Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Совмещение процессов и комбинирование аппаратов является новым и весьма перспективным научным направлением, отвечающим современным тенденциям развития науки о процессах и аппаратах пищевых и химических производств и теории технологического потока.
В известных комбинированных аппаратах для обработки дисперсных материалов, в том числе фильтр-сушилках, представляющих собой емкостные аппараты, несмотря на преимущества комбинированных аппаратов (отсутствие транспортирования дисперсных материалов из аппарата в аппарат, сокращение их контакта с окружающей средой, уменьшение числа загрузочных (разгрузочных) узлов и т.д.), механизацию процессов герметизации, поворота емкости, смены фильтрперегородки, выгрузки осадка и др., не преодолены органически присущие емкостным аппаратам недостатки: малые скорости протекания процессов тепло- и массообмена, фильтрации, и как следствие, малая удельная производительность аппаратов.
Применение колебаний позволяет создать активные гидродинамические режимы при проведении процессов химического взаимодействия, кристаллизации, экстракции, смешивания, фильтрования и сушки, повышает их качественные показатели в результате более полного использования взаимодействующих веществ, уменьшает размеры, снижает металло- и энергоемкость комбинированного оборудования. Возможность подвода механической энергии к рабочему органу аппарата извне позволяет исключить мешалку из рабочего объема, интенсифицировать процессы тепло-массообмена, создать реальные предпосылки для разработки экологически чистого оборудования нового поколения.
Анализ научно-технической литературы показал, что разработка конструкций комбинированных вибрационных и пульсационных аппаратов и их научное обеспечение находятся в зачаточном состоянии, а исследование гидродинамики и тепломассообмена колеблющихся дисперсных сред в связи с успешным использованием вибрационных и пульсационных фильтров, смесителей и тепломассообменных аппаратов в ряде технологий пищевого, химического и машиностроительного комплекса приобретает новое самостоятельное развитие. Однако недостаточный уровень исследования и обобщения экспериментально-теоретических данных гидродинамики и тепломассообмена колеблющихся дисперсных сред не позволяет в полной мере использовать
накопленный в лаборатории потенциал для их промышленного освоєнії Данная работа направлена на устранение указанных пробелов.
Работа проводилась в соответствии с планом основных научнь направлений института в рамках координационного плана АН СССР г проблеме 1.9.1. "Теплофизика и теплоэнергетика" разделы 1.9.1.2.5 (5) "Иссл дование гидродинамики и теплообмена в псевдоожиженном слое" N го регистрации 01870097433, по плану ГКНТ СССР, тема N 360, N гос. Peru трации 01870097431, а также по плану программы "Машиностроение" Mi нистерства науки и новых технологий Республики Казахстан N гос. регистращ О195РК0Ю22.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - на основе комплексных систематических исследі вашій изучить гидродинамику и тепломассоперенос в вибрируемых дисперснь: системах и на этой основе разработать новые процессы и аппараты, дат методы их расчетов и указать новые направления массо-теплообменных техж логий в дисперсных средах.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ включают исследование гидродинамнн и тепломассопереноса вибрируемой в закрытом сосуде жидкости, а так» вибрируемого в жидкой и газообразной среде слоя дисперсного материал исследование насосного действия перфорированного диска и виброкипящеі слоя в жидкой среде, разработку и исследование новых вибрационных смесі телей, насосов, фильтров, гальванокоагулятора и фильтр-сушилок.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Экспериментально установлено, что прису-ствующие в жидкости пузырьки газа в условиях виброколебаний с образе ванием стоячих волн инициируют высокочастотные колебания давления, и порядок превышающие частот}' возбуждающих колебаний, а также усилени пульсаций давления в жидкости, находящейся в режиме вибротурбулизации; режиме виброаэрации пузырек газа многократно кавитирует в течение период колебаний. Получены количественные данные о распределении газа по объем жидкости и пузырьков газа по размерам, о зависимости режима виброту[ булнзации от параметров вибрации, газонасыщения и геометрических размеро газожидкостной системы. Показано, что возникновение избыточного давления вибротурбулизованной жидкости является результатом усреднения несиммет ричных колебаний давления. Выявлены две резонансные частоты для конвеь тлвного теплообмена, при которых коэффициент теплообмена увеличивается 5-Ю раз.
Установлено, что колебания виброкнпящего слоя носят периодический и регулярный характер. При этом период колебаний слоя кратен период;. колебаний вибрирующей поверхности и состоит из одного или нескольких тактов. Получены зависимости для скоростей колебаний, циркуляции, пульсации частиц и пульсационной скорости газа в надслоевом пространстве о і параметров вибрации и свойств дисперсного материала, а также распределение пульсационной скорости газа по сечению аппарата. Установлены зависимости энергии, диссипируемой в слое, скорости истечения и эффективной теплопроводности виброкнпящего слоя при атмосферном давлении, колебаний температуры датчика термоанемометра и мгновенного коэффициента внешнего теплообмена, а также доли тепла, передаваемой из нагреваемого слоя в надслоевое пространство, от параметров вибрации, свойств дисперсных материалов и геометрии слоя. Определен истинный межфазный коэффициент теплообмена для виброазрокипящего слоя. Получена теоретическая зависимость для коэффициента внешнего теплообмена виброкнпящего слоя с учетом подвода энергии от пульсирующего потока газа. Установлено влияние параметров вибрации, свойств дисперсных материалов и величины теплового потока на внешний теплообмен и эффективную теплопроводность виброкипяшего слоя В жидкой среде.
Получена зависимость производительности насосов с перфорированными дисками и виброкипящим слоем в жидкой среде от параметров вибрации, конструктивных и геометрических размеров дисков и слоя, а также свойств дисперсных материалов.
Теоретически получены критерий безосадочного виброфильтрования и условия начала движения слоя осадка по фильтровальной перегородке Обобщено гидродинамическое уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка при произвольном давлении и производительности. Получены новые данные о процессе фильтрования суспензий с помощью вибашюнного фильтра-насоса. Сформулированы основные принципы разработки фильтров с применением колебаний и комбинированных аппаратов для обработки дисперсных материалов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В научном отношении полученные результаты формируют физические представления о сложных гидродинамических и тепломассообменных процессах в колеблющихся дисперсных системах (жидкость с пузырьками газа, виброкнпящий слой в жидкой и газо-
(і
образной среде) и позволяют рассчитывать динамические, энергетические тепло-массобменные характеристики вибрируемых дисперсных систем.
В прикладном отношении полученный комплекс результатов дела доступными для практического использования в комбинированных аппарат новые области дисперсных систем (виброкипящий слой в газовой и жидк среде, а также жидкость с пузырьками газа), объединенных высокой сжим; мостыо, определяемой сжимаемостью газа, и резонансными явлениями, связа ными с образованием стоячих волн.
Полученные результаты использованы при разработке новых комбин рованных аппаратов: вибрационного фильтра-насоса, гальванокоагулятої установки для спиртового осаждения, фильтрования и сушки пектина, по( завших высокую эффективность. Конкретные результаты защищены aBTOf кимн свидетельствами и патентами, использованы при проектировании строительстве цеха полировальных смол НПО "Оптика" на заводе "Оргсинте при внедрении вибропобудителя в дозаторе мела на Семипалатинск! мукомольно-комбнкормовом комбинате. Виброфильтр-насос был успеш испытан на Семипалатинском кожевенно-меховом объединении и Семипаг типском мясоконсервном комбинате.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ результаты экспериментально-теоретических исаг дований гидромеханических, энергетических и массо-теплообменных хараю ристик вибрируемых дисперсных систем. Результаты разработки нові направлений развития гидродинамических и массо-теплообменных вибрацис пых технологий для обработки дисперсных систем и рационального кои труирования аппаратов с их использованием.
АПРОБАЦИЯ. Содержание отдельных разделов диссертации и основні результаты были представлены и докладывались на; конференции "Слешъ-и ные вопросы гидромеханики и газовой динамики двухфазных сред" (Том< 1971); IV Всесоюзном совещании по тепломассообмену (Минск, 1972); научи практической конференции "Молодые ученые и специалисты Томской облас в девятой пятилетке" (Томск, 1975); рабочем совещании "Гидродинамика процессы переноса в биореакторах" (Новосибирск, 1989); Всесоюзном семина "Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработ пишевых продуктов" (Москва, 1989); III Всесоюзной научно-технической кс ференции "Теоретические и практические аспекты применения метод инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и инте сификации технологических процессов пищевых производств" (Москва, 1991
Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству" (Ленинград, 1991); 37th International Congress of Meat Science and Technology Germany, (Kulmbach, 1991); межгосударственном научном семинаре "Современные проблемы качества мясного сырья него переработки" (Кемерово, 1993): IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Ярославль, 1994); Республиканском научном семинаре "Современные технологии «технические средства переработки и храненкч животноводческого сырья" (Семипалатинск, 1995); Международном форуме "Тепломассообмен- 1996 ММФ" (Минск, 1996).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 12 статей в центральной печати, получено 16 авторских свидетельств и патентов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 342 страницы основного текста, в том числе 45 страниц литературных ссылок из 426 наименований и 91 страницы приложений.