору (а), розподіл швидкостей (б) та температур (в) води всередині порожнистого лотка, поле температур сипкого матеріалу на поверхні лотка в секції (г).

Було проведено впровадження запропонованого теплообмінника-утилізатора на ЗАТ «Укрсклопром», м. Херсон, для утилізації теплоти піску після сушильного барабану, результати якого показали високу ефективність пропонованого обладнання.

ВИСНОВКИ

1. Проведено моделювання гідродинаміки віброкиплячого шару на основі створеної математичної моделі, яка описує структуру і поведінку віброкиплячого шару в різних умовах, дозволяє спрогнозувати поведінку віброкиплячого шару в цілому для широкого спектру впливаючих чинників: фізичних властивостей сипкого матеріалу та газового середовища, геометрії робочого органу, параметрів вібровпливів, особливостей взаємодії фаз між собою та з вантажонесучими поверхнями. Отримана модель дозволяє автоматизувати обчислення з використанням мінімального набору вхідних даних.

2. Отримані рівняння, що описують: поведінку віброкиплячого шару як суцільного середовища з особливою реологією, в якому, за рахунок підведеної зовнішньої вібрації, поширюються нелінійні хвилі деформації з періодичними змінами щільного та розпушеного стану; процес взаємодії віброкиплячого шару з вібруючими поверхнями з урахуванням деформацій вантажонесучих опор.

3. Створена система автоматизованого моделювання гідродинаміки віброкиплячих шарів «Виброслой 1.0», що дозволяє провести моделювання поведінки віброкиплячих шарів сипких середовищ з урахуванням фізичних параметрів сипкого середовища та газової фази, параметрів вібровпливів, особливостей фільтрації газу та властивостей робочих органів для ефективного проектування обладнання з віброкиплячим шаром.

4. Проведені теоретичні дослідження гідродинаміки руху віброкиплячих шарів сипких середовищ, включаючи: моделювання одиничного підкидання шару сипкого матеріалу; моделювання поведінки шару матеріалу на вертикально вібруючій поверхні; моделювання поведінки віброкиплячого шару, поперемінно контактуючого з двома вібруючими поверхнями.

5. Отримано профілі розподілу середньої швидкості по висоті шару при русі сипкого матеріалу по нахиленій вібруючій поверхні. За отриманими кривими плину віброкиплячого шару показано, що рух сипкого матеріалу по вібруючим поверхням відповідає руху псевдопластичних рідин.

6. Проведені експериментальні дослідження гідродинаміки віброкиплячого шару та теплообміну теплоносіїв з вібруючими поверхнями на стендових моделях. Було експериментально досліджено вплив параметрів вібрації, кута нахилу лотку, висоти шару сипкого матеріалу та конфігурації вібруючого лотка (прямокутний та напівкруглий) на гідродинаміку руху віброкиплячого шару. Проведено дослідження теплообміну віброкиплячих шарів сипких матеріалів та теплоносія (води) з вібруючими поверхнями в залежності від частот вібровпливів, результати яких були використані для проектування утилізаційного обладнання.

7. Розроблено теплообмінник-утилізатор для використання теплоти сипкого матеріалу, конструктивні особливості якого забезпечують інтенсифікацію теплообміну за участю сипких матеріалів.

8. Розроблена методика інженерного розрахунку та проведені комп’ютерні моделювання гідродинаміки та теплообміну теплоносіїв в запропонованому теплообмінному апараті.

9. Розроблене програмне забезпечення впроваджене для прогнозування динаміки шару сипкого матеріалу в процесі виробництва бетону та розчинів з урахуванням вібрації обладнання та проковзування шару матеріалу на ЗАТ „Управління виробничо-технологічної комплектації”, м. Херсон.

10. Запропонований теплообмінник-утилізатор впроваджений на ЗАТ «Укрсклопром», м. Херсон.

Список опублікованих праць за темою дисертаційної роботи:

1. Русанов С.А., Луняка К.В., Михайлик В.Д. Моделювання гідродинаміки віброкиплячих шарів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2006. – № 3. – С. 188-195.

Особистий внесок здобувача: вивчення літературних джерел, проведення теоретичних досліджень, участь в обговоренні та узагальненні результатів експериментів, підготовці матеріалів до публікації.

2. Русанов С.А., Луняка К.В., Карманов В.В. Математичне моделювання процесу віброкипіння сипких середовищ // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – 2006. – № 1 (17). – С. 32-40.

Особистий внесок здобувача: розробка математичної моделі, узагальнення та підготовка матеріалів до публікації.

3. Русанов С.А., Луняка К.В., Чумаков Г.А. Особливості процесу віброкипіння шару сипкого матеріалу на вертикально вібруючих поверхнях // Вестник Херсонского национального технического университета. – 2006. – №3(26). – С. 131-135.

Особистий внесок: розробка методики та проведення досліджень, підготовка графічного матеріалу, підготовка матеріалів до публікації.

4. Лобов О.О., Русанов С.А., Валько М.І. Перспективи введення вібраційних дій у процес тіпання льону // Легка промисловість. – 2006. – №3 (207). – С. 48-49.

Особистий внесок здобувача: вивчення літературних джерел, проведення досліджень, участь в обговоренні та узагальненні результатів експериментів, підготовка матеріалів до публікації.

5. Русанов С.А., Луняка К.В., Смагін П.В. Дослідження процесу віброкипіння дисперсних середовищ // Вісник Хмельницького національного університету. – 2007. – № 1 (89). – С. 115-122.

Особистий внесок здобувача: проведення чисельних та натурних експериментів, участь в обговоренні та узагальненні результатів експериментів, підготовка матеріалів до публікації.

6. Русанов С.А., Луняка К.В., Ардашев В.А. Некоторые теоретические аспекты процесса виброкипения // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2007. – №6/5 (30). – С.23-25.

Особистий внесок здобувача: огляд літературних джерел, узагальнення теоретичних результатів, підготовка матеріалів до публікації.

7. Русанов С.А., Луняка К.В. Гідродинаміка віброкиплячого шару, поперемінно контактуючого з двома вібруючими поверхнями. // Проблемы информационных технологий – 2007. – №2(002). – С.55-59.

Особистий внесок здобувача: розробка математичної моделі та алгоритму, підготовка матеріалів до публікації.

8. Луняка К.В., Литвиненко О.В., Русанов С.А. Проблемы исследования процесса смешения сыпучих материалов и пути их решения // Теорія і практика сучасного природознавства. Збірник наукових праць. – Херсон: ПП Вишемирський В.С., 2007. – С.45-48.

Особистий внесок здобувача: огляд періодичних публікацій та монографій, виготовлення експериментальної установки, проведення досліджень, участь в обговоренні та узагальненні результатів експериментів, підготовка матеріалів до публікації.

9. Луняка К.В., Литвиненко О.В., Русанов С.А. Визначення витрат потужності при змішуванні сипких матеріалів. // Вісник Хмельницького національного університету. – 2008. – № 1 (104). – С. 59-62.

Особистий внесок здобувача: проведення випробувань, участь в обговоренні та узагальненні результатів експериментів, підготовка матеріалів до публікації.

10. Пат. № 28015 U Україна, МПК F28D7/10. Теплообмінник / С.А.Русанов, К.В.Луняка, О.І.Клюєв. – № u 200707070; Заявлено 25.06.2007; Опубл. 26.11.2007; Бюл. № 19 – 6 с.

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку, виготовлення моделі, проведення випробувань, участь в обговоренні та узагальненні результатів експериментів, підготовка матеріалів до винаходу.

11. Луняка К.В., Русанов С.А., Лобов О.О. Особливості процесів вібровпливів на шари гранульованих та волокнистих матеріалів // Проблеми легкої та текстильної промисловості України. – 2006. – №2(12). – С.180.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних досліджень, аналіз результатів досліджень, підготовка матеріалів до публікації.

АНОТАЦІЯ

Русанов С.А. Моделювання гідродинаміки віброкиплячого шару з розробкою утилізатора тепла сипких матеріалів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2008.

Дисертація присвячена моделюванню гідродинаміки віброкиплячого шару, теоретичним та експериментальним дослідженням процесу віброкипіння, дослідженню впливу різних чинників: фізичних параметрів матеріалу, параметрів вібрації, геометрії робочих органів на гідродинаміку та теплообмін віброкиплячого шару, та розробці на основі отриманих даних утилізатору тепла сипких матеріалів.

Отримано математичну модель, що дозволяє спрогнозувати поведінку віброкиплячого шару в цілому для широкого спектру впливаючих чинників: фізичних властивостей сипкого матеріалу та газового середовища, геометрії робочого органу, параметрів вібровпливів, особливостей взаємодії фаз між собою та з вантажонесучими поверхнями. На основі отриманої моделі були вирішені деякі характерні задачі віброкипіння, створено систему автоматизованого моделювання віброкиплячих шарів сипких матеріалів. Показано, що рух віброкиплячого шару по вібруючим поверхням відповідає руху псевдопластичних рідин. Проведено експериментальні дослідження гідродинаміки віброкиплячого шару та теплообміну теплоносіїв з вібруючими поверхнями на стендових моделях. Розроблено теплообмінник-утилізатор для використання теплоти сипкого матеріалу, конструктивні особливості якого забезпечують інтенсифікацію теплообміну за участю сипких матеріалів. Розроблений утилізатор та програмний продукт впроваджено на двох підприємствах.

Ключові слова: віброкиплячий шар, вібрація, гідродинаміка, теплообмін, математичне моделювання, утилізатор.

АННОТАЦИЯ

Русанов С.А. Моделирование гидродинамики виброкипящего слоя с разработкой утилизатора тепла сыпучих матералов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 – процессы и оборудование химической технологии. – Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2008.

Диссертация посвящена моделированию гидродинамики виброкипящих слоев, теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса виброкипения, влиянию различных факторов: физических параметров материала, параметров вибрации, геометрии рабочих органов на гидродинамику и теплообмен виброкипящего слоя, а также разработке на основе полученных данных утилизатора теплоты сыпучих сред.

Вибрационные методы интенсификации физических процессов и химических реакций, в том числе создание виброкипящего слоя сыпучих материалов, находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности. При этом вместе с интенсификацией технологических процессов появляется возможность объединения двух или нескольких технологических операций. Например, достаточно легко соединяется транспортная операция с теплообменными процессами. В связи с этим создание энергосберегающего утилизационного оборудования с виброкипящим слоем является достаточно перспективным. Однако, для эффективного проектирования оборудования с виброкипящим слоем, необходима разработка адекватных математических моделей и накопление достаточного экспериментального материала.

Была разработана математическая модель процесса виброкипения, которая с единых позиций описывает структуру и поведение виброкипящего слоя в разных условиях, позволяет спрогнозировать поведение виброкипящего слоя в целом для широкого спектра влияющих факторов: физических свойств сыпучего материала и газовой среды, геометрии рабочего органа, параметров вибрации, особенностей взаимодействия фаз между собой и с грузонесущими поверхностями. Полученная модель позволяет автоматизировать вычисление с использованием минимального набора входных данных.

Получены уравнения, которые описывают поведение виброкипящего слоя как сплошной среды с особой реологией, в которой за счет подведенной внешней вибрации распространяются нелинейные волны деформации с периодическими изменениями плотного и разрыхленного состояния, процесс взаимодействия виброкипящего слоя с вибрирующими поверхностями с учетом деформаций опор грузонесущего органа.

Проведены моделирования единичного подбрасывания слоя сыпучего материала, поведения слоя материала на вертикально вибрирующей поверхности; моделирование поведения виброкипящего слоя, попеременно контактирующего с двумя вибрирующими поверхностями. Получены профили распределения средней скорости по высоте слоя при движении сыпучего материала по наклонной вибрирующей поверхности. По полученным кривым течения виброкипящего слоя установлено, что движение слоя сыпучего материала по вибрирующим поверхностям соответствует движению псевдопластичных жидкостей.

Создана система автоматизированного моделирования поведения виброкипящих слоев "Виброслой 1.0", которая позволяет провести моделирование поведения виброкипящего слоя сыпучего материала с учетом физических параметров среды и газовой фазы, параметров вибрации, особенностей фильтрации газа и свойств рабочих органов для эффективного проектирования оборудования с виброкипящим слоем.

Проведены экспериментальные исследования гидродинамики виброкипящего слоя и теплообмена теплоносителей с вибрирующими поверхностями на стендовых моделях. Было экспериментально исследовано влияние параметров вибрации, угла наклона лотка, высоты слоя сыпучего материала и конфигурации вибрирующего лотка на гидродинамику движения виброкипящего слоя. Проведены исследования теплообмена виброкипящих слоев сыпучих материалов и теплоносителя (воды) с вибрирующими поверхностями в зависимости от частоты вибрации, которые были использованы для проектирования теплоутилизационного оборудования.

Разработан теплообменник-утилизатор для отбора теплоты сыпучего материала в виброкипящем слое, конструктивные особенности которого обеспечивают интенсификацию теплообмена. За счет простоты и гибкости конструкции данный теплообменник-утилизатор легко адаптируется к условиям производства.

Представлена методика инженерного расчета и проведено компьютерное моделирование работы предложенного теплообменного аппарата. Созданное программное обеспечение и оборудование были внедрены на двух предприятиях.

Ключевые слова: виброкипящий слой, вибрация, гидродинамика, теплообмен, математическое моделирование, утилизатор.

SUMMARY

Rusanov S.A. Modeling of the hydrodynamics vibratory boiling layers with development utilizer of heats loose materials. – The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.17.08 - Processes and equipment chemical engineering. - Kherson National Technical University, Kherson, 2008.

The dissertation is devoted to research of hydrodynamics of hydrodynamics vibratory boiling layers, influence of the different factors: physical parameters of the material, parameters of vibrations, geometries labour body on hydrodynamics and heat exchange in vibratory boiling layers with development utilizer of heats loose materials. It is received mathematical model, which allows to describe the behaviour vibratory boiling layers as a whole for broad spectrum affecting factor: physical characteristic of the loose material and gas ambience, geometries labour body, parameters of vibrations, particularities of the interaction of the phases between itself and with labour body. On base got models were solved some typical problems of the hydrodynamics vibratory boiling layers, is created system of automatic modeling vibratory boiling layers of loose material.

It is shown that motion vibratory boiling layers on vibrating surface corresponds to motion an plastic liquids. The experimental studies of hydrodynamics vibratory boiling layers and heat exchange heat-transfer agent with vibrating surface are organized on stand models. It is designed heat exchanger-utilizer for use the heat of the loose material.

Key words: vibratory boiling layers, vibration, hydrodynamics,