Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 7
1.1. Смесительные устройства: назначение иобласть приименения 7
1.2. Обзор научной литературы 9
1.2.1. Анализ работ, посвященных вопросам эксплуатации гидродинамических кавитационных смесительных устройств 9
1.2.2. Обзор работ, посвященных исследованию кавитационных параметров и характеристик струйных насосов 14
1.2.3. Анализ рабочего процесса в жидкостно - газовом струйном насосе 22
1.3. Цель и задачи исследования 27
2. Математическая модель рабочего процесса в эмульгаторах непрерывного действия 30
2.1. Принципиальные схемы и рабочий процесс 30
2.2. Выбор физической модели течения 35
2.3. Математическая модель рабочего процесса 42
2.3.1. Исходные уравнения рабочего процесса 42
2.3.2. Основное уравнение струйного смесителя 44
2.3.3. Основное уравнение смесителя с гидродинамической решеткой 47
2.3.4. О скорости звука в двухфазных потоках 51
2.3.5. Продольное распределение параметров потока
смеси в рабочей камере 56
2.3.6. Паросодержание в потоке за очагами кавитации 62
2.3.7. Выводы по главе 66
3. Конструкции гидродинамических смесительных устройств. состояние и перспективы 68
3.1. Классификация смесительных устройств 68
3.1.1. Механические смесительные устройства 68
3.1.2. Волновые смесительные устройства 70
3.1.3. Резюме 73
3.2. Патентный обзор смесительных устройств 75
3.2.1. Смесительные устройства с подвижными элементами 75
3.2.1.1. Устройства с принудительным приводом 75
3.2.1.2. Устройства без принудительного привода 85
3.2.1.3. Выводы 90
3.2.2. Смесительные устройства без подвижных элементов 90
3.2.3. Гидродинамические кавитационные смесители 96
3.2.3.1. Аналоги и прототипы 96
3.2.3.2. Предложения по улучшению конструкций гидродинамических кавитационных смесителей 104
3.3. Конструкция гидродинамического кавитационного смесителя непрерывного действия с многоструйным соплом 106
4. Натурные испытания кавитационного смесителя. Метод расчета смесителей нового поколения 111
4.1. Натурные испытания 111
4.1.1. Полупромышленный образец смесителя 111
4.1.2. Задача натурных испытаний 111
4.1.3. Результаты натурных испытаний полупромышленного смесителя и их анализ 113
4.2. Метод расчета 121
4.2.1. Задача расчета 121
4.2.2. Сущность метода
4.2.3. Пример расчета Основные выводы литература
- Обзор работ, посвященных исследованию кавитационных параметров и характеристик струйных насосов
- Исходные уравнения рабочего процесса
- Волновые смесительные устройства
- Результаты натурных испытаний полупромышленного смесителя и их анализ
Введение к работе
На кафедре " Гидравлика и гидропневмосистемы " ЮУрГУ в течение ряда лет проводится цикл исследований по проблемам создания и совершенствования гидродинамических струйных устройств и систем, построенных на их основе. В рамках данных исследований была выполнена по единому заказ - наряду с бюджетным финансированием научно - исследовательская работа " Научные основы расчета и проектирования гидродинамических кавитационных эмульгаторов", а также НИР "Создание устройств для эмульгирования водомазутной смеси" для Кармановской ГРЭС. Предлагаемая диссертационная работа является одним из этапов по исследованию гидродинамических кавитационных устройств непрерывного действия для приготовления высокодисперсных и стойких эмульсий.
Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов
и списка литературы. В первой главе рассматривается область
применения смесительных устройств, обосновывается актуальность их
совершенствования, выполняется краткий обзор научной литературы,
формулируются цель и задачи исследования. Во второй главе
детальным анализом рабочего процесса в кавитационных
гидродинамических смесителях непрерывного действия осуществляется
выбор физической модели течения, на основе которой и уравнений
материального и энергетического баланса разрабатывается математическая
модель рабочего процесса в смесителе. В третьей главе рассматриваются
существующие смесительные устройства и дается их классификация. По
результатам патентного исследования конструкций существующих
смесительных устройств формулируются основные пути их
совершенствования. Завершается глава предлагаемой оригинальной конструкцией кавитационного смесительного устройства нового поколения. В четвертой главе приведены результаты натурных
испытаний полупромышленного образца смесительного устройства. На основе разработанной математической модели рабочего процесса гидродинамических кавитационных смесителей и выявленных в результате натурных испытаний рекомендаций по совершенствованию их конструкций предложен метод расчета, который положен в основу создания промышленных кавитационных смесителей нового поколения.
Обзор работ, посвященных исследованию кавитационных параметров и характеристик струйных насосов
Исследования струйных аппаратов показывают, что пограничный слой струи является зоной наиболее низкого давления, поэтому кавитация первоначально возникает на границе активного и пассивного потоков ( первый критический режим или начальная кавитация ). При дальнейшем увеличении скорости пассивного потока при неизменной скорости активного потока происходит разрастание кавитационной области вдоль границы струи, а затем и поперек - второй критический режим, при котором происходит срыв работы струйного аппарата. В одном из самых ранних исследований ( 1937 г. ) Гослайн и О Брайн [40] представили данные по кавитации струйных насосов. Они показали, что график зависимости предельного по начальной кавитации расхода пассивного потока Q 2 пр от ( Р2 - Рн.п. ) где Р г давление всасывания (см. рис.1); Рнп# - давление насыщенного пара, имеет вид прямой линии. Это подтверждает теорию о том, что возникновение кавитации является результатом достижения жидкостью давления пара Рн.п. У входа в горловину, и поток в этих условиях представляет парогазожидкостную смесь. Практически полное абсолютное давление этой смеси во входном сечении 3-3 камеры смешения Р з равно абсолютному давлению пассивного потока на входе в струйный насос Р2 (сечение 2-2, см. рис. 1) и складывается из парциального давления газа Р г з в парогазовой смеси и давления насыщенных паров жидкости Рн.п. то есть Р2 = Рз=Ргз + Рн.п. (1) Однако, представленные данные были ограниченными, так как не учитывали влияния геометрии струйного аппарата, в частности, относительной площади сопла Q на кавитацию. Q = A0/A3 (2) Здесь А о - площадь выходного сечения сопла (или нормального сечения струи сразу же за соплом); А 3 - площадь поперечного сечения камеры смешения (рабочей камеры или горловины).
Роуз [41] изучал кавитацию, возникающую на границе высокоскоростной затопленной водной струи, и предложил кавитационныи параметр для начальной кавитации при различных значениях давления насыщенного пара и скоростях струи: ві = (CfCs-(P 2)1/2)/(V02-p/2)) (3) где Р - среднеквадратичная величина колебания давления в поле потока; V0 - скорость струи на срезе сопла, а С t и Cs - временная и пространственная константы, р - плотность. Роуз обнаружил, что при а / = 0,55 возникала начальная кавитация, а шум ( показания в децибелах) увеличивался при более низких значениях а/.
Боннингтон [42] использовал параметр кавитации Роуза , заменив среднеквадратичную величину давления в поле потока Р полным абсолютным давлением у входа в горловину Р 3» а скорость струи V0 -разностью скоростей (Vo-V23)5 где V23- скорость пассивного потока во входном сечении 3-3 смесительной камеры (см. рис. 1): c R = P3/(P-(VO-V23)2/2) (4)
Боннингтон предполагал, что локальное давление, вызывающее кавитацию, может зависеть именно от этого фактора. Позднее он ввел дополнительный параметр кавитации а в представляющий отношение давления всасывания Рг к динамическому давлению струи на срезе сопла: ав = Р2/(Уо2-р/2), (5) Уравнение (5), выраженное через а \, имеет вид: aB= xV(l- )2, (6) где , = V23 / Vo - отношение скорости пассивного потока у входа в горловину к скорости струи на срезе сопла. Используя значение (J R = 0,6 из экспериментов Роуза, Боннингтон построил кривую зависимости a R ОТ . Однако, эта кривая плохо соответствовала экспериментальным данным. Другой кавитационный параметр был предложен Шульцем и Фейзолом [43]: as = P2/(Pi-P2), (7) где Р - давление активного потока в сечении 1 -1 (см. рис. 1).
Они предполагали, что статическое давление у выходного отверстия струи равно нулю при кавитации, и получили в результате приближенное соотношение: Pi= p-V02/2 (8) Таким образом, as= ав/(1-ов) (9) При экспериментальном сравнении Боннингтон [42] обнаружил, что параметр G$ характеризует кавитацию в струйном насосе не лучше параметра ав. Таким образом, рассмотренные выше параметры кавитации плохо согласовывались с экспериментальными исследованиями и, кроме этого, все параметры не содержали физической переменной, связанной с кавитацией, а именно давление насыщенного пара Рн.п.- Поэтому их применение, в общем случае, нецелесообразно. Желательно использовать те параметры, которые содержали бы эту переменную. Так в работе [44] приведены параметры кавитации, которые учитывают влияние давления пара: параметр Ла Верна Si [45]; параметр начала кавитации Каннингем X с [46] и её функция предельного по кавитации режима течения Y [47]; параметр Хансена и На а" [48]. Параметр кавитации Ла Верна Sj выведен на основании аналогии между струйным и центробежным насосами. Он представлен в следующем виде: Sj = [(Р,-Р5)/(Р2-РН.П.)]3/4 (Q/Q.) (Ю) Здесь Р 5 - давление в выходном сечении струйного аппарата; Q и Q і - объемный расход струйного насоса и активного потока соответственно.
Предложенный Ла Верном параметр кавитации не может служить характеристикой для других энергетических машин, в частности, для смесительных устройств, так как не универсален. Кроме того, данный параметр кавитации был экспериментально подтвержден только для одного относительного размера сопла, а именно Q =0,107.
Исходные уравнения рабочего процесса
В основу вывода уравнения для определения поперечных размеров положим идею минимизации потерь в смесителе, учитывая физику течения двухфазного потока в рабочей камере. Уравнения, характеризующие поток с капельным состоянием смеси, можно записывать для среды в целом. Область бурного парогазожидкостного течения можно описать с помощью уравнения количества движения.
Здесь FTP - сила трения на участке русла /2з между сечениями 2 - 2 и 3-3. Выразим ее через напряжение трения на стенке русла: FTP=T-n./23 (35)
В представленных выше уравнениях приняты следующие обозначения: П - периметр сечения русла, т - напряжение трения; рс плотность потока смеси жидкостей; а и а - коэффициенты кинетической энергии и количества движения; А., V., P., Q. - площадь нормального сечения, скорость потока, давление и объемный расход в і-м сечении, где /-обозначение (номер) нормального сечения на принципиальной схеме (см. рис. 4, рис. 6); 9 - коэффициенты гидравлических сопротивлений конфузора 1 и диффузора 4; ґ - коэффициент гидравлического КАВ сопротивления кавитатора 2 (см рис. 4, рис. 6). Причем, в случае соплового устройства %KAR Стп а в слУчае кавитационной решетки СР где Qrnn и _- коэффициенты гидравлического сопротивления сопла и решетки, приведенные к скоростному напору в сечении 2-2.
Нижний индекс "с" означает отношение параметра ко всему потоку смеси; нижний индекс "н", "к" или цифровой индекс означает принадлежность конкретному сечению на принципиальной схеме (см. рис. 4, рис. 6). В последующих расчетах полагаем а = а = 1, динамическим давлением ан рс V сн / 2 потока смеси в начальном сечении Н - Н в уравнении (32) пренебрегаем.
В работах [59, 93] показано, что для предсказания величины напряжения трения в высокоскоростном парогазожидкостном потоке может быть использовано простое соотношение: х-хж-дж/(рг+дж), (36) где Qr и 3Ж - объемные расходы жидкости и газа на рассматриваемом участке; т ж - напряжение трения, рассчитанное в предположении, что по этому же каналу со среднеобъемной скоростью смеси Vc = (Qr +Q K) / А протекает поток однофазной жидкости. Выражая касательные напряжения т ж через коэффициент гидравлического трения X по формуле T = Pc-V2c3/8, (37) а также коэффициент гидравлического сопротивления горловины г через Q г = X 11D, учитывая равенство площадей сечений 2-2 иЗ-3 А2=Аз, преобразуем уравнение (34) с учетом выражений (35) - (37) к следующему виду: Р2-Рз = Рсз- V2C3- Pc2-Vc3-VC2 + (Cr-pc3- V2c3 )/2. (38)
Складывая почленно уравнения (32) и (33), с учетом уравнения (38), приходим к следующему уравнению: Р +?1к=р + к+с Zslk+r р і+ м гн 2 к 2 кои о 8 2 В последнем уравнениидр -р QjzZL&l - потери удельной энер В.Т. С л гии при внезапном торможении потока от скорости у до скорости у , РС2=РСЗ:=РС При использовании сопла в качестве кавитационного устройства систему уравнений (31) - (39) необходимо дополнить уравнениями, описывающими рабочий процесс в струйном смесителе. Этими уравнениями являются следующие;
Волновые смесительные устройства
Смесительные устройства служат для получения однородных смесей и (или) интенсификации тепло - и массообмена. В основу классификации смесительных устройств могут быть положены различные принципы. Так в основу классификации смесительных устройств можно положить принцип их назначения. В соответствии с этим принципом все смесительные устройства условно можно разделить на два больших класса: устройства перемешивания и диспергаторы или смесители.
Устройства перемешивания служат для проведения непрерывных и периодических процессов смешения гетерогенных и гомогенных систем без их структурного изменения.
Диспергаторы - это смесительные устройства, в основе которых лежит принцип структурного изменения смешиваемых компонентов - тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Существует множество конструктивных исполнений смесительных устройств. Если классифицировать их по принципу воздействия на обрабатываемую среду, то можно выделить следующие классы смесительных устройств: - механические смесительные устройства; - волновые смесительные устройства.
Механические смесительные устройства в настоящее время наиболее распространены. Это объясняется тем, что механическое смешение изучено сравнительно полно: имеются методики и математические модели, отражающие физический механизм процесса и позволяющие осуществить расчеты гидродинамики, тепло - и массообмена с учетом свойств среды; созданы системы автоматизированного расчета и оптимального выбора устройств. Кроме этого, интенсивность смешения, достаточная для проведения технологических процессов, достигается на практике обычно при использовании типовых аппаратов, выбираемых по техническим каталогам. Стоимость таких аппаратов, как правило, в два - три раза ниже, чем стоимость аппаратов, изготавливаемых по специальным разработкам.
К механическим устройства перемешивания относят разного рода мешалки (турбинного, пропеллерного типа), служащих для смешения жидких и твердых сред. Процесс смешения производится преимущественно в емкостных аппаратах и заключается в распределении сред и (или) теплоты в результате силового воздействия со стороны смесительного устройства, либо одной из сред на другую. К механическому способу относят пневматическое смешение, при котором процесс перемешивания осуществляется газом, подводимым к смешиваемой среде. При этом различают г аз лиф т н о е смешение (рабочий газ подводится в циркуляционную трубу) и барботаж-н о е (рабочий газ распределен по сечению смесителя с помощью барбатеров).
Основная техническая характеристика механических устройств перемешивания - это получение грубодисперсных неднородных смесей.
Me хан и ч ее кие д испергаторьи служащие для получения дисперсных систем (жидких или твердых тел), - это различного рода мельницы: шаровые, планетарные, дезинтеграторные и пр. Для жидкостей применяют следующие механические диспергаторы: гомогенизаторы - это устройства, в которых жидкая смешиваемая среда для получения большей однородности продавливается под высоким давлением (до 3 5 МПа) через узкое сечение, либо через узкий кольцевой зазор; коллоидные устройства - это устройства, в которых жидкость диспергируется при прохождении через конический зазор шириной до 25 мкм между статором и ротором, вращающимся с частотой порядка 2-Ю об/мин; смесительные устройства инжекционного типа и форсунки, если в результате прохождения через эти устройства жидких смешиваемых компонентов происходит их простое механическое измельчение.
Основная характеристика механических диспергаторов для жидких и твердых сред заключается в повышении дисперсности и однородности конечного продукта. Однако, при данном способе диспергирования возможно получение смесей только среднего уровня дисперсности, ибо механическое воздействие на смешиваемые компоненты не обеспечивает их взаимопроникновение на микроуровне и не способно глубоко изменить структуру конечного продукта. Несмотря на широкое распространение механических смесительных устройств, в настоящее время применяются и разрабатываются новые технологии смешения.
Результаты натурных испытаний полупромышленного смесителя и их анализ
На рис. 27 показана конструкция предлагаемого смесителя. Смеситель содержит рабочую камеру постоянного сечения 2, подводящий 1 и отводящий 6 патрубки, расположенные соосно рабочей камере по ходу движения потока, многоструйное сопло 3, патрубок подачи добавочного компонента смеси 7. На внутренней поверхности рабочей камеры 2 в начале ее концевого участка выполнен порогообразный выступ 4, расположенный по периметру поперечного сечения рабочей камеры. Сразу за выступом 4 установлен успокоитель 5. Многоструйное сопло 3 обеспечивает дробление потока на несколько струй и формирует высокоскоростной многоструйный поток. Давление в пограничных слоях струй непосредственно за соплом снижается до давления насыщенного пара, что приводит, с одной стороны, к подсосу добавочного компонента смеси ( в случае расположения патрубка 7 подачи добавочного компонента смеси непосредственно за многоструйным соплом), а, с другой стороны, к интенсивному паровыделению и формированию на некотором удалении от сопла потока высокоскоростной парогазожидкостной смеси. Далее эта парогазожидкостная смесь, обладая средней скоростью выше скорости звука, переходит в дозвуковое течение в прыжке перемешивания. В прыжке перемешивания происходит резкое повышение давления, конденсация паров жидкости и захлопывание пузырьков. Благодаря этому осуществляется интенсивное дробление добавочного компонента до мельчайших капелек, их проникновение в несущую среду и, как следствие, образование высокодисперсной эмульсии.
Многоструйное сопло 3 создает достаточное количество очагов кавитации, равномерно распределенных по живому сечению потока, и формирует сверхзвуковой парогазожидкостный поток. При этом само многоструйное сопло находится вне зоны действия кавитации, что способствует повышению надежности устройства. Вместе с тем, обеспечивается только однократный разгон потока и последующее его торможение в рабочей камере 2. Тем самым снижаются потери энергии.
Форма подводящего устройства в виде конфузора 1 обеспечивает разгон потока и снижение давления на входе в сопло 3, которое, в свою очередь, обеспечивает дальнейшее понижение давления до давления насыщенного пара Рн.п. Форма отводящего устройства в виде диффузора 6 обеспечивает торможение потока на выходе из рабочей камеры 2, что способствует снижению энергопотерь при движении эмульсии в трубопроводе.
Порогообразный выступ 4 инициирует прыжок перемешивания в конкретном месте рабочей камеры, повышая, тем самым, устойчивость его формирования и, как следствие, позволяет уменьшить длину рабочей камеры. Таким образом, порогообразный выступ позволяет повысить надежность работы смесителя и снизить потери энергии за счет уменьшения длины рабочей камеры.
Успокоитель 5, выполненный в виде крестовины, обеспечивает разделение проходного сечения концевого участка рабочей камеры 2 на несколько отсеков. Тем самым осуществляется гашение амплитуды колебаний давления в прыжке перемешивания и вибрации устройства снижаются. Надежность устройства повышается. В то же время, при отсутствии порогообразного выступа радиальные продольные ребра успокоителя 5 могут выполнять одновременно функцию побудителя прыжка перемешивания. Таким образом, в различных вариантах исполнения кавитационного смесителя конструкция может быть снабжена либо только порогообразным выступом 4, либо только успокоителем 5, либо обоими (4 и 5) одновременно.
Канал 7 подачи добавочного компонента смеси позволяет применять устройство в технологиях, не предусматривающих приготовление смеси компонентов заранее, что расширяет практическое использование данного смесителя. Можно предусмотреть установку канала 7 непосредственно перед соплом 3 в подводящем патрубке -конфузоре 1.
Технической задачей, решаемой предлагаемой конструкцией (см. рис. 27), является создание смесителя кавитационного типа, отвечающего минимуму потерь в устройстве. Ранее было установлено (см. главу 2), что оптимальная величина относительной площади сопла Сі находится в пределах, определяемых соотношением: Q =А\ I А 2 = 0,45...0,70. При соблюдении этого соотношения обеспечивается минимальный перепад давления в смесителе и, стало быть, минимальные потери энергии в нем во всем практическом диапазоне изменения коэффициентов сопротивления рабочей камеры г = 0,08...1,00.
На основе разработанной математической модели гидродинамического кавитационного смесителя непрерывного действия был рассчитан полупромышленный образец струйного смесителя (эмульгатора) на следующие исходные данные: 1) объемный расход водомазутной смеси (ВМС) Q= 120 м3/час; 2) минимальная температура смеси Т = 393 К; 3) перепад давления на эмульгаторе АРн.к. - не более 180 кПа; 4) абсолютное давление ВМС перед эмульгатором Рн = 760 кПа; 5) осевая длина эмульгатора - не более 1,2 м; 6) объемное содержание воды - до 15% от объема смеси. По результататам расчета была разработана чертежно -конструкторская докумендация и изготовлен полупромышленный образец смесителя с одноструйным соплом (см. рис. 28). Натурные испытания смесителя были проведены на Кармановской ГРЭС и включали в себя комплекс экспериментов.
