Содержание к диссертации
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ПРЕДИСЛОВИЕ 9
ВВЕДЕНИЕ 16
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССООБМЕНА ВИБРИРУЕМОЙ
В ЗАКРЫТОМ СОСУДЕ ЖИДКОСТИ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПРОЦЕССОВ И
АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 21
1.1. Исследование гидродинамики и тепломассообмена вибрируе
мой в закрытом сосуде жидкости 21
1.1.1. Исследование гидродинамики вибрируемой в закрытом
сосуде жидкости 23
1.1.1.1. Стадия относительного покоя и движения однофазной жидкости 24
1.1.1.2. Стадия виброаэрации 24
1.1.1.3. Стадия вибротурбулизации 41
1.2. Исследование теплообмена вибрируемой в закрытом сосуде жидкости 51
1.3. Разработка способа и устройств для получения диспергированных газожидкостных систем 56
1.4. Исследование процесса виброэкстракции сычужного фермента 64
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПЕРЕНОСА ВИБРОКИПЯЩЕГО
СЛОЯ В ГАЗОВОЙ" И ЖИДКОЙ СРЕДАХ 66
2.1. Исследование гидродинамики виброкипящего слоя в газовой
и жидкой средах 65
2.1.1. Исследование гидродинамики виброкипящего слоя в газо
вой среде 66
2.1.1.1. Пульсация давления газа в виброкипящем слое 71
2.1.1.2. Расширение виброкипящего слоя и его порозность 79
2.1.1.3. Энергия, подведенная к виброслою 81
2.1.1. 4. Истечение зернистых материалов из вибрирующего ап-
парата 82
2.1.2. Исследование гидродинамики виброкипящего слоя в жид
кой среде 83
2.1.3. Исследование гидродинамики виброаэрокипящего слоя 92
2. 2. Интенсификация и управление процессами переноса тепла в
виброкипящем слое в газовой и жидкой средах 100
2.2.1. Исследование внешнего теплообмена в виброкипящем слое в газовой среде 101
2. 2. 2. Мгновенный коэффициент теплоотдачи в виброкипящем слое 122
2.2.3. Теоретическое исследование внешнего теплообмена в виброкипящем слое 126
2. 2. 4. Исследование эффективной теплопроводности виброкипя-
щего слоя 136
2.. 2. 5. Исследование внешнего теплообмена и эффективной теп-
лопроводности виброкипящего слоя в жидкой среде 145 2.2. 6. Исследование внешнего теплообмена в Еиброаэрокипящем
слое 149
2.2. 7. Исследование теплообмена газ - твердые частицы в виб
роаэрокипящем слое 153
3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАСОСНОГО ДЕЙСТВИЯ ВИБРОКИПЯЩЕГО СЛОЯ
ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА И ВИБРИРУЕМОГО ДИСКА, ПЕРФОРИРОВАН
НОГО ОТВЕРСТИЯМИ И НАКРЫТОГО МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СЕТКАМИ ИЛИ
ТКАНЯМИ, А ТАКЖЕ РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ С ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 161
3.1. Современное состояние вопроса 161
3.2. Исследование насосного действия виброкипящего слоя и вибрируемого диска» а также разработка вибронасосов и аппаратов с использованием насосного действия 167
3.2.1. Исследование насосного действия виброкипящего слоя 167
3.2.2. Исследование насосного действия вибрируемого перфорированного отверстиями и накрытого металлическими сетками или тканями диска 172
3. 2. 3, Моделирование насосного эффекта вибрируемого диска и
виброкипящего слоя 185
3.2. 4. Разработка вибронасосов с сетчатым и дисперсным кла-
панами и аппаратов с использованием насосного
действия 190
3.3. Исследование процесса смешивания вязких жидкостей виб
ромешалками и разработка их конструкции 196
3. 4. Разработка и исследование гальванокоагулятора 199
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛЕБАНИЙ 207
4. і. Классификация фильтров с применением колебаний, краткий
анализ развития их конструкций и формулирование основ
ных принципов их разработки 208
4.2. Разработка и исследование работы вибрационных фильтровнасосов 215
4. 2.1. Разработка и исследование работы вибрационного филь-
транасоса с движением жидкости через фильтрэлемент
снизу вверх 215
4. 2. 2. Разработка и исследование работы вибрационного филь-
транасоса с движением жидкости через фильтрэлемент
сверху вниз 225
4.2.3, Разработка и исследование виброфильтра-насоса для
разделения суспензии с большим содержанием взвешенных
частиц 229
4,3. Разработка пуль с ационно-вибрационных фильтров 231
4. 4. Теоретический анализ процесса фильтрования с применени
ем колебаний 238
4. 4.1. Виброэффекты, сопутствующие процессу фильтрования с
применением колебаний 238
4. 4. 2. Условия безосадочного фильтрования 238
4. 4. 3. Влияние параметров вибрации, свойств осадка и перепада давления на начало движения слоя осадка 241
4. 4. 4. Обобщение гидродинамической теории фильтрования 245
5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРОВАНИЯ И СУШКИ
СУСПЕНЗИЯ 257
5.1. Современное состояние исследований и разработки комбинированных фильтр-сушилок и пути их совершенствования 257
5. 2. Некоторые теоретические предпосылки разработки комбини
рованных аппаратов 263
5. 3. Разработка новых фильтр-сушилок 265
5. 4. Разработка и исследование комбинированного вибрационно
го аппарата для интенсификации процесса получения пек
тина из концентрированной вытяжки 281
5. 5. Методы расчета комбинированных аппаратов 286
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 294
ЛИТЕРАТУРА 298
ПРИЛОЖЕНИЯ 343
Введение к работе
Основными путями повышения эффективности процесса сушки дисперсных материалов являются более глубокое обезвоживание на стадии фильтрования [1,23 , применение активных гидромеханических режимов сушки (псевдоожиженный слой с механическими побудителями, виброкипящий слой и т. д. ) [3,4,5] , а также совмещение процессов сушки и фильтрования [6,7], которое включает в себя положительные эффекты от ранее упомянутых способов повышения эффективности сушки и дает совершенно новые преимущества, связанные с образованием новой сложной системы , которой присуши новые целостные интегра-тивные свойства Совмещение процессов и комбинирование аппаратов является новым и весьма перспективным научным направлением, отвечающим современным тенденциям науки о процессах и аппаратах химических и пищевых производств [8-10] и смежных наук, в том числе теории технологического потока [Ш. Комбинированные аппараты -это устройства, обладающие совокупностью конструктивных элементов., позволяющих проводить в рабочем обьеме последовательно или одновременно несколько технологических стадий (процессов). Комбинированные аппараты, в том числе для обезвоживания высоковлажных дисперсных продуктов типа фильтр-сушилка обладают следующими преимуществами: 1) снижение энерго-капитальных затрат; 2) упрощение аппаратурного оформления технологии за счет исключения узлов вывода, ввода и транспортирования полупродуктов по стадиям технологического процесса, сокращения числа приводов, в том числе виб-роприводов; 3) повышение надежности сохранения чистоты продукта; 4) значительное сокращение расхода конструкционных материалов (особенно высоколегированных сталей, цветных и драгоценных металлов , фторопласта ); 5) высокая технологическая ценность , позволяющая практически полностью изолировать обслуживающий персонал от перерабатываемых веществ, исключающая применение ручного труда; б) упрощение схемы контроля и управления процессами , проводимыми в одном рабочем объеме; 7) легкая автоматизация в связи с простотой операционного действия; 8) осуществление процессов фильтрования и сушки в непрерывном потоке, ставшее возможным благодаря разработкам авторов [12]. Перспективность и актуальность разработки комбинированных аппаратов для фильтрования и сушки подтверждает возрастающий поток информации по этой тематике в зарубежной и отечественной литературе.
Комбинированные аппараты, выпускаемые зарубежными фирмами "Shenk" (ФРГ), "Rosemund" (Швейцария), "Guedu" (Франция), "Nutrex" (США) и другими, представляют собой емкостные аппараты, в которых преодолены некоторые недостатки, присущие этому виду оборудования: механизированы процессы герметизации, поворота емкости, смены фильтровальной перегородки, выгрузки осадка и т. д. Однако это значительно усложнило конструкцию, но не преодолело органически присущие емкостным аппаратам недостатки: малые скорости процессов тепло- и массообмена, фильтрования, и как следствие, малая удельная производительность аппаратов [ 7,12]. В аппаратах с мешалками возможны проблемы с уплотнителями, загрязнения продукта за счет натира, а конвективный подвод тепла может увеличить загрязнения продукта примесями, вносимыми с теплоносителем при одновременном усложнении устройства за счет применения сложного и дорогостоящего пылеулавливающего оборудования.
Вибрирование и пульсирование значительно ускоряет различные технологические процессы , повышает их качественные показатели в результате более полного использования взаимодействующих веществ, уменьшает размеры, снижает металло- и энергоёмкость оборудования [12 -31]. Поэтому для интенсификации процессов обработки много-фазных сред в комбинированных аппаратах (проведение химических реакций, фильтрования и сушки и др.) наиболее перспективно применение вибрационной и пульсационной техники [7,12 ].
Двух- и многофазные (гетерогенные, неоднородные, дисперсные) смеси (системы, среды) широко распространены в природе и технике (суспензии, эмульсии, газовзвеси., пузырьковые среды, псевдоожи-женный слой, грунты и др). В жидкости всегда содержится растворенный газ и некоторые количество пузырьков газа и пара. Можно сказать, что однофазные системы скорее исключение, чем правило.
Эффекты неоднофазное?и существенно осложняют исследование и проявляются с наибольшей полнотой при распространении волн, возникающих при вибрационных, пульсационных и ударных нагрузках, применяемых для интенсификации процессов тепло-массообмена
Вибрационное (пульсационное) воздействие эффективно в гетерогенных средах вследствие интенсификации межфазных и внутрифаз-ных взаимодействий и процессов (вязкость, межфазные трение и теп-ло-массообмен, дробление капель и пузырьков и т.д.) [35].
Вибрирование дисперсных систем начинает применяться в различных отраслях промышленности для транспортирования, перемешивания сыпучих материалов и жидкостей, осуществления механических и массообменных процессов в дисперсных системах в газовой и жидкой средах (уплотнение, охлаждение и нагревание, сушка, химические реакции, экстракция, растворение, закалка, фильтрование и т. д.) [12 -31].
Широкое применение вибротехники в промышленности обусловлено многими факторами:
- наличием различных виброэффектов (понижения эффективной вязкости дисперсных систем и неньютоновских жидкостей, перемешивания, уплотнения, транспортирования, псевдоожижения дисперсных систем, а также транспортирования, перемешивания, дегазации и насыщения газом жидкостей );
-возможностью управления свойствами дисперсных систем с помощью вибрации ;
-освоением заводами выпуска вибраторов и относительной простотой оборудования ;
- относительно низкими энергетическими затратами, особенно при создании резонансных режимов ;
- возможностью создания эффективных аппаратов, в которых совмещены процессы переработки и траспортирования материалов ;
- осуществлением преобразования стационарной механической и тепловой энергии в мощные энергетические импульсы, дискретные во времени и в пространстве.
При взаимодействии поверхностей с турбулентным потоком жидкости или газа, например, в теплообменных аппаратах, трубопроводах, реакторах или при некотором динамическом неуравновешивании вращающихся частей машин и аппаратов, а также в вибродвигателях, электромагнитах и т. д. , возникает их вибрация, являющаяся в большинстве случаев побочным результатом работы машин и аппаратов,который необходимо учитьюатъ при их гидравлическом и тепловом расчете и возможно использовать для интенсификации различных процессов.
Отметим,что вибрирование сложных систем является эффективным методом их исследования, позволяющим выявить их динамические свойства.
Колеблющиеся дисперсные системы, интересные для различных приложений, столь сложны и малоисследованы, что не выделены основ 20
ные факторы, определяюїдие их свойства. Поэтому при современном состоянии науки не удается создать их универсальную теорию даже для отдельных систем, действующую на все время и при всех физических и механических условиях. Вместо этого посредством экспериментов, наблюдений будем стараться понять и проанализировать ведущие факторы, которые в тех или иных случаях управляют процессом в тот или иной момент времени.
Основой различных аппаратов и машин являются замкнутые емкости с жидкостью или дисперсными материалами в газовой"или жидкой средах, в которых осуществляются механические, гидродинамические и тепло-массообменные процессы. Поэтому исследование поведения жидкости и дисперсных материалов в газовой и жидкой средах в замкнутом сосуде с перфорированным и неперфорированным днищем составляет основу для разработки различных процессов и аппаратов.
