Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидродинамика течения вязкой жидкости в радиально вращающихся элементах ротационных аппаратов 11
1.1. Обзор конструкций аппаратов центробежного типа с криволинейными конвергентными каналами 11
1.2. Обзор конструкций современных малоинерционных вращающихся теплообменных аппаратов 17
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики течения вязкой жидкости во вращающихся каналах различной формы 25
1.4. Постановка задачи исследования с учетом особенностей технологии подготовки горячей воды процесса приготовления суспензии стеарата кальция 32
Глава 2. Физическая и математическая модели течения вязкой жидкости в криволинейном конвергентном канале, сочлененном с кольцевой насадкой 36
2.1. Физическая модель течения вязкой жидкости в конвергентном канале 36
2.2. Математическая модель течения вязкой жидкости в конвергентном канале 38
2.3. Физическая модель течения вязкой жидкости в кольцевой насадке 43
2.4. Математическая модель течения вязкой жидкости в кольцевой насадке 44
Глава 3. Численная реализация задачи течения вязкой жидкости в конвергентном канале, сочлененном с кольцевой насадкой 47
3.1. Обзор существующих методов численного решения 47
3.2. Построение конечно-элементной модели 55
3.3. Формирование системы алгебраических уравнений 59
3.4. Решение системы алгебраических уравнений 67
3.5. Расчет давления 72
Глава 4. Результаты численного решения 74
Глава 5. Практическая реализация результатов научно - исследовательской работы в условиях производства 84
Основные результаты и выводы 95
Список использованной литературы 97
Приложения
- Обзор конструкций современных малоинерционных вращающихся теплообменных аппаратов
- Математическая модель течения вязкой жидкости в конвергентном канале
- Построение конечно-элементной модели
- Практическая реализация результатов научно - исследовательской работы в условиях производства
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в технологии подготовки горячей воды в периодическом процессе приготовления суспензии стеарата кальция используются высокоинерционные кожухотрубные теплообменные аппараты, что делает длительным технологический процесс. Это вызывает необходимость, в целях энергосбережения и экономии теплоносителя, модернизировать узел подготовки горячей воды путем внедрения на этой стадии малоинерционного вращающегося теплообменного аппарата (МВТА) с теплообменным элементом в виде криволинейного конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой. Исследование процессов гидродинамики во вращающихся каналах принадлежит к числу задач, актуальность которых обусловлена необходимостью создания надежных конструкций компактных теплообменных аппаратов большой единичной мощности, обеспечивающих высокие параметры процессов теплообмена. В связи с этим представляется наиболее перспективным использование для этих целей вращающихся теплообменных аппаратов, проточная часть которых состоит из коаксиальной трубы и жестко связанного с ней конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой, где реализуются основные стадии процесса теплообмена. Кроме того, при незначительных конструктивных размерах канала его проточную часть профилируют из расчета максимально развитой теплообменной поверхности. Таким образом, исследование течения вязкой жидкости в радиально вращающемся оребренном криволинейном конвергентном канале, сочлененном с кольцевой насадкой, представляет научный и практический интерес.
Целью работы является энергосбережение и экономия теплоносителя на режимах от запуска до остановки работы теплообменного аппарата (без нарушения его тепловых и гидродинамических режимов) за счет модернизации узла подготовки горячей воды в технологии приготовления
суспензии стеарата кальция путем замены высокоинерционного
гравитационного кожухотрубного теплообменника на МВТА с
теплообменным элементом в виде радиально вращающегося криволинейного конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой, выполненной в виде призматических ромбовидных элементов, расположенных непрерывным рядом по окружности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-интенсифицировать процесс подготовки горячей воды в технологии приготовления суспензии стеарата кальция путем замены высокоинерционного гравитационного кожухотрубного теплообменника на малоинерционный вращающейся теплообменный аппарат с теплообменным элементом в виде криволинейного конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой, выполненной в виде призматических ромбовидных элементов, расположенных непрерывным рядом по окружности;
-разработать физические и математические модели ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся криволинейном конвергентном канале и сочлененной с ним кольцевой насадке на основе полных уравнений движения и неразрывности с физически обоснованными граничными условиями;
-разработать алгоритм численной реализации течения вязкой несжимаемой жидкости во вращающихся каналах на основе метода конечных элементов (МКЭ) в слабой формулировке Галеркина;
- определить значения поля скоростей и перепад давления в проточной части вращающегося криволинейного конвергентного канала и в каналах кольцевой насадки при различных числах закрутки и критериях Рейнольдса;
-проверить адекватность математической модели течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся криволинейном конвергентном канале реальным процессам.
Научная новизна исследования заключается в том, что, в целях энергосбережения и экономии теплоносителя на режимах от запуска до остановки работы теплообменного аппарата (без нарушения его тепловых и гидродинамических режимов), предложен МВТА с теплообменным элементом в виде радиально вращающегося криволинейного конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой; на базе полной системы уравнений Навье-Стокса, с применением метода штрафных функций для определения перепада давления, разработаны математические модели ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся криволинейном конвергентном канале и в каналах кольцевой насадки. На основе МКЭ в слабой формулировке Галеркина предложен алгоритм численной реализации краевой задачи течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся криволинейном конвергентном канале, сочлененном с кольцевой насадкой. Определены компоненты вектора скоростей и перепад давления в проточной части каналов при различных числах закрутки и критериях Рейнольдса.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается тем, что математические модели, с заданными краевыми условиями, разработаны на базе фундаментальных уравнений движения и неразрывности; численное интегрирование проведено с использованием известных классических методов, а также сравнением полученных результатов расчетов с результатами расчетов по известным методикам.
Практическая ценность работы заключается в том, что, в целях
энергосбережения и экономии теплоносителя на режимах от запуска до
остановки работы теплообменного аппарата, предложена модернизация узла
подготовки горячей воды в периодическом процессе приготовления
суспензии стеарата кальция завода по производству бутилкаучука ОАО
«Нижнекамскнефтехим» путем замены высокоинерционного
теплообменного аппарата МВТА с теплообменным элементом в виде радиально вращающегося криволинейного конвергентного канала,
сочлененного с кольцевой насадкой. Показано, что годовой экономический эффект от внедрения МВТА составит порядка 370000 рублей, срок окупаемости не более 2 лет.
На защиту выносятся:
- в целях энергосбережения и экономии теплоносителя техническое
решение по модернизации узла подготовки горячей воды в технологии
приготовления суспензии стеарата кальция на базе использования МВТА с
теплообменным элементом в виде оребренного криволинейного
конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой;
физические и математические модели ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся оребренном криволинейном конвергентном канале и в каналах кольцевой насадки на основе полных уравнений движения и неразрывности с физически обоснованными граничными условиями;
алгоритм численной реализации краевой задачи гидродинамики во вращающихся каналах на основе МКЭ в слабой формулировке Галеркина;
определение значений перепадов давления в проточной части каналов с использованием метода штрафных функций;
проверка адекватности математических моделей течения вязкой жидкости в радиально вращающихся каналах реальным процессам.
Личное участие. Все основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н. профессора Золотоносова Я.Д.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены
- на VII аспиранстко - магистерском семинаре КГЭУ, Казань - 2003 г.;
-на межрегиональной научно-практической конференции
«Инновационные процессы в области образования, науки и производства», Нижнекамск - 2004 г.;
- на XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященному 90 -
летию академика С.С. Кутателадзе, Новосибирск - 2004 г.;
- в школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством
академика РАН А.И.Леонтьева, Калуга - 2005 г.;
-на XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Казань - 2005 г.;
на молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань - 2006 г.;
в школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова, Казань - 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы из 127 названий. Общий объем, включая 41 рисунок, составляет 110 страниц.
Работа выполнена при финансовой поддержке АН РТ: грант №05-5.4-233/2005 (Ф) от 30.05.05.
Обзор конструкций современных малоинерционных вращающихся теплообменных аппаратов
Аппарат содержит спиральный отвод 1 и свободно вращающийся в нем ротор 2, состоящий из внешнего корпуса 3, периферийная часть которого завершается насадкой в виде диффузора 4. Внутри внешнего корпуса расположено колесо, представляющее собой осесимметричный конвергентный круговой канал 5, образованный элементами 6 и 7, спрофилированными из условия постоянства средней скорости течения жидкости по длине канала. Между внешними стенками корпуса расположена камера 9, в объеме которой установлены перегородки 10. Подача инжектирующей жидкости в объем конвергентного канала осуществляется через питающие окна 11 трубы 12, являющейся одновременно и приводным полым валом ротора 2, опирающегося на подшипники. Подача инжектируемого пара в камеру 9 осуществляется через штуцера 13 карманов 14. Герметичность рабочих камер обеспечивается сочетанием лабиринтных и сальниковых уплотнений.
Недостатком аппарата является грубое диспергирование активного потока (рабочей жидкости) в проточной части внешнего корпуса 3, что снижает эффективность теплообмена в процессе смешения активного потока с пассивным потоком (пар). Кроме этого, в проточной части конвергентного канала происходит проскальзывание жидкости, что существенно влияет на значение теоретического напора.
Для устранения недостатков в работе [92] предложена модифицированная конструкция аппарата, где для обеспечения тонкого распыла жидкости и интенсивного межфазового взаимодействия в аппарате на выходе из конвергентного канала были установлены насадки с прямоугольной или треугольной формой сечения. Для снижения эффекта проскальзывания инжектирующей жидкости внутри канала и интенсификации теплообмена со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи установлены перегородки. В остальном конструкция этого аппарата идентична выше описанной.
Последующее развитие конструктивного оформления шло в направлении увеличения поверхности теплообмена вращающегося вала.
В работе [95] предложен аппарат для проведения процессов тепломассообмена, содержащий корпус с размещенным в нем вращающимся ротором, состоящим из внешнего корпуса с периферийной частью и жестко связанного с ним кругового канала с перегородками, смонтированного на полом приводном валу типа «конфузор - диффузор с прямыми стенками.
В работе [96] предлагается выполнить полый приводный вал с криволинейными поверхностями типа «конфузор - диффузор», спрофилированными по дуге окружности, что позволило увеличить поверхность теплообмена приводного вала, сократить длину и снизить гидравлическое сопротивление его проточной части.
Тепломассобменный аппарат работает следующим образом. После включения привода при помощи клиноременнои передачи осуществляется вращение вала и связанного с ним ротора 2. Одновременно в полый вал 12 подается вода, а в штуцера 13 карманов 14 - насыщенный пар. Под действием центробежного статического давления высоконапорная инжектирующая жидкость через питающие окна 11 подается в радиально вращающийся криволинейный конвергентный канал 5, захватывается перегородками 7, и с большой скоростью выбрасывается из призматических насадок 8 в объем внешнего корпуса 3 ротора 2 и далее попадает в периферийную часть 4. Под действием разряжения, создаваемого высоконапорной инжектирующей жидкостью, и центробежного давления, сообщаемого перегородками 10, в камеру 9 из паропровода поступает инжектируемый поток - насыщенный пар, который далее устремляется в периферийную часть 4 - зону интенсивного турбулентного смешения, где за счет развитой поверхности контакта фаз обеспечивается более глубокое использование энтальпии инжектируемого потока, что, в конечном счете, способствует интенсификации процесса тепломассообмена.
Далее двухфазный поток (вода и несконденсировавшийся пар) выбрасывается из периферийной части 4 в корпус 3, являющейся сборником парожидкостного потока. По мере движения парожидкостного потока в проточной части корпуса непрерывно происходит конденсация пара в жидкость, завершающаяся в выходном патрубке.
При движении пара по внешним стенкам трубы 12 и конвергентного канала 5 происходит срыв конденсатной пленки с поверхностей вращающихся элементов и переход пленочного режима конденсации в «пленочно-капельный», что способствует уменьшению термического сопротивления внешней теплоотдачи в 3...10 раз, увеличению коэффициента теплоотдачи от пара к внешним стенкам трубы и конвергентного канала в 4...7 раз [85], а в проточной части вращающихся каналов при ламинарном режиме течения число Нуссельта возрастает в 3...5 раз [33]. Это, в конечном счете, обеспечивает экономию теплоносителя и позволяет сократить длину проточной части каналов.
Анализ расчетов показал, что конвергентный канал, очерченный с помощью экспоненциальной функции, позволяет увеличить поверхность теплообмена порядка 6%, логарифмической функции на 4%, а степенной функции в среднем на 20%, по сравнению с конвергентным каналом, имеющим прямые стенки.
Математическая модель течения вязкой жидкости в конвергентном канале
Рассмотрим ламинарное течение вязкой несжимаемой жидкости по радиальному каналу, образованному поверхностью вращения z = h(r), и радиальными лопатками. На выходе из канала расположена жесткая стенка с ромбовидными отверстиями.
Таким образом, система уравнений (2.2.7)-(2.2.10) с соответствующими граничными условиями (2.2.11) представляет собой полную математическую формулировку задачи ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости во вращающемся с постоянной угловой скоростью оребренном криволинейном конвергентном канале. 23. Физическая модель течения вязкой жидкости в кольцевой насадке
Рассмотрим случай, когда перерабатываемая жидкость поступает из конвергентного канала в элементы насадки, выполненные в виде ромба и расположенные непрерывным рядом по окружности, вращающиеся вокруг оси, перпендикулярной направлению движения жидкости с постоянной угловой скоростью ш. Течение жидкости стационарное, ламинарное.
На входе в насадок профиль радиальной скорости жидкости определяется как среднее по сечению Vr = иср. В силу малости размера канала поперечная скорость в этом сечении равна нулю, тангенциальная составляющая скорости пропорциональна угловой скорости вращения.
За начальным сечением жидкость вследствие прилипания к стенке канала начинает тормозиться в радиальном направлении и увлекаться вращением в тангенциальном направлении. Вследствие торможения слоев жидкости, примыкающих к стенке канала, и неизменности объемного расхода среды происходит ускорение слоев жидкости у оси канала.
Из-за вращения возникает тангенциальная составляющая скорости, которая возрастает с ростом угловой скорости вращения канала и вдоль радиуса. Так как стенка канала непроницаема, то на ее поверхности радиальная и осевая составляющая скорости равны нулю.
Вращение канала приводит к возникновению центробежного давления. Поскольку тангенциальный пограничный слой развивается вдоль оси, поле давлений также трансформируется как по оси, так и по радиусу канала. Давление в начальном сечении насадка равно давлению на выходе из конвергентного канала и определяется гидродинамикой течения в его проточной части.
Ввиду нелинейности этих уравнений, наличия малого параметра при старшей производной в сочетании с пространственным характером движения и нестационарностью их можно изучать лишь с помощью численных методов. Вплоть до середины 60-х годов XX в., т.е. до начала широкого распространения ЭВМ и численных методов в гидродинамике, постановка задачи об отыскании сложных и зависящих от большого числа параметров численных решений уравнений Навье - Стокса была непривычной и вызывала дискуссии. В настоящее время, численное моделирование на основе уравнений Навье - Стокса сформировалась как самостоятельное направление в механике жидкости и газа, ее приложениях к энергетике, технологии, к изучению природных явлений. Методы численного решения уравнений Навье - Стокса можно условно разбить на две основные группы [24]. Первая связана с введением функции тока \/ и вихря скорости га и преобразованием исходной системы уравнений к системе уравнений относительно (v/,o) [22, 23, 29, 41-43, 103]. Достоинства такого подхода в том, что нет необходимости заботиться о соленоидальности вектора скоростей (условие выполняется автоматически). Однако возникают трудности, связанные с заданием граничного условия для вихря на границе с прилипанием, которое отсутствует в физической постановке задачи. В случае трехмерных задач количество переменных возрастает до шести: три составляющих вихря и три составляющих функции тока.
Другую группу составляют методы решения уравнений Навье - Стокса в естественных переменных, или иначе в переменных «скорость -давление». Неизвестные компоненты скоростей и давления находят, непосредственно решая краевую задачу, состоящую из системы уравнений Навье - Стокса, уравнения неразрывности и физически обоснованных граничных условий. Методы решения уравнений Навье - Стокса в естественных переменных рассмотрены в работах [14, 20, 21, 25, 26, 31, 43, 53, 65, 92,94].
Исследования последних лет показывают, что трудности решения уравнений Навье - Стокса, связанные с малым параметром при старшей производной, в некотором смысле «инвариантны» относительно записи исходных уравнений [22].
Основной проблемой, возникающей при интегрировании уравнений Навье - Стокса в переменных «скорость - давление», является удовлетворение условию несжимаемости жидкости (3.1.2). Уравнения в переменных «вихрь - функция тока» обладают в этом смысле преимуществом, в связи с чем существующие разностные схемы для этих уравнений, по крайней мере, в двумерном случае, более эффективны, чем для V,р. Можно выделить три подхода для численного решения уравнений.
Построение конечно-элементной модели
Для расчета гидродинамических параметров течения вязкой жидкости в оребренном криволинейном конвергентном канале применяется метод конечных элементов [117, 120]. При этом рассматриваемая область Q разбивается на ряд непересекающихся подобластей, называемых конечными элементами Q , где е означает номер произвольного конечного элемента.
Алгебраические уравнения МКЭ для задач гидродинамики имеют ряд особенностей: они нелинейны, матрица линеаризованной задачи разрежена, не имеет регулярной структуры ненулевых элементов, несимметрична и неположительно определена. Все это вместе формулирует высокие требования к методам решения алгебраической задачи.
Существуют, как известно, два подхода к решению систем алгебраических уравнений. Это прямые методы и итерационные. Каждый из методов обладает присущими ему преимуществами и недостатками, и оба класса методов хорошо представлены в литературе [55, 56, 109].
Эффективность решения системы уравнений прямым методом существенно зависит от того, насколько удается уменьшить количество ненулевых элементов в матрице жесткости. Если размерность системы велика, то продолжительность решения для прямых методов даже для разреженных матриц значительно возрастает. В этом случае могут оказаться очень полезными итерационные методы.
Важной особенностью алгебраических уравнений МКЭ для задач гидродинамики является их нелинейность. Наиболее часто для их линеаризации используется два следующих приема. В первом случае значения скорости, входящие в конвективные члены, берутся с предыдущей итерации. Этот подход наиболее прост, однако в ряде случаев сходимость может быть медленной [106].
Метод Ньютона более трудоемок в реализации, но его использование позволяет построить более эффективный вычислительный алгоритм. Для получения решения обычно требуется всего лишь несколько итераций.
Все полученные интегралы вычисляются численно на равномерной сетке 2x2x2 по квадратурным формулам Гаусса [59].
Так как для скорости используются базисные функции первого порядка, то давление должно быть постоянным внутри элемента. Поэтому для вычисления интегралов, соответствующих штрафным членам давления в уравнениях движения, необходимо использовать только одну точку интегрирования в центре элемента, несмотря на то, что для точного вычисления требуется большее количество этих точек [107,108].
Для решения линейной системы алгебраических уравнений (3.2.21), возникающей на каждом шаге метода Ньютона, применяется метод сопряженных градиентов. 3.5. Расчет давления
В работах Ладыженской, Бабушки и Темама [26, 27, 52] показано, что для устойчивых МКЭ - аппроксимаций уравнений Навье - Стокса в естественных переменных, выбранные пространства для представления давления и скоростей должны удовлетворять ЛББ (ЛББ - условия Ладыженской - Бабушки - Бреззи). Для выполнения этого условия Тейлор и Худ [99] доказали необходимость представления поля скоростей функциями формы на единицу большего порядка, чем функции формы для давления.
Получившаяся система линейных алгебраических уравнений решается методом сопряженных градиентов.
Формирование и решение системы уравнений для определения неизвестных компонент скоростей и давления в элементах насадки проводится аналогично тому, как это делалось для конвергентного канала.
Из рисунков следует, что вблизи входа в канал поперечное движение носит характер стока жидкости от стенок в его центральную часть, обусловленного переформированием профиля скорости за счет сил трения на стенках. При этом уже в первом расчетном сечении наблюдается нарушение симметрии в значениях компонент скоростей (относительно прямой ф =—), что вызвано влиянием на их распределение сил Кориолиса. На рис. 4.4 видно, что распределение значений скорости / в первом сечении близко к однородному как следствие предыстории течения во входном сечении канала. По мере удаления от входа в канал значения компоненты / увеличиваются в ядре потока и уменьшаются в пристеночной области сечения. Локальный максимум профиля компоненты скорости/ в каждом рассматриваемом сечении смещается к плоскости ф = 0(соответствует тыльной лопатке). Меняет характер своего распределения и составляющая скорости Я (рис. 4.3, 4.5), отражая отток жидкости из центрального потока к стороне рабочей лопатки. Таким образом, у стенки проявляется циркуляционное течение.
Влияние изменения угловой скорости со при постоянном значении Re наблюдается при рассмотрении графиков зависимости безразмерной компоненты скорости/, показанных на рис. 4.7. С увеличением со профиль радиальной составляющей скорости изменяется от вида усеченной параболы до почти плоского в средней части канала.
Анализ результатов численного решения показывает, что на характер развития профилей скоростей и давлений сильное влияние оказывает величина ускорения Кориолиса, что вызывает деформацию профиля скоростей и давлений в межлопаточном канале.
Практическая реализация результатов научно - исследовательской работы в условиях производства
На основе проведенных теоретических исследований предложено модернизировать узел подготовки горячей воды в технологическом процессе приготовления суспензии стеарата кальция в цехе 1307 «Полимеризации, дегазации и ректификации возвратных продуктов» завода по производству бутилкаучука предприятия ОАО «Нижнекамскнефтехим» путем замены высокоинерционного кожухотрубного теплообменника на малоинерционный вращающийся теплообменный аппарат. Модернизированная схема процесса приготовления суспензии стеарата кальция Произведем расчет мощности, потребляемой двигателем насоса для «прокачки» жидкости через трубный пучок теплообменника [121,125,126].
В целях энергосбережения и экономии теплоносителя нами предложено вывести из схемы процесса приготовления суспензии стеарата кальция морально и физически устаревший высокоинерционный кожухотрубный теплообменный аппарат и насос, а их место занять двумя малоинерционными вращающимися теплообменниками с теплообменными элементами в виде криволинейных конвергентных каналов, сочлененных с кольцевой насадкой, выполненной в виде призматических ромбовидных элементов, расположенных непрерывным рядом по окружности.
В результате внедрения предложенных аппаратов представляется возможным сократить продолжительность подготовки горячей воды, снизить расход пара, затраты электроэнергии и металлоемкость оборудования.
В соответствии с методическими рекомендациями [122] в качестве основных показателей, используемых для расчетов эффективности инвестиционных проектов, рекомендуются: - чистый доход, - чистый дисконтированный доход, - внутренняя норма доходности, - потребность в дополнительном финансировании, - индексы доходности затрат и инвестиций, - срок окупаемости.
Окупаемость проекта характеризуется сроками окупаемости, исчисляемыми без учета или с учетом дисконтирования.
Сроком окупаемости без дисконта называется продолжительность наименьшего периода, по истечении которого накопленный эффект становится и в дальнейшем остается неотрицательным [123].
1. Анализ литературных источников показал, что разработанные в настоящее время конструкции вращающихся теплообменных аппаратов с прямолинейными конвергентными каналами не обеспечивают на практике требуемую теплогидродинамическую эффективность.
2. Анализ периодического процесса приготовления суспензии стеарата кальция показал, что на стадии подготовки горячей воды в процессе применяются высокоинерционные теплообменные аппараты с гладкотрубными теплообменными элементами, отличающиеся низкой эффективностью теплообмена, значительными габаритами, а также высоким уровнем морального и физического износа (до 80%) вследствие длительного срока эксплуатации (более 30 лет). В целях энергосбережения и экономии теплоносителя на режимах от запуска до остановки работы теплообменного аппарата (без нарушения его тепловых и гидродинамических режимов) возникает необходимость замены высокоинерционного теплообменного аппарата высокоэффективным аппаратом теплообмена.
3. В ходе теоретических исследований рассмотрены конвергентные каналы, выполненные в виде степенной, показательной и логарифмической функций. Установлено, что канал, спрофилированный по степенной функции, обеспечивает его наибольшую теплогидродинамическую эффективность.
4. На основе полных уравнений движения и неразрывности, с учетом сил Кориолиса, построены математические модели ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся оребренном криволинейном конвергентном канале и сочлененной с ним кольцевой насадке, выполненной в виде призматических элементов, расположенных непрерывным рядом по окружности, которые позволяют определить компоненты скоростей и потери напора в проточной части каналов.
5. На базе МКЭ разработан алгоритм численной реализации ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся оребренном криволинейном конвергентном канале и сочлененной с ним кольцевой насадке. Для исключения безразмерного параметра давления из уравнений движения применен метод штрафных функций. При интегрировании уравнений движения применена слабая форма метода Галеркина и получена система алгебраических уравнений (дискретный аналог исходных уравнений Навье - Стокса), при решении которой использован метод Ньютона совместно с методом сопряженных градиентов.
6. Определены значения поля скоростей и перепады давления в проточной части оребренного криволинейного конвергентного канала и в каналах кольцевой насадки при различных числах закрутки и критериях Рейнольдса. Установлено, что на характер изменения профилей скоростей и перепадов давлений сильное влияние оказывает величина ускорения Кориолиса, что вызывает деформацию профиля скоростей и давлений в межлопаточных каналах.
7. Подтверждена адекватность математической модели ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в радиально вращающемся конвергентном канале путем сравнения расчетных значений потери напора в неподвижном конвергентном канале, определяемых из фундаментальных уравнений движения, со значениями, вычисляемыми по уравнению Дарси -Вейсбаха. Показано, что расхождение между их значениями не превышает ±10...12%.
8. В целях энергосбережения и экономии теплоносителя предложена модернизация узла подготовки горячей воды в периодическом процессе приготовления суспензии стеарата кальция завода по производству бутилкаучука ОАО «Нижнекамскнефтехим» путем замены высокоинерционного кожухотрубного теплообменного аппарата малоинерционным вращающимся теплообменником с теплообменным элементом в виде оребренного криволинейного конвергентного канала, сочлененного с кольцевой насадкой. Годовой экономический эффект от внедрения малоинерционного вращающегося теплообменного аппарата составит порядка 370000 рублей, срок окупаемости не более двух лет.
