Введение к работе
Актуальность проблемы. Гидромеханические процессы диспергирования гетерогенных систем лежат в основе многих процессов химической технологии. Одним из способов, например, тонкого диспергирования является кавитационное воздействие на гетерогенную систему. Активную кавитацию наиболее эффективно создавать в периодических переходных гидромеханических процессах. Исследования переходных гидромеханических процессов и их экспериментальная проверка базируется преимущественно на роторных аппаратов с модуляцией потока (РАМП), которые у нас и за рубежом имеют самые различные названия. По конструктивным элементам они отличаются незначительно, но по механизму воздействия на технологический процесс в текучей среде они существенно различны из-за разных количественных соотношений геометрических и кинематических параметров. Общим для всех РАМП является модуляция потока рабочей среды (жидкости, суспензии, газа), протекающей через отверстия ротора и статора с периодически изменяющейся площадью проходного сечения. Глубина модуляции потока имеет решающее влияние на кинетику технологического процесса. РАМП или роторные аппараты для проведения процессов химической технологии гидромеханика и кавитация исследовали Willems Р. (ФРГ), Кокорев Д.Т. (МИХМ), Фридман В.М. (НИИХИММАШ), Гинстлинг М.И. (ЛИЦБП и ЛЕННИИХИММАШ), Римский-Корсаков А.В. и Карновский М.П. (АКИН АН СССР), Mitchell W.S., Muster D. (США) и их ученики.
Ранее при исследовании технологических процессов с применением РАМП различных модификаций была показана высокая эффективность использования подобных аппаратов для интенсификации самых разнообразных массо- и теплообменник процессов химической технологии, протекающих в диффузионной области в кавитационной зоне при оптимальном числе кавитации. Наряду с этим, РАМП уделяется особое внимание по следующим причинам: их применение дает существенный экономический эффект при достижении оптимального кавитационного режима течения обрабатываемой среды, снижения материало-и энергоемкости, сокращения потерь, перевода на непрерывный режим эксплуатации, уменьшения производственных площадей; теория, разработанная для роторных аппаратов, пригодна и для описания підромеханических процессов в аппаратах другого типа с переходными гидромеханическими процессами.
Нестационарные гидромеханические процессы характеризуются гидравлическими и динамическими параметрами модулятора аппарата - основного гидравлического участка, определяющего параметры рассматриваемых процессов. Дифференциальное уравнение одномерного течения жидкости описывается уравнением Риккати для течения жидкости
2 через модулятор РАМП. Оно позволяет определить характеристики аппарата. Его решения в общем виде в квадратурах нет, но существуют приближенные решения.
Целью работы является разработка принципов построения и обобщения приближенных методов решения уравнения течения жидкости через модулятор, оценка этих решений, вычисление характеристик аппаратов и на их основе создание оптимального инженерного метода расчета роторных аппаратов, их апробирование в промышленных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
проведены теоретические исследования принципов построения приближенных методов решения уравнения течения жидкости через модулятор аппарата и оценка этих решений;
предложен метод получения выражения для коэффициента гидравлического сопротивления на основе сохранения импульса сил сопротивления;
получены по известным и предложенным приближенным методам решения уравнения течения жидкости аналитические выражения для определения гидравлических характеристик аппарата;
проведены вычисления гидравлических характеристик аппарата при различных исходных данных, известных и предложенных методах решения уравнения;
построены на основании проведенных вычислений зависимости гидравлических характеристик аппарата от геометрических параметров аппарата и гидромеханических характеристик процесса, полученные приближенными методами решения и численным интегрированием уравнения истечения жидкости;
создана промышленная экспериментальная установка на базе РАМП для проведения экспериментов;
проведены эксперименты по получению масляных и вододисперсионных красок.
Достоверность научных результатов, приведенных в работе, подтверждаются удовлетворительными совпадениями теоретических и экспериментальных данных.
Практическая ценность состоит в следующем:
разработан инженерный метод расчета аппарата на оптимальное число кавитации;
получены аналитические зависимости для определения гидравлических характеристик аппарата по рассматриваемым приближенным методам решения;
. - ., з
разработана методика расчета роторного аппарата-диспергатора на основе предложенного оптимального инженерного метода расчета;
представлены экспериментальные результаты диспергирования масляных и вододисперсионных красок.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на 47-ой научно-технической конференции МГАХМ (г. Москва, 1997г.); Межреспубликанском научно-практическом совещании «Актуальные проблемы теории, практики и создания роторных аппаратов» (г. Санкт-Петербург, 1999г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей и заявление о выдаче патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы (64 наименования), 11 приложений. Работа изложена на 189 листах, содержит 47 рисунков, 1 таблицу.