Введение к работе
Актуальность темы
Развитие плазменной техники и опыт ее применения для пере-іаботки дисперсных неоргшшческих материалов открыли перспекти->ы создания мобильных автоматически управляемых устройств, смеющих возможность работать с шихтой термически стойкого сы-)ья (золы, шлаки и т. п.). Использование плазменного нагрева позво-іяет процесс производства минерального волокна перевести id двух -ит трех - стадийного по традиционной технологии в одностадийный. Эптимальное использование энергетических ресурсов за счет ввода іепловой энергии в ограниченный объем - пленку позволяет созда-їать менее энергоемкие плазменные технологии. Этого можно дос-гичь во вращающемся плазмохимическом реакторе (ВГГХР), являющимся одновременно плавильным агрегатом и распылочным устрой-ггвом.
Для определения условий прохождения процессов стекловарения минерального вещества и обстоятельств формирования волокна необходимо изучение гидродинамики и теплообмена пленок расплава, движущихся в поле массовых сил по внутрегашм стенкам ВГГХР. А для установления основных теплотехнических параметров ВГГХР как элемента технологической цепи необходимо решение задачи о внешнем теплообмене вращающегося цилиндра с внутренним разогревом. Переменность теплофизичесхих параметров расплавленного стекло-образугощего материала при его пленочном течении в поле массовых сил предполагает решение задач с использованием экспериментальных и теоретических методов. Исследования пленочного течения жидкости в условиях действия массовых сил, направленных нормально к поверхности, по которой происходиг течение, тлеют в настоящее время разрозненный, неаістематгаированньш характер и, в основном, учитывают лишь действие силы тяжести.
Резюмируя вышеизложенное, можно утверждать, что в настоящее время исследования пленочного течения жидкости с переменной вязкостью в поле центробежных сил и сил тяжести в условиях неизотермической задачи являются актуальными.
Об актуальности исследований говорит также тот факт, что данная работа выполнена в рамках комплексной межвузовской научно
технической программы «Строительство» (гос. номер 01950000032), а результаты исследований использовались при выполнении хозяйственного договора № 414 с Гусиноозерской ГРЭС (1995 г.).
Целью работы являлось на основании экспериментальных и теоретических исследований установить взаимосвязи исходных ре-
жимных параметров с процессами формирования и движения пленок расплава, а также, с требуемыми технологическими характеристиками, что предполагает решения следующих задач:
-
Экспериментальное исследование поведения пленок жидкости на начальном и стабилгаированном участках течения по внутренней поверхности вращающегося полого цилиндра, моделирующего ВПХР.
-
Численно - аналитическое исследование течения и теплообмена в ВПХР пленки расплава стеклообразующего материала с экспоненциальной зависимостью вязкости от обратной температуры.
-
Экспериментальное исследование теплообмена на внешней поверхности вращающегося цилиндрического реактора в условиях свободно - вынужденной конвекции.
-
Определение оптимальных режимных параметров работы ВПХР для получения качественного минерального волокна.
Научная новизна работы представлена следующими основными результатами.
На основе теории размерностей и физического моделирования получена экспериментальная завиашость для среднеинтегральной толщшпд пленки в критериальной форме. Проведен анализ структуры течения. Экспериментально исследован характер распределения тол-шины пленки жидкости на начальном участке течения по внутренней поверхности вращающегося цилиндра Обнаружена область гидравлического скачка на начальном участке течения жидкости. Дана физическая интерпретация обнаруженного эффекта
Разработана численно - аналитическая модель неизотермического течения пленки расплава с учетом сильной зависимости вязкости от температуры. Получены интегральные и локальные характеристики потока расплава минерального вещества в зависимости от управляющих параметров технологического процесса работы ВПХР.
Выявлены закономерности теплообмена на внешней поверхности вращающегося полого іщлиндра конечных размеров в условиях вынужденной конвекции. Получена экспериментальная зависимость для конвективного теплообмена с внутренним разогревом. Обнаружено снижение интенсивности внешнего теплообмена с внутренним разогревом на поверхности вращающегося цилиндра при возрастании числа Рейнольдса (вращательного) аналогичное снижению, обнаруженное другими авторами на выпуклых поверхностях.
Достоверность основных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается необходимым количеством опытов, обеспечивающим заданную доверительную вероятность математического ожидания результатов измерений, использо-
заниєм современных методов матемапгческои обработки результатов измерений и надежных измерительных приборов, применением современной вычислительной техники и соблюдением законов сохранения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследоваїоія поведения пленок жидкости на внутренней поверхности вращающихся щілиндров; установленные закономерности формирования профиля свободной поверхности вращающихся жидких пленок. Интерпретация механизма образования особенностей течения пленки жидкости на начальном участке.
I. Результаты численно - аналитического моделироваїшя процессов течения и теплообмена пленки жидкости с переменной вязкостью в віще экспоненциальной зависимости от обратной температуры, движущейся в условиях интенсивного теплового воздействия под действием массовых сил по внутренней поверхности вращающегося реактора.
5. Экспериментально установленные закономеріюста теплообмена вращающегося полого цилиндра конечных размеров на участке действия сметанной конвекции.
Практическая ценность.
Результаты экспериментального и теоретического исследования засходного пленочного течения жидкости в поле массовых сил на цгутренней щілиндрической поверхности, обработанные в критери-ільїюй форме, используются для определения технологических параметров плазменного оборудования для производства минерального юлокна и могут быть применены при расчете технологических ха->актеристик работы различных тепло - и массообменных и распыли-:ельных устройств.
Личный вклад автора в проведенное исследование состоит в юосновании общей коїщеішии работы, осуществлении постановки адач, подборе методов и инструментов исследований, получении на-'чньгх результатов, разработке конструкции плазмохимического реак-ора и проведении экспериментальных и теоретических исследова-
[ИЙ.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссер-ации доложены на международной конференции по механике реагирующих сред (г. Томск, 1993 г.), на научно - технической конференцій «Использование отходов промышленности в производстве строи-ельных материалов» (г. Новосибирск, 1993 г.), На международной
научной конференции «Сопряженные задачи физической механики і экология» (г. Томск, 1994 г.), на Международной конференции пс проблемам использования вторичного сырья в производстве строительных материалов (г. Новосибирск, 1994 г.), на международно! конференции «Сопряженные задачи механики и экологии» (г. Томск 1996 г.).
Публикации основных результатов работы изложены в 12 печатных работах. Получено два положительных решения на выдачу патентов и выдан один патент России.
Объем и структура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 123 страницы, рисунков 21, таблиц 5. Список литературы включает 121 наименование.