Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из перспективных путей развития тепломассообменных аппаратов может стать разработка устройств с центробежным псевдоожиженным слоем частиц зернистого материала в вихревой камере с неподвижными стенками. Особенностью этого класса течений является большие (10...30 м/с) значения скоростей обтекания частицы потоком газа, что обеспечивает высокую интенсивность тепло- и массообмена. В отличие от аппаратов с вращающимися стенками вихревые камеры привлекают простотой конструкции и отсутствием подвижных частей.
Влияние вращения на инертные и химически активные течения изучается на протяжении длительного времени. Закрутка потока может приводить к воздействию на все параметры течения, в том числе и на процессы переноса тепла и вещества. Наряду с изучением аэродинамики большое значение имеют исследования процессов переноса тепла и вещества в ограниченных закрученных течениях с фазовыми и химическими превращениями. Даже «простейшие» (стационарные, ламинарные) типы таких течений не всегда могут быть с достаточной точностью рассчитаны численными методами. Задача ещё более усложняется при введении в поток твёрдых частиц при организации центробежного псевдоожиженного слоя. Развитие вихревых тепло массообменных технологий сдерживается недостаточной экспериментальной информацией о течении в вихревых двухфазных потоках. В литературе почти полностью отсутствуют данные о характеристиках вращающегося слоя частиц в условиях горения.
Цель диссертационной работы экспериментально исследовать закрученные течения в вихревых камерах с центробежным псевдоожиженным слоем твёрдых частиц, в том числе при горении. Разработать рекомендации для определения конструктивных и режимных условий, позволяющие увеличить стабильность слоя при сохранении высокой интенсивности тепло- и массообменных процессов.
Основные задачи работы.
-
Исследовать характеристики аэродинамики и турбулентного переноса в однофазных и газодисперсных потоках в вихревых аппаратах, предназначенных для удержания закрученного псевдоожиженного слоя. Определить характерные изменения в аэродинамике и турбулентных характеристиках потока при внесении в поток дисперсной фазы.
-
Определить конструктивные и режимные характеристики вихревых аппаратов, при которых увеличивается время удержания слоя, а механический износ удерживаемого материала минимален.
-
Исследовать факторы, влияющие на гидравлическое сопротивление рассматриваемых вихревых камер.
-
Определить условия, при которых возможна организация автотермического горения в рассматриваемых типах камер.
-
Получить экспериментальные данные о характеристиках горения углеводородов в вихревой камере с центробежным псевдожиженным слоем зернистого материала.
Научная новизна.
-
Показано, что в диафрагмированной вихревой камере максимальная интенсивность пульсаций скорости наблюдается в приосевой области течения в зоне квазитвёрдого вращения.
-
Показано, что в случае больших углов раскрытия образующей закручивающего аппарата, комбинированное воздействие центробежных сил на частицы псевдоожиженного слоя и силы тяжести приводит к повышению стабильности и времени удержания слоя, а износ зернистого материала снижается. При этом сохраняется высокая интенсивность тепломассообмена.
-
Показано, что в диапазоне исследованных параметров потери давления линейно зависят от величины скоростного напора. Предложено соотношение для оценки гидравлических потерь в вихревой камере.
5. Определены условия организации горения углеводородного топлива в центробежном псевдоожиженном слое инертных или каталитически активных частиц.
Практическая значимость.
Полученные экспериментальные данные о течении в вихревой камере с центробежным псевдоожиженным слоем зернистого материала являются достаточными для верификации и для развития современных подходов моделирования закрученных двухфазных потоков течений.
Установлены режимы горения углеводородного топлива в зависимости от вида горючего и степени закрутки потока. Разработаны и экспериментально проверены конструкции вихревых камер в которых были реализованы как каталитическое окисление сверхбедных смесей углеводородов, так и фильтрационное горение газа в широком диапазоне соотношения топлива и окислителя.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертации обоснована использованием отработанного метода экспериментальных исследований. Для использованного экспериментального метода диагностики скорости проведён детальный анализ погрешности измерения в условиях больших градиентов концентрации трассеров в закрученном потоке. Результаты работы хорошо согласуются с данными известных экспериментальных и теоретических исследований.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментального исследования динамических характеристик однофазного изотермического течения в диафрагмированной вихревой камере.
-
Опытные данные по влиянию частиц центробежного псевдоожиженного слоя на аэродинамику вихревой камеры
-
Результаты исследования влияния тепловыделения в вихревой камере на условия формирования вращающегося слоя частиц.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик псевдоожиженного слоя в вихревом аппарате с завихрителем, угол раскрытия образующей которого изменялся в широком диапазоне от 0 до 90 градусов относительно вертикали.
Личный вклад. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной работе. Интерпретация полученных данных проведена автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.
Апробация работы: результаты работы докладывались на международных конференциях: 6-th World Conf. Experimental Heat Transf, Dubrovnik, 1992.; Минский Международный Форум 2004; Russian -Korean Int. Symp. On Science and Tech. KORUS-99; XI ICMAR Conf., 2002; 13th Int. Conf. on the Methods of Aerophysics Research, Novosibirsk, 2007; ICMAR XIV, Novosibirsk, 2008.; Ill межд. конф. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках, 21-23.10.08 Москва; а так же российских: XIII Школы - семинара А.И.Леонтьева. 2001. Санкт-Петербург; РНКТ-3, 2002.; II Росс. Конф. Тепломассообмен в закрученных потоках 2005, Москва,
Публикации: основные результаты диссертации изложены в 30 печатных работах, включая 14 журнальных статей (ВАК) и 2 патента РФ. Структура и объём работы: диссертации состоит из пяти глав и заключения, содержит 130 страниц текста, 87 рисунков, список литературы содержит 110 источников.
