Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ процесса механического перемешивания жидких сред
1.1. Перемешивание жидких сред как основа приготовления огнетушащих растворов .9
1.2. Направления развития техники механического перемешивания жидких сред .16
1.3. Перенос вещества и теплоты при перемешивании жидких сред .23
1.4. Постановка задачи исследования 31
Глава 2. Объекты и методики исследования
2.1. Технические характеристики использованных жидкостей и химических реактивов 34
2.2. Описание экспериментальной установки .34
2.3. Использованные методики описания гидродинамики вихревых аппаратов 43
2.4. Математическое и статистическое моделирование 60
Глава 3. Математические основы описания перемешивания в вихревых механических смесителях
3.1. Особенности диссипации энергии в пространственно-неоднородном турбулентном потоке 62
3.2. Скорость диссипации энергии в вихревом аппарате 66
3.3. Перенос массы при перемешивании суспензий .71
3.4. Перенос пассивной примеси в аппарате с учетом неоднородности турбулентного потока .74
3.5. Оценка качества перемешивания 80
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса приготовления водных пенообразующих растворов
4.1. Исследование скорости диссипации энергии в вихревых механических смесителях .91
4.2. Перешивание при приготовлении пожаротушащих смесей 104
4.3. Растворение пенообразователя в вихревых механических смесителях 119
Глава 5. Электрофизическое воздействие на пенообразующую и огнетушащую способность воды и водных растворов пенообразователей .125
Выводы .138
Список литературы 139
Приложения 150
- Направления развития техники механического перемешивания жидких сред
- Использованные методики описания гидродинамики вихревых аппаратов
- Перенос пассивной примеси в аппарате с учетом неоднородности турбулентного потока
- Перешивание при приготовлении пожаротушащих смесей
Введение к работе
Актуальность. Анализ обстановки с пожарами и последствий от них на территории Российской Федерации показывает, что несмотря на снижение количества пожаров и размера ущерба, причиненного народному хозяйству, уровень их пока остается достаточно высоким – 423 пожара происходило в Российской Федерации ежедневно в первом полугодии 2013 года. Большое значение для успешного проведения действий по тушению пожаров имеет качество и эффективность не только применяемого для тушения оборудования, но и огнетушащих веществ.
Достоинства воздушно-механических и химических пен как средства тушения заключаются в существенном сокращении расхода воды; возможности тушения пожаров больших площадей; реализации объемного тушения и подслойного тушения нефтепродуктов в резервуарах. Повышенная (по сравнению с водой) смачивающая способность при тушении пеной не требует одновременного перекрытия всей поверхности горения, поскольку пена способна растекаться по поверхности горящего материала. Пены генерируются в результате либо химической реакции, либо путем механического насыщения пенообразующего раствора воздухом. Основными устройствами для приготовления пенообразующих растворов в настоящее время являются эжектирующие устройства, устанавливаемые на пожарные автомобили типа АЦ. Однако механическое перемешивание остается наиболее эффективным способом интенсификации гидродинамических и массообменных процессов, что объясняется высоким коэффициентом полезного действия механических перемешивающих устройств, простотой и надежностью их конструкций.
Повышение требований к однородности растворов пенообразователей, определяющих стабильность и кратность пен, влечет за собой повышение требований к качеству (однородности) и скорости перемешивания. Весьма перспективным является применение вихревых механических смесителей, способных обеспечить большую интенсивность перемешивания за счет высокой скорости диссипации механической энергии при ее достаточно равномерном распределении по рабочему объему, например, с пеносмесителями типа ПС и ПСД
(НПБ 200-2001), устанавливаемыми в настоящее время на пожарных автомобилях типа АЦ.
Изучение этой проблемы предполагает в первую очередь углубленное исследование влияния структуры турбулентного потока на закономерности перемешивания. Влияние устойчивых когерентных образований и структуры турбулентных потоков на процессы переноса, хотя и рассматривались в теоретической гидродинамике, но до сих пор не имеют достаточного инженерного приложения. В связи с этим весьма актуальным является изучение и моделирование механизмов перемешивания в вихревых механических смесителях, для которых характерны большие скорости диссипации энергии при высокой однородности получаемых смесей и, как следствие, применение основных положений теоретической гидродинамики к разработке научно-обоснованных методов их расчета.
Цель исследования - изучение особенностей процесса механического перемешивания жидких сред, осложненного растворением твердых компонентов, в вихревых механических смесителях при больших скоростях диссипации энергии и разработка научных основ их функционирования применительно к приготовлению пенообразующих растворов.
Решались следующие задачи:
разработать модель и методики расчета, описывающие специфику процессов перемешивания в вихревых механических смесителях, позволяющие количественно оценить возможность и качество приготовления в них пенообразующих рецептур;
экспериментально подтвердить тождественность результатов моделирования и расчетных методик, описывающих перемешивание при высоких скоростях диссипации энергии в механических смесителях пожарных автомобилей;
выявить влияние электрофизического воздействия на стабильность генерируемых пен и воды как огнетушащего вещества при их подготовке в вихревых механических смесителях специальных пожарных автомобилей типа АЦ.
Объект исследования - особенности гидродинамики и массообмена перемешивания при высоких скоростях диссипации энергии растворов
пенообразователей в механических вихревых смесителях для пожарных автомобилей.
Предмет исследования – математическое моделирование и методика расчета процесса перемешивания, а также его экспериментальная проверка для различных конструкций механических вихревых смесителей при приготовлении пенообразующих растворов на пожарных автомобилях.
Методы исследования. Математические методы разработки и анализа моделей перемешивания жидких сред в механических вихревых смесителях для их последующей экспериментальной верификации и разработки методик их сравнительной оценки возможности применения в качестве пеносмесителей пожарных автомобилей.
Научная новизна работы заключается в:
разработке рабочей гипотезы, основанной на изучении эволюции поля диссипации энергии в жидкости, заключающейся в необходимости учета его неоднородности, и ее последующем экспериментальном доказательстве;
экспериментальном подтверждении адекватности установленных аналитических зависимостей для коэффициента продольного перемешивания и их проверке для системы жидкость – твердое на основе разработанных методик расчета коэффициента массоотдачи;
обнаружении влияния электрофизического воздействия на воду и водные растворы пенообразователей, способствующего повышению устойчивости воздушно-механической пены и огнетушащей способности воды, а также снижению критической концентрации мицеллообразования в водных растворах пенообразователя.
Практическая значимость исследования заключается в:
установлении закономерностей диссипации энергии в вихревых механических смесителях и выявлении тенденций минимизации неоднородности поля диссипации для роторов с развитой поверхностью;
разработке методики оценки однородности перемешивания путем установления взаимосвязи между отклонением концентрации в пробах раствора и объемами не полностью перемешанных областей;
- разработке практических рекомендаций по переоборудованию специальных пожарных автомобилей вихревыми механическими смесителями в комплексе с коробкой отбора мощности и промышленного генератора переменного частотно-модулированного сигнала.
Реализация работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в проектную деятельность ООО «Пожнефтехим» г. Санкт-Петербург и в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
научное обоснование и моделирование специфики процессов перемешивания пенообразующих растворов в вихревых механических смесителях пожарных автомобилей;
-
методика и математическая модель особенностей процесса перемешивания жидких сред в вихревых смесителях для обеспечения тушения с помощью пожарного вооружения автомобилей типа АЦ;
-
закономерности изменения физико-химических и коллоидно-химических свойств воды и пен на ее основе при электрофизической обработке в пожарно-техническом оборудовании специальных автомобилей на их пенообразующие и огнетушащие свойства.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных заседаниях кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Санкт-Петербург, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг, прогнозирование и моделирование опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций» (г. Железногорск, 2013), Международной научно-практической конференции «Современное общество, наука и образование: модернизация и инновации» (г. Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 – в изданиях согласно перечню ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 106 источников, приложения. Общий объем работы 149 страниц, 11 таблиц, 32 рисунка.
Направления развития техники механического перемешивания жидких сред
Аппараты, в которых обрабатываемой средой является жидкость, достаточно часто применяются в промышленности. Процессы переноса в жидкой среде могут проводиться, как в однофазной среде, так и в двухфазной (эмульсиях или суспензиях). С целью их интенсификации широко применяются аппараты с механическими перемешивающими устройствами (мешалки), которые могут иметь самые различные конструкции.
Мешалки можно разделить на два основных типа: быстроходные и тихоходные. К быстроходным мешалкам можно отнести пропеллерные и турбинные различных типов, а также специальные виды мешалок, например, дисковые, лопастные, фрезерные [2]. Данные перемешивающие устройства, приводя в движение жидкость, обеспечивают ее крупномасштабную циркуляцию в аппарате. Исходя из формы лопаток (лопастей) и способа их установки быстроходные мешалки могут создавать радиальный, осевой и радиально-осевой потоки жидкости.
В результате исследования гидродинамики аппаратов с быстроходными мешалками [3,4] было установлено, что наибольшие скорости и самая большая турбулентность жидкости имеет место в районе расположения вращающейся мешалки. При этом предлагается выделять в объеме аппарата две зоны - зону мешалки, где имеет место наиболее интенсивное перемешивание, и зону циркуляции, где наблюдается слабое перемешивание и жидкость движется с меньшими скоростями [4].
Из-за небольшого размера мешалок (D /D = —, где Dm, Dа - диаметр мешалки и аппарата соответственно) объем аппарата используется недостаточно эффективно. В целях увеличения интенсивности на валу устанавливают несколько мешалок, используют шарнирно закрепленный вал и планетарные мешалки [2]. Простота конструкции и удобство в эксплуатации аппаратов с быстроходными мешалками являются их основными достоинствами. Поскольку в промышленности накоплен большой объем опытных данных, то нет проблем при проектировании аппаратов со стандартными мешалками этого типа.
Основной недостаток быстроходных мешалок — это крайняя неоднородность структуры потока, в результате в аппарате обеспечивается скорость диссипации энергии на весьма незначительном уровне ( 1 Вт/кг). Неравномерность по объему следующая: до 20% энергии рассеивается в области мешалки, 50% - в потоке от лопастей и 30% - в остальном объеме, что затрудняет проведение процессов, требующих интенсивного перемешивания.
Для перемешивания высоковязких жидкостей находят применение тихоходные мешалки [3]: скребковые, ленточные, рамные, шнековые и т.д. Они обеспечивают главным образом поток жидкости вдоль стенки аппарата, т.е. жидкость вращается вокруг оси аппарата, и имеют размеры, сравнимые с размерами аппарата. При этом при их применении обеспечивается более равномерное распределение подводимой энергии по объему аппарата. Но из-за ограничений по скорости вращения мешалок в этом случае также не удается получить большую скорость диссипации энергии [6].
Определенное распространение также нашли вибрационные мешалки, особенностью которых является генерация мелкомасштабных потоков в результате крутильных или поступательных колебаний перемешивающего устройства. Это позволяет достичь хорошей равномерности диссипации подводимой энергии в объеме обрабатываемой среды [7]. Вибрационные мешалки, как правило, изготавливают в форме диска с отверстиями определенной формы (для поступательных колебаний) либо в форме диска с лопастями (для крутильных колебаний). При использовании виброперемешивания имеются значительные трудности по созданию общей циркуляции перемешиваемой жидкости, как правило, требуется устанавливать нескольких вибраторов или использовать вращающуюся мешалку. В этом случае значительно возрастает сложность конструкции перемешивающего устройства и его привода. В случае, когда для проведения массообменного процесса необходимо чрезвычайно активное перемешивания, находят применение роторно-пленочные аппараты [8,9]. При этом перемешивающее устройство (ротор) представляет собой вал с закрепленными шарнирно лопатками, и силовое воздействие оказывается на среду, распределенную в виде тонкой пленки между стенкой корпуса и лопастями ротора. Благодаря этому достигается высокая равномерность диссипации подводимой энергии и значительная скорость процессов тепло- и массопереноса. Недостатком подобных аппаратов является сложность их изготовления и эксплуатации.
Достигнуть более интенсивного перемешивания вязких сред возможно в так называемых роторно-пульсационных аппаратах (РПА) [5,10], где обработка жидкой среды происходит при прохождении ею узкого кольцевого зазора между вращающимися и неподвижными коаксиальными цилиндрами с прорезями. В результате в обрабатываемой среде возникают большие напряжения сдвига и потоки с микроциркуляцией. При работе роторно-пульсационных аппаратов возможно возникновение режима автоколебаний, для которого характерны пульсации скоростей и давления в обрабатываемой жидкости. Для этих аппаратов характерны все достоинства аппаратов с виброперемешиванием.
Недостаток как роторно-пульсационных аппаратов, так и роторно-пленочных аппаратов связан с малым объемом обрабатываемой жидкости. Поэтому при их применении сложно управлять временем обработки компонентов, а также изменять степень воздействие на среду в процессе обработки. К этим двум аппаратам близкими по конструкции и воздействию на обрабатываемую среду являются вихревые механические смесители с коаксиально-цилиндрическим ротором [9].
В них применяется перемешивающее устройство в виде цилиндрического либо дискового ротора. Рабочая зона вихревых аппаратов также образована кольцевым зазором между корпусом и ротором, относительный размер которого значительно больше, чем у пленочных и пульсационных аппаратов. Отсюда вытекают особенности гидродинамики вихревых аппаратов. За счет вращения цилиндрического ротора в зазоре формируется интенсивное окружное течение жидкости с большими напряжениями сдвига. При этом благодаря возникновению центробежных сил в рабочем пространстве аппарата возникают радиальные течения. В этих условиях достигается равномерная по рабочему объему аппарата скорость диссипации энергии в жидкости, что обеспечивает ее хорошее перемешивание. Однако вихревой аппарат в целом способен работать в режиме, близком к идеальному вытеснению.
В зависимости от того, для какого процесса предназначен аппарат, различаются и конструкции используемых роторов [11].
Аппараты с гладким ротором (рисунок 5 а) применяются, как правило, при использование перемешивания для интенсификации теплообменных процессов [87]. Вращение ротора способствует не только увеличению коэффициента теплопередачи, но и закручивает жидкость, вызывая при этом большие напряжения сдвига, благодаря чему препятствует ее налипанию на стенки корпуса.
Использованные методики описания гидродинамики вихревых аппаратов
Дальнейшее совершенствование аппаратов с механическими перемешивающими устройствами связано с разработкой более точных и корректных методов описания происходящих в них процессов переноса. При этом одна из основных задач связана с моделированием гидродинамики аппарата, которое должно позволить определить:
— мощность, затрачиваемую на перемешивание;
— коэффициенты массоотдачи при перемешивании дисперсных систем;
— величины, связанные с турбулентной диффузией: коэффициент продольного перемешивания и время перемешивания.
C позиций применения в инженерной практике методы описания гидродинамики условно можно разделить на несколько групп.
В настоящее время наиболее хорошо разработаны методы моделирования ламинарных течений. Они предполагают аналитическое либо численное решение уравнения Навье - Стокса с граничными условиями, которые соответствуют конкретной конструкции аппарата. Полученное при этом поле скоростей и давлений позволят непосредственно подойти решению перечисленных задач. В инженерной практике для описания гидродинамики турбулентных потоков широкое применение находят полуэмпирические методы. Каждый из них предназначен для решения конкретных задач по моделированию перемешивания. Так, определение профиля осредненного течения и коэффициента гидравлического сопротивления позволяет рассчитать мощность, затрачиваемую на перемешивание, и с некоторой степенью приближения описать процесс переноса пассивной примеси.
Наиболее общий характер имеют статистические методы, которые предназначены для выявления новых корреляционных зависимостей, которые позволяют описать поле скоростей и давлений в аппарате и в отдельных случаях позволяют дать представление о полной картине перемешивания в изучаемом аппарате.
Достаточно полезными в инженерной практике оказываются качественные методы, которые позволяют, хотя и в общих чертах, моделировать структуру потоков в аппарате. Они могут служить основой моделей переноса тепла и вещества в масштабах аппарата. Но эти методы не применимы для определения потребляемой мощности и описания процессов переноса на границе раздела фаз в дисперсных системах.
Наибольшее развитие получили численные методы. Они предполагают непосредственное решение уравнений Навье – Стокса с целью расчета полей скоростей и давлений. Эти методы являются наиболее привлекательными, поскольку они не имеют ограничений по области применения и позволяют описать работу любого аппарата с позиций происходящих в нем при перемешивании процессов.
Известны также методы, которые позволяют представить турбулентный поток как некоторую гетерогенную систему. С помощью этих методов можно рассчитать гидравлическое сопротивление, а, следовательно, оценить мощность, затрачиваемую при перемешивании, и моделировать крупномасштабный перенос вещества и теплоты в аппарате. Пока все их возможности, особенно с учетом быстрого развития теории фрактальной размерности турбулентности, не исчерпаны.
Моделирование ламинарных течений. Для вихревого аппарата основным является течение жидкости в кольцевом зазоре между неподвижной стенкой корпуса и поверхностью вращающегося ротора. Пока поток жидкости остается ламинарным он описывается уравнением Навье - Стокса, записанным в цилиндрической системе координат [38] где р - давление, Па; р - плотность жидкости, кг/м3; U, г - текущие значения скорости потока и радиуса соответственно. В результате решения этого уравнения получим выражение для скорости жидкости где R - радиус ротора, h - зазор между корпусом и ротором, со - частота вращения ротора. Уравнения (17) могут быть решены и для ротора сложной формы, можно получить исчерпывающее описание перемешивания при ламинарном режиме течения жидкости. В конкретных аппаратах такой режим имеет место крайне редко. Происходит это потому, что при Reкр =41,3jR/h (Та=41,3) ламинарное течение с профилем скорости вида (18) теряет устойчивость [38]. Возникающее в этом случае течение имеет вид симметричных относительно оси парных вихрей (вихри Тейлора) в виде торов, которые можно описать следующими уравнениями [38]
Перенос пассивной примеси в аппарате с учетом неоднородности турбулентного потока
Под пассивной примесью в данном случае понимаются твердые и жидкие добавки, дисперсные образования которой не оказывают существенного влияния на характер течения жидкости в аппарате, когда их объемная концентрация не превышает 5%.
При изучении перемешивания в вихревых механических смесителях будем исходить из предположения о том, что на уровне микроскопического масштаба перемешиваемая среда имеет гетерогенное строение, и локальные градиенты концентрации обладают известной пространственной протяженностью. Такие участки можно представить себе, как небольшие агрегаты, капельки или сгустки жидкости, которые сохраняют некоторую идентичность - «жидкие частицы» [60,104].
Моделирование эволюции подобных «жидких частиц» будем осуществлять исходя из описания Лагранжа. При этом можно выделить три этапа анализа перемешивания в турбулентном потоке жидкости, которая содержит пассивную примесь с объемной концентрацией Х [104].
На первом этапе наблюдается распределение крупных «жидких частиц» по всему объему аппарата и формируется средняя концентрация без изменения (снижения) ее локальных значений. Данный этап перемешивания на макроуровне осуществляется благодаря конвективному переносу (крупномасштабным пульсациям). Происходит это при сохранении объема «жидких частиц», содержащих примесь. Наблюдается только их деформация за счет крупномасштабных турбулентных пульсаций. Объем смеси, первоначально занятый примесью, по одним направлениям увеличивается, а по другим уменьшается, при этом искривляясь самым произвольным образом. В этом случае в любой точке смеси, концентрация примеси Х будет равна 0 либо 1. Все зависит от того, содержит ли в начальный момент времени или нет некоторая «жидкая частица» примесь. Крупномасштабный перенос способствует образованию в смеси сильно деформированных и запутанных слоев с различными значениями концентрации примеси. На втором этапе размеры областей однородного состава сокращаются в результате разрушения крупных «жидких частиц», наблюдается увеличение размеров зоны контакта областей с различным составом. Размеры «жидких частиц» уменьшаются до предельно возможных малых значений. На этом этапе имеют место два различных механизма перемешивания. Если турбулентные пульсации отсутствуют, то объем «жидких частиц» остается постоянным, при этом они из-за вязкого трения деформируются с образованием складок. В результате жидкость принимает слоистое (пластинчатое) строение. Подобные явления в основном имеют место при перемешивании высоковязких жидкостей [73].
Под воздействием турбулентных пульсаций, «жидкие частицы» непрерывно отдают примесь в окружающую среду и их размеры становятся меньше. Два первых этапа затрагивают перемешивания на макроуровне, и их протекание характеризуется временем tmak . Условно изменения структуры среды при перемешивании на макроуровне изображено на рисунке 12. В общем объеме примесь занимает в среде дискретные зоны некоторого размера, а функция, определяющая изменение концентрации Х вдоль любого направления, имеет разрывы.
При достижении некоторого предельного размера несмешиваемых «жидких частиц», в которых больше не наблюдается турбулентных пульсаций, дальнейшее выравнивание концентрации возможно только за счет молекулярной диффузии (третий этап перемешивания). Чем больше интенсивность турбулентных пульсаций, тем меньше размер минимальных турбулентных вихрей и тем быстрее прекращается выравнивание концентраций за счет диффузии (перемешивание на микроуровне). При этом в аппарате будет находиться только доведенная до размеров молекулярного состояния смесь. Для реализации этого процесс перемешивания завершается за время, определяемого как время перемешивания на микроуровне tmik.
Проведем оценку времени, которое требуется на распространение пассивной примеси в турбулентном потоке жидкости, то есть времени перемешивания на макроуровне.
Уравнение (69) позволяет рассчитать время, за которое пассивная примесь распространится до масштабов X, и относится к первому этапу перемешивания. Оно в равной степени зависит от размеров области, изначально занятой примесью, и от скорости диссипации энергии, которая характеризует интенсивность перемешивания в аппарате. В случае турбулентности, которая отличается от однородной ( я 3), время перемешивания на макроуровне в незначительной степени зависит от вязкости среды. По имеющимся в литературе данным, ранее это влияние во внимание не принималось.
Если емкостная размерность d—»3 уравнение (69) принимает вид, аналогичный выражению для времени перемешивания на макроуровне, полученному ранее для аппаратов с мешалкой [91].
Применительно к аппарату конкретных размеров время перемешивания на макроуровне можно найти из уравнения где к - коэффициент, который учитывает геометрические размеры аппарата.
Можно предположить, что первый этап процесса перемешивания на макроуровне связан с коэффициентом турбулентной диффузии D t . Тогда исходя из соображений размерности, получим:
В вихревых механических смесителях перенос в осевом направлении зависит только от величины зазора h. Принимая, что L h и подставляя (70) в (71), после не сложных преобразований получаем
На основании выражения для времени перемешивания на макроуровне, определим размер жидких агрегатов, соответствующих различным моментам времени перемешивания: (t) = h 1 t
Использование уравнения (73) возможно только при времени t tmak. В этом случае размер агрегатов, содержащих примесь, уменьшается до размеров минимальных турбулентных образований X, и последующее выравнивание концентрации будет происходить за счет перемешивания на микроуровне.
Интенсификация процессов теплообмена, а также медленных химических реакций и массообменных процессов происходит на этапе перемешивания на макроуровне. Перемешивание на микроуровне оказывает определяющее влияние на ход быстропротекающих многостадийных химических реакций [105].
Перешивание при приготовлении пожаротушащих смесей
В данной части работы исследовался процесс переноса пожаротушащей добавки в воде при приготовлении пожаротушащей смеси. Основное внимание было направлено на выявление влияния скорости диссипации энергии, затрачиваемой на перемешивание, на перенос добавки в турбулентном потоке жидкости (воды) в зависимости от конструкции ротора вихревого аппарата.
Непосредственно все исследования можно разбить на две части. Первая направлена на подтверждение представлений о процессе перемешивания как эволюции агрегатов жидкости (жидких образований) и возможности описания качества перемешивания на основе понятия емкостной размерности. Вторая часть предусматривала исследование турбулентной диффузии, в нашем случае продольного перемешивания в вихревых механических смесителях с разной конструкцией роторов [79].
Основное предположение, которое легло в основу построения модели турбулентного переноса, заключалось в том, что добавка занимает в объеме смеси отдельные области, которые было принято считать дискретными. В связи с этим первоначально проводились исследования с целью подтверждения этой гипотезы. Для этого использовалась установка, описанная в параграфе 2.2 и аппарат №4.
Исследования предполагали фотографирование проб, отобранных на разных этапах перемешивания воды и хладона, где хладон выступал в качестве добавок. Хладон был выбран в связи с тем, что его плотность близка к плотности воды.
Конструктивные особенности аппарата №4 позволяли быстро отсоединять корпус для отбора пробы, что позволило свести к минимуму возможность укрупнения жидких образований. Использовались смеси трех типов с концентрацией хладона ХТ равной 5, 10 и 35 объемных процентов. В случае 35% смеси проводился отбор проб, объемом Vпр 0,50, 1 и 1,5 см3, для остальных случаев отбирались пробы объемом 1,5 см3.
Поскольку аппарат № 4 является лабораторной моделью, то измерение скорости диссипации энергии не проводилось. Связано это с низкой точностью замера затрат мощности на перемешивание в аппаратах малого объема. При этом проводилось сопоставление полученных фотографий с результатами перемешивания при использовании эжекторного пеносмесителя диаметром 50 мм, установленного на расстоянии 60 мм от днища. На рисунке 19 приведены характерные изображения смеси при концентрации хладона 35%, из которых видно, что включения хладона (добавки) представляют собой образования различного размера, которые имеют сложную форму. В начале перемешивания (рисунок 19 а) преобладающими являются крупные образования, на завершающей стадии размер образований стабилизируется (рисунок 19 б) и они становятся более мелкими.
– конечная стадия перемешивания.
Наблюдаемые результаты согласуются с механизмом разрушения жидких агрегатов вследствие турбулентных пульсаций [104], описанным ранее. В пробах, полученных при перемешивании эжекторными пеносмесителями, имеет местобольшой разброс размеров замеряемых агрегатов, что указывает на существенную неоднородность гидродинамических условий по объему аппарата при использовании аналогичных смесителей. Данные результаты подтвердили высокую эффективность перемешивания в вихревых механических смесителях по сравнению с использованием традиционных эжекторных пеносмесителей [44,80]. На основе сделанных фотографий рассчитывались средние размеры областей Sср, занятых каждой из жидкостей, максимальные размеры жидких агрегатов cw. Также определялось значения концентрации в объеме пробы, исходя из площади Sпр сфотографированной области:
Далее при обработке экспериментальных данных согласно уравнению (80) определялось среднеквадратичное отклонение концентрации а в пробе от его среднего (заданного) значения. Расчет значений среднего и максимального размеров жидких агрегатов АХ и ЛХmax проводился согласно уравнению (99).
В последующем данные величины сравнивались с теоретическим значением среднеквадратичного отклонения а с целью выявления отличий между ними. Результаты обработки экспериментальных данных и расчетов представлены на рисунке 20. При этом строилось изменение этих величин во времени, а теоретическое значение а рассчитывалось по уравнению (79).
Как видно, АХ для всех экспериментов оказывается меньше теоретического значения среднеквадратичного отклонения а. Возможным объяснением этого факта может являться то, что по (99) определяется достижимое качество перемешивания в предположении, что все жидкие агрегаты имеют средний размер Sср. Поскольку возможно существование добавки более крупных объемов, то наблюдается возрастание отклонения концентрации а в пробе, которое не учитывается выражением (99).
