Введение к работе
Актуальность темы исследования
Шнековые машины широко используются в химической промышленности не только для транспортировки и дозирования жидких и сыпучих веществ, но и для реализации самых различных технологических операций (смешение высоковязких жидких сред и химические превращения в них, растворение, плавление, уплотнение, таблетирование, сушка сыпучих материалов и т.д.).
В технологии с использованием экструдеров-реакторов совмещают обычно раздельные процессы: смешение, химические реакции, формование изделия. При этом возникают новые задачи, связанные, например, с изменением структуры потока, отводом тепла, выделяющегося в процессе переработки и т.д. Обеспечение оптимальных условий протекания процессов, сопутствующих отмеченным операциям, невозможно без знания гидродинамики потоков и тепловых условий в шнековых машинах, которые являются основой для анализа процессов смешения, диспергирования и температурной гомогенизации массы.
Несмотря на достигнутые успехи в области традиционных методов переработки высоковязких жидкостей продолжается поиск новых путей и приемов, среди которых все больше внимания уделяется применению жидких и газообразных смазок. Ограниченность применения смазок связано, прежде всего, с малоизученностью данной проблемы, исследования которой носят в основном патентный характер.
Изучение совокупности явлений и закономерностей, сопровождающих процессы переработки высоковязких жидкостей при использовании жидких и газообразных смазок актуально, и открывает возможности реализации невостребованных пока резервов увеличения производительности, снижения энергоемкости и материалоемкости, улучшения комплекса эксплуатационных характеристик изделий.
Разработка достоверных физических и математических моделей течения высоковязких жидкостей с маловязким пристенным слоем в шнековых машинах является актуальной задачей, представляющей как теоретический, так и практический интерес.
Цель работы – исследование процесса течения высоковязкой жидкости с маловязким пристенным слоем и моделирование структуры потоков в шнековых машинах с целью снижения энергоемкости и материалоемкости процесса.
Задачи
-
Разработать математическую модель течения высоковязкой жидкости с маловязким пристенным слоем в шнековой машине.
-
На основе разработанной математической модели изучить влияние маловязкого слоя на структуру потока и характеристики процесса.
-
Разработать алгоритм и программу расчета производительности и энергозатрат при течении высоковязких жидкостей с маловязким пристенным слоем в шнековых машинах.
-
Разработать математические модели шнекового реактора идеального и реального вытеснения с учетом теплопроводности внутри потока и теплопередачи в рубашку.
-
Разработать математическую модель шнекового реактора с диффузионной моделью структуры потоков при градиентных граничных условиях.
-
Применить разработанные модели течения, алгоритмы расчета и программы при разработке новых конструкций шнековых машин.
Научная новизна работы
-
Разработана математическая модель течения высоковязкой жидкости с маловязким пристенным слоем в шнековом экструдере, когда основная жидкость:
а) ньютоновская вязкая; б) степенная вязкая.
-
Разработаны математические модели, описывающие гидродинамику, тепло- и массообмен в шнековых реакторах при различных структурах потока.
-
Предложено новое градиентное граничное условие для диффузионной модели структуры потока в шнековом реакторе.
-
Разработаны алгоритмы и программы расчетов на ЭВМ, позволяющие определить кинематические, динамические и энергетические характеристики течения высоковязкой жидкости с маловязким пристенным слоем в шнековой машине.
На защиту выносятся результаты
-
Математическая модель течения высоковязкой ньютоновской жидкости с маловязким пристенным слоем.
-
Математическая модель течения высоковязкой степенной жидкости с маловязким пристенным слоем.
-
Математические модели шнекового реактора идеального и реального вытеснения с учетом теплопроводности внутри потока и теплопередачи в рубашку.
-
Новое градиентное граничное условие для диффузионной модели структуры потока в шнековом реакторе.
-
Устройства для снижения энергозатрат и материалоемкости процесса переработки высоковязких жидкостей в шнековых машинах, разработанные с использованием полученных математических моделей.
Практическая ценность
Разработанные математические модели течения высоковязких жидкостей в шнековых машинах, алгоритмы и программы, позволяющие определить кинематические, динамические и энергетические характеристики течений высоковязких жидкостей, дают возможность проводить сравнительный анализ энергетических и качественных характеристик существующих и новых устройств создающих различные варианты структуры потоков при проектировании и эксплуатации шнековых машин. Получено 2 патента РФ на конструкции шнековых машин и одно положительное решение.
Достоверность работы
Результаты исследований получены апробированными методами математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями других авторов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ВолгГТУ в 2002-2008г.г., на международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2006» (г. Самара 2006г.).
Публикации
По материалам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
