Содержание к диссертации
Введение
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
Глава 2. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ВЫНУВДЕННОГО РАСПАДА СТРУЙ И РЕЖИМОВ МОНОДИСПЕРСНОГО ДРОБЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ 22
2.1. Анализ литературных данных 22
2.2. Экспериментальное исследование вынужденного распада капиллярных струй 31
2.3. Анализ механизма вынужденного распада струй и оптимальных параметров управляющих колебаний..40
Глава 3. РАЗРАБОТКА ВИБРОДИСПЕРГИРУЩИХ УСТРОЙСТВ 60
3.1. Основные расчетные соотношения 60
3.2. Схемные и конструктивные решения 65
Глава 4. ТЕПЛООБМЕН И ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ В КОНТАКТНЫХ АППАРАТАХ С МОНОДИСПЕРСНЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ 74
4.1. Исследование параметров движения частиц 75
4.1.1. Уравнения движения в обобщенной форме 76
4.1.2. Коэффициент сопротивления и условия витания капель 79
4.1.3. Анализ параметров движения и рекомендуемые расчетные зависимости 82
4.2. вопросы тепло- и массообмена 91
4.2.1. Литературные данные 91
4.2.2. Исследование теплообмена при гранулировании расплавов 96
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОЦЕССАХ МОНОДИСПЕРСНОГО ГРАНУЛИРОВАНИЯ РАСПЛАВОВ
5.1. Анализ процессов на основе полученных расчетных зависимостей
5.2. Результаты опытно-промышленных исследований.. 117
5.3. Типовая схема и методика расчета грануляционных установок 125
Глава 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРОВЕРКИ И ВНЕДРЕНИЯ УСТАНОВОК МОНОДИСПЕРСНОЙ ГРАНУЛЯЩИ ПЛАВА В ПРОИЗВОДСТВЕ АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ 131
6.1. Модернизация типовой грануляционной башни на основе линейных грануляторов 132
6.2. Малогабаритная грануляционная установка с системой линейных виброгрануляторов 139
6.3. Вопросы технико-экономической эффективности...143
ВЫВОДЫ 146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 158
П.І. Эмпирические зависимости для расчета тепло- физических свойств воздуха 159
Таблица П.І. Сопоставление расчетных данных для двух законов сопротивления 161
Таблица П.2. Параметры движения частиц 163
Таблица П.З. Результаты измерений при работе грануляционной башни на центробежном грануляторе 169
Таблица П.4. Результаты обследования реконструированной гранбашни 170
П.5. Документы о внедрении установок монодисперсного гранулирования азотных удобрений 174
- СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Экспериментальное исследование вынужденного распада капиллярных струй
- Основные расчетные соотношения
- Исследование параметров движения частиц
- Анализ процессов на основе полученных расчетных зависимостей
Введение к работе
Теплообменные и тепломассообменные аппараты, процессы в которых протекают при непосредственном контакте газов с диспергированными жидкостями, имеют широкое распространение во многих областях техники. В основе их работы лежит взаимодействие единичных частиц с газовым потоком, отличающееся высокими значениями коэффициентов переноса, что в сочетании с теоретически возможными большими удельными поверхностями контакта фаз определяет высокую потенциальную эффективность такого рода устройств. Вместе с тем их фактическая эффективность находится на достаточно низком уровне, поскольку реальные возможности развития межфазной поверхности и оптимизации параметров процесса чаще всего ограничиваются полидисперсностью частиц жидкой фазы, которая характерна для большинства применяемых в технике диспергирующих устройств.
Значительные перспективы повышения эффективности рассматриваемых процессов открывают разрабатываемые в последнее время методы вибрационного диспергирования жидкостей, основанные на возбуждении вынужденного распада капиллярных струй и обеспечивающие получение потоков капель близкого к монодисперсному состава.
Задача монодисперсного дробления жидкостей актуальна также для многих технологических процессов, связанных с получением гранулированных продуктов из растворов и расплавов, где от дисперсного состава исходной системы капель зависит не только эффективность оборудования, но и качество получаемой продукции.
Решениями ХХУ и ХХУІ съездов КПСС в числе основных направлений развития народного хозяйства СССР поставлены задачи дальнейшего совершенствования технологии получения гранулированных минеральных удобрений, расширения объемов их производства и по- повышения качества выпускаемой продукции. Одним из путей решения этих задач является разработка и внедрение технологии монодисперсного гранулирования расплавов. В производстве азотных удобрений такая технология обеспечивает получение продукции с выравненным гранулометрическим составом и повышенной прочностью гранул, что способствует более эффективному их использованию и повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Таким образом, практическая реализация методов монодисперсного дробления жидкостей представляется одним из наиболее продуктивных направлений повышения эффективности тепло- и массооб-мена в дисперсных системах с жидкой фазой. В свою очередь, при монодисперсном составе жидкой фазы качественно меняется подход к организации процессов в контактных аппаратах и построению методики их расчета.
В соответствии с изложенным, проведенные исследования охватывают взаимосвязанный круг задач, направленных на совершенствование методов управляемого диспергирования (монодисперсного дробления) жидкостей, изучение особенностей теплообмена и движения монодисперсного потока частиц в системах "газ - диспергированная жидкость", разработку методики расчета и технических решений по аппаратурному оформлению таких процессов с целью создания эффективных теплообменных устройств контактного типа, в частности, установок монодисперсного гранулирования расплавов.
Работа проводилась в соответствии с Постановлениями ГКНГ № 400 от 15.10.70 г., № II от 19.01.76 г., координационными планами совместных работ АН УССР, Минхимпрома и Минудобрений на 1976-1980 и 1980-1985 г.г., а также планами совместных работ в области сельского хозяйства организаций АН УССР и Южного отделения ВАСХНИЛ. - б -
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографии (93 наименования) и приложения.
В первой главе на основе анализа ряда схем тепломассообмен-ных аппаратов рассмотрено влияние дисперсного состава теплоносителя, определены возможности повышения эффективности таких устройств, особенности их работы на монодисперсных теплоносителях и сформулированы основные задачи исследований.
Во второй главе проведен анализ литературы по вынужденному распаду струй и намечены вопросы, нуждающиеся в дополнительном изучении, в частности, механизм образования капель-"спутников", искажающих монодисперсность распада. Описана постановка экспериментальных исследований и полученные опытные данные. Проведены аналитические исследования, позволившие обосновать результаты экспериментов, определить оптимальные параметры управляющих колебаний и сформулировать метод монодисперсного дробления жидкостей при импульсном возбуждении распада струй.
В третьей главе получены расчетные зависимости, определяющие основные характеристики диспергирующих устройств и параметры системы возбуждения распада. Представлены конструктивные схемы и технические характеристики разработанных устройств для монодисперсного дробления жидкостей.
В четвертой главе рассмотрены вопросы движения и теплообмена частиц монодисперсного потока.
Применительно к задаче криволинейного движения частиц в контактных аппаратах анализ литературных данных свидетельствует о необходимости численного интегрирования уравнений движения в каждом конкретном случае, что существенно затрудняет практические расчеты таких процессов. Представление уравнений движения в безразмерной форме и проведенный по ним комплекс расчетов позволили проанализировать некоторые общие закономерности криволинейного движения частиц и получить ряд аппроксимационных зависимостей, эмпирических формул и номограмм для графо-аналитического определения параметров движения частиц.
Вопросы теплообмена частиц и тепломассообмена капель в общем случае достаточно хорошо изучены. При охлаждении и кристаллизации (гранулировании) расплавов процесс осложнен наличием фазовых и модификационных переходов, внутренней и внешней нестационарностью, рядом других особенностей, что затрудняет выбор достоверной расчетной модели. В связи с этим проведены исследования теплообмена в натурных условиях работы грануляционных установок на монодисперсных грануляторах. По их результатам получено эмпирическое уравнение для расчета эффективного (учитывающего всю совокупность реальных факторов) коэффициента теплообмена в установках монодисперсного гранулирования расплавов.
В пятой главе изложены результаты опытно-промышленных исследований, проведенных на установках монодисперсной грануляции расплавов серы и аммиачной селитры, подтверждающие достоверность полученных зависимостей по диспергированию жидкостей, теплообмену и движению частиц. На их основе разработана типовая схема и методика расчета установок монодисперсного гранулирования расплавов.
В шестой главе представлены материалы опытно-промышленной проверки и внедрения установок монодисперсного гранулирования аммиачной селитры на Северодонецком ПО "Азот", где наряду с повышением эффективности грануляционного оборудования обеспечен промышленный выпуск удобрений с характеристиками, существенно превышающими показатели высшей категории качества.
В приложении представлен ряд таблиц, содержащих результаты опытно-промышленных исследований и численного анализа теплообмена и движения частиц, а также документы о внедрении оборудования монодисперсной грануляции плава в производстве аммиачной селитры и определении эффективности использования в сельском хозяйстве удобрений повышенного качества.
Таким образом, в работе решены следующие задачи: изучен механизм вынужденного распада струй жидкости, определены оптимальные параметры управляющих колебаний и разработаны вибродиспергирующие устройства, обеспечивающие получение систем капель монодисперсного состава; исследованы особенности теплообмена и движения частиц монодисперсного теплоносителя в теплообменных аппаратах и получены расчетные зависимости, описывающие такие процессы; в опытно-промышленных масштабах изучены процессы монодисперсного гранулирования расплавов и разработана инженерная методика расчета грануляционных установок; разработаны и внедрены промышленные системы монодисперсного гранулирования плава в производстве одного из основных видов азотных удобрений - аммиачной селитры, позволившие существенно повысить эффективность процесса и качество получаемой продукции.
Научную новизну результатов исследований отражают следующие основные положения. - вскрыт механизм образования капель -"спутников" при рас паде струй жидкости под действием гармонических колебаний. Раз работана приближенная модель процесса, позволившая описать меха низм вынужденного распада при значительных амплитудах колебаний и определить оптимальные параметры управляющего сигнала. Сформу лирован метод монодисперсного дробления жидкостей под действием управляющих импульсов специальной формы; исследованы закономерности криволинейного движения частиц в потоке газа; получен ряд аппроксимационных зависимостей, эмпирических формул и номограмм, описывающих параметры движения частиц в контактных аппаратах; исследован теплообмен при охлаждении и кристаллизации капель расплавов в воздушном потоке и предложено эмпирическое уравнение.для расчета эффективного (учитывающего всю совокупность реальных факторов) коэффициента теплообмена в процессах монодисперсного гранулирования расплавов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Шестой республиканской и Восьмой всесоюзной межвузовских конференциях по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (Одесса-1966 и 1968 г.г.); Симпозиуме по высокотемпературным теплообменникам (Ленинград - 1966 г.); Симпозиуме по тепловым процессам в МГД установках (Каунас - 1970 г.); ХШ научно-технической конференции молодых специалистов и аспирантов ЭНИНа (Москва - 1973 г.); четырех Всесоюзных отраслевых совещениях по качеству азотных удобрений (Невинномысск - 1973 г., Чирчик - 1975 г.; Северодонецк - 1978 г., Киев - 1980 г.); ІУ Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Киев - 1976 г.) и др.
Разработки, выполненные по материалам диссертации, экспонировались на ВДНХ УССР, ВДНХ СССР, двух международных выставках - "Хи-мия-82" (Москва) и "Агрокомплекс-84" (ЧССР); отмечены дипломами и медалями.
По материалам диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе способ монодисперсного дробления жидкостей и конструктивные особенности разработанных устройств защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения.
Состояние вопроса и задачи исследований
Теплообменные и тепло массообменные процессы, протекающие при непосредственном контакте газов с жидкостями, имеют широкое распространение во многих областях техники. Это - нагрев (охлаждение) газов с помощью промежуточных теплоносителей, испарительное охлаждение жидкостей, грануляция расплавов, абсорбция газов, испарительное обезвоживание и сушка растворов [l-5] . Среди различных способов аппаратурного оформления этих процессов (пленочные аппараты с насадками различных типов, барботажные колонны, струйные смесительные теплообменники и др.) значительное место занимают теплообменные и тепло массообменные устройства, в которых жидкий теплоноситель находится в диспергированном виде. При высокой потенциальной эффективности таких аппаратов их отличает сравнительная простота конструкции, низкая материалоемкость, надежность работы и универсальность применения. Последнее обстоятельство определяется, в частности, возможностью работы в условиях, когда в процессе теплообмена изменяется агрегатное состояние теплоносителя. Основными элементами таких устройств (рис. I.I) являются теплообменная камера, узел диспергирования жидкого теплоносителя (или распределитель гранул) и узел приема и вывода жидкости (выгрузки гранул). Рабочий процесс осуществляется в теплообменной камере, через которую с заданной скоростью продувается газ, взаимодействующий с потоком капель.
Для определения характерных режимов работы рассматриваемых устройств оценим прежде всего значения концентрации дисперсного компонента в том или ином варианте схемы рис. I.I, как основной величины, определяющей механизм теплового и гидродинамического взаимодействия между компонентами дисперсного потока [б].
Экспериментальное исследование вынужденного распада капиллярных струй
Для изучения механизма вынужденного распада струй жидкости создан комплексный экспериментальный стенд, схема и общий вид которого представлены на рис. 2.3 и 2.4. Основными элементами стенда являются диспергирующие головки I; 2; 3. Первая из них закреплена на штоке вибратора 4 и предназначена для исследования распада при вибрации корпуса диспергирующего устройства. На диспергирующей головке 2, снабженной электродинамическим вибратором 5, исследовался распад при сообщении колебаний сопловой решетке. Диспергирующая головка 3 оборудована электродинамическим вибратором 6 с мембраной, предназначенными для возбуждения колебаний в виде пульсаций давлений в объеме жидкости. Для этой цели применялся также пьезоэлемент 7.
При исследованиях на воде использовался циркуляционный контур, состоящий из напорного бака 8 с регулируемым уровнем, приемных емкостей 9 и насоса 10. Для опытов на вязких жидкостях (водные растворы глицерина, трансформаторное масло, силиконовые жидкости) применялась емкость II, выполненная по типу сосуда Мариотта [2l] , регулируемая величина противодавления в котором задавалась с помощью набора гидрозатворов 12.
Для формирования исходного управляющего сигнала применялся ряд задающих генераторов 13-15, вырабатывающих синусоидальное напряжение, а также импульсы различной формы. Сигнал от задающего генератора через усилитель мощности 16 подавался на один из вибраторов диспергирующие головок. Характеристики сигнала на выходе усилителя (амплитуда и форма) контролировались с помощью электронного осциллографа 17. Для измерения амплитуды колебаний в элементах установки использовался инерционный датчик ускорений 18; амплитуды и формы пульсаций давления - пьезокерамический датчик 19. Регистрация результатов измерений осуществлялась с помощью акселерометра 20, осциллографа 21, а также комплекта цифровых электронных приборов 22-25. Для визуализации картины распада использовался синхронизированный по рабочему сигналу электронный стробоскоп 26 с осветителем 27; для фоторегистрации-специальная схема [34] , включающая высоковольтное зарядное устройство 28 , импульсный осветитель 29 и фотокамеру 30. Для регистрации напора жидкости в диспергирующие головках применялись уровне мерные трубки 31.
Основные расчетные соотношения
При проектном расчете вибродиспергирующего устройства по заданной его производительности и требуемому диаметру получаемых капель необходимо определить геометрические характеристики сопловой системы, параметры истечения струй, число сопловых отверстий и характеристики системы возбуждения. Рассмотрим связь этих величин.
Исходя из равенства объема формирующейся капли объему отрезка струи длиной А- с а , т.е. получаем выражение для определения диаметра сопловых отверстий по заданному диаметру капель где в соответствии с установленным в п.2.2 диапазоном эффективных значений длины волны возмущений с ш 2,8 7. Для проектного расчета устройства по заданному среднему диаметру капель целесообразно воспользоваться средним значением С« 5, тогда
При таком диаметре отверстий можно путем изменения частоты управляющих импульсов в соответствии с (2.II) регулировать диаметр получаемых капель в пределах +12$, а их объем - до +40$ от заданного среднего значения.
Эффективное управление распадом возможно только в том случае, когда уровень хаотических (естественных) возмущений струи достаточно мал по сравнению с уровнем наложенных регулярных возмущений. Для выполнения этого условия в соответствии с (2.10) диапазон рабочих скоростей истечения следует ограничить величиной
Исследование параметров движения частиц
В рассматриваемых аппаратах используются диспергирующие устройства, создающие расходящийся факел капель. В соответствии с этим возникает задача расчета параметров криволинейного движения капель, входящих в поток газа под углом к направлению движения потока. Здесь кроме времени полета и вертикальной координаты важно знать и поперечные размеры факела, определяющие габариты теплообменной камеры и распределение дисперсного компонента по её сечению.
Обзор работ по исследованию параметров криволинейного движения частиц (применительно к условиям работы грануляционных установок) выполнен Е.А.Казаковой [7] . Аналитические решения, используемые для расчета таких установок, получены при ряде упрощающих предположений [7,4] . Так, скорость воздуха считается близкой к нулю [62] , либо постоянной, причем в выражении для относительной скорости пренебрегается горизонтальной компонентной скорости частицы [бз] . Расчеты, основанные на использовании решений Н.Е.Жуковского [64] и таблиц "баллистических интегралов", также справедливы только при близких к нулю скоростях воздушного потока.
Математические трудности решения исходных уравнений в общем виде, определяющиеся сложной зависимостью коэффициента сопротивления от условий движения частиц, приводят к необходимости использования вычислительных методов [б5І . В последнем случае значительные удобства для анализа дает представление уравнений движения в безразмерных переменных [ 66,67] . Преобразование исходных уравнений движения с использованием скорости витания в качестве основной величины, характеризующей свойства частиц и потока, позволяет получить безразмерные соотношения, удобные для номограм-мирования, проанализировать некоторые общие закономерности движения частиц и установить ряд асимптотических величин, характеризующих участок неустановившегося движения в целом [68] .
Анализ процессов на основе полученных расчетных зависимостей
При разработке грануляционных установок основным вопросом является определение необходимого времени пребывания частиц в теплообменной камере (грануляционной башне), по которому ведется аэродинамический и конструктивный расчет установки. Связь этой величины с параметрами процесса получаем из совместного решения уравнений теплообмена и теплового баланса, записанных для отдельной частицы.
С использованием выражений (4.27) и (4.28) расчетное уравнение для определения времени движения частиц в потоке охлаждающего воздуха (в секундах) получаем в виде
Применительно к процессам гранулирования расплавов аммиачной селитры, серы и карбамида рассмотрим влияние отдельных величин, входящих в это уравнение.
Действующим ГОСТом на гранулированные азотные удобрения [81] установлен диаметр частиц товарной фракции 1-4 мм, причем для сельского хозяйства предпочтительным является получение гранул диаметром 2-3 мм (так, показателями Знака качества на аммиачную селитру нормируется содержание фракции 2-3 мм не менее 50 масс. %) Подобные требования предъявляются и к гранулированной сере. Это позволяет при разработке грануляционных установок из ориентироваться на диаметр частиц а « 2-3 мм, что по данным рис.5Л ограничивает диапазон чисел Рейнольдса значениями 900 Re% 2000, в пределах которого для капель коэффициент сопротивления Cf 9 const «в 0,51 и скорость витания
