Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние технологических nPouegcob термообработки изделий и их аппаратурного оформления . 26
1.1 Вулканизация резиновых технических изделий 26
1.2 Гидродинамика свободного псевдоожиженного слоя 34
1.3 Структурно-гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя с погруженным в него телом 39
1.4 Внешний теплообмен в псевдоожиженном слое : 47
1.5 Анализ способов интенсификации теплопереноса в псевдоожиженных средах и их классификация 56
1.6 Анализ способов интенсификации теплопереноса в виброгравитационных циркуляционных средах и их классификация 67
1.7 Анализ теплонапряженных процессов в сушилках 70
1.8 Применение псевдоожиженного слоя в качестве охлаждающей среды среды при закалке стальных изделий 74
1.9 Выводы из анализа, постановка целей и задач исследования 77
2 Комплексные исследования структурных и гидродинамических эффектов; возникающих при погружении протяженного тела в псевдоожиженную среду - 81
2.1 Гидродинамическая модель свободной псевдоожиженной среды 81
2.2 Закономерности расширения псевдоожиженного слоя с погруженным
в него протяженным телом 96
2.3 Закономерности гидродинамики псевдоожиженного слоя при погружении в него протяженного тела 101
2.4 Гидродинамическая модель псевдоожиженной среды с погруженным в нее протяженным телом 104
2.5 Описание экспериментальной установки 107
2.6 Методика определения расширения псевдоожиженной среды с погруженным в нее протяженным телом 111
2.7 Методика определения скорости газа 113
2.8 Методика определения среднего времени пребывания магнитомечен-ной частицы в пристенной области псевдоожиженной среды . 117
2.9 Экспериментальное исследование расширения псевдоожиженной среды при погружении в нее протяженного тела 122
2.10 Экспериментальное исследование распределения скоростей газа в псевдоожиженной среде с погруженным в нее протяженным телом 131
2.11 Экспериментальное исследование влияния изменения профиля скоростей газа у основания псевдоожиженной среды на распределение времени пребывания частиц в пристенной области 136
2.12 Выводы по главе 2 140
3 Комплексные исследования внешнего теплообме на неподвижных протяженных тел с псевдоожиженной средой 143
3.1 Описание экспериментальной установки 143
3.2 Методика определения коэффициентов теплоотдачи 145
3.3 Экспериментальное исследование влияния скорости движения газа на интенсивность внешнего теплообмена в псевдоожиженной среде... 147
3.4 Экспериментальное исследование влияния зазора между телом и стенками аппарата на интенсивность теплоотдачи 151
3.5 Анализ и обобщение результатов исследования влияния обтекания неподвижного тела псевдоожиженной средой на интенсивность внешнего теплопереноса 156
3.6 Выводы по главе 3 161
4 Исследование влияния характера обтекания псевдоожиженной средой перемещающегося в ней протяженного тела на интенсивность переноса теплоты 162
4.1 Экспериментальные установки и методология исследования : 162
4.2 Выбор методики исследования и техника эксперимента 168
4.3 Перемещение тел в псевдоожиженной среде, определяющее интенсивность теплопереноса 180
4.4 Влияние размера и формы перемещавшегося в псевдожиженной среде тела на интенсивность теплопереноса 191
4.5 Выводы по 4 главе 197
5 Исследование внешнего теплообмена между вибро-гравитационным циркуляционным слоем и свободно перемещающимся в нем изделием 200
5.1 Классификация аппаратов циркуляционного слоя 200
5.2 Описание экспериментальных установок с виброгравитационным циркуляционным слоем 203
5.3 Методики экспериментальных исследований 209
5.4 Результаты экспериментальных исследований процессов виброперемещения тел по винтовым лоткам ванны аппарата 215
5.5 Исследование структуры виброгравитационного циркуляционного слоя 223
5.6 Исследование процессов теплообмена между виброгравитационным циркуляционным слоем и изделием 227
5.7 Анализ результатов исследований сушки зерна в виброгравитационном циркуляционном слое 232
5.8 Выводы по главе 5. 234
6 Разработка комбинированных способов интенсификации внешнего теплообмена в псевдоожиженных средах 238
6.1 Модель переноса теплоты в дисперсных средах 238
6.2 Предпосылки к созданию комбинированных способов интенсификации переноса теплоты в дисперсных средах 252
6.3 Использование комбинированных способов при термообработке стальных изделий в псевдоожиженной среде 264
6.4 Реализация разработанных способов при использовании газогравитационных циркуляционных сред 277
6.5 Выводы по главе 6. 294
7 Создание оборудования для непрерывной вулканизации резиновых изделий в псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах 304
7.1 Методика расчета аппаратов для вулканизации резиновых изделий. 3 04
7.2 Разработка вулканизационного оборудования для производства эк-струдированных резиновых изделий : 317
7.3 Разработка вулканизационного оборудования для производства штучных резиновых изделий 332
7.4 Разработка вулканизационного оборудования для производства рукавных резиновых изделий 338
7.5 Разработка оборудования для охлаждения изделий после вулканизации 343
7.6 Выводы по главе 7 346
Основные результаты и выводы 348
Список цитированной литературы 351
Приложения 425
- Структурно-гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя с погруженным в него телом
- Методика определения среднего времени пребывания магнитомечен-ной частицы в пристенной области псевдоожиженной среды
- Перемещение тел в псевдоожиженной среде, определяющее интенсивность теплопереноса
- Исследование процессов теплообмена между виброгравитационным циркуляционным слоем и изделием
Введение к работе
В настоящее время, проблемам повышения эффективности технологических процессов, оборудования и качества изделий уделяется большое внимание. Применительно к отраслям; производства, связанным с термообработкой изделий, эти требования должны найти свое отражение в сокращении продолжительности технологических процессов, снижении удельного расхода энергии (при вулканизации, сушки, термообработки), повышении качества готовых изделий и производительности труда, улучшении санитарно-гигиенических условий работы.
В ряде производств до сих пор широко применяются несовершенные аппараты, в которых неиспользуются значительные возможности, заложенные в них [43 9]. Результат - существенные невосполнимые затраты энергии в различных теплообменных процессах. От правильности расчета процесса термообработки (особенно вулканизации и сушки) и научно обоснованного выбора его аппаратурного оформления непосредственно зависят качество изделий и затраты теплоты на его осуществление.
Выход из затянувшегося экономического кризиса и переход промышленности и агропромышленного комплекса на путь всемерной интенсификации и повышения эффективности производства вызывает, в частности, всевозрастающую потребность в резиновых технических изделиях. Без гарантированного обеспечения качественными резиновыми изделиями: промышленности; (машино-, автомобиле-, тракторостроение и т.п.), строительства, агропромышленного комплекса практически невозможно их нормальное функционирование.
Значительную часть производства и ассортимента резиновых технических изделий занимают неформовые (экструдированные) профильные изделия (уплотнители, трубки, ленты, шнуры и:т.п.) как пористые, так и монолитные, напорные и напорно-всасывающие рукава обмоточной и навивочной конструкции и др. Резинотехнические изделия всегда были полудефицитным товаром в России. Например, общий выпуск рукавов составлял в дореформенное время свы-
10 ше 150 млн. погонных метров. При этом потребность народного хозяйства в
этих изделиях удовлетворялась всего лишь на 70 % из-за отсутствия соответствующего технологического оборудования [582]; Поэтому сложившаяся,в отечественной экономике ситуация ставит перед производителями резинотехнических изделий ряд первоочередных задач по повышению эффективности их производства.
Однако при переводе производства, резиновых технических изделий на путь повышения его эффективности на базе устаревшей технологии (которая не отвечает современным экономическим и экологическим требованиям, поскольку возможности ее уже исчерпаны), естественно, возникла проблемная ситуация. . Существующий в настоящее время процесс изготовления резинотехнических изделий почти на всех стадиях производства требует применения большого количества ручного труда, а применяемое оборудование малопроизводительно. Это обусловлено в первую очередь отсутствием прогрессивного технологического оборудования для непрерывной вулканизации резиновых изделий. Периодические процессы вулканизации морально устарели — сложно включить паровой вулканизационный котел в поточную линию. Высокая технико-экономическая эффективность процессов, повышение производительности труда и улучшение санитарно-гигиенических и экологических условий производства возможна только при переходе на непрерывный способ вулканизации резиновых изделий. Невзирая на это, вплоть до настоящего времени* значительное число резиновых изделий вулканизуется в котлах и даже в прессах трудоемким формовым методом.
Многие отечественные и зарубежные производители резиновых технических изделий вкладывали значительные средства в; создание непрерывного процесса их изготовления, включая; вулканизацию. За прошедшие годы были разработаны такие способы, как непрерывная вулканизация в воздухе, в глицерине, в расплавах металлов и солей металлов, в псевдоожиженной среде химически инертных мелкозернистых частиц, непрерывная вулканизация с исполь-
зованием различных видов излучений. Однако выполнение операции вулканизации в один поток со сборкой даже при освоенных на сегодня промышленностью скоростях перемещения: резиновых изделий. требует очень большой (несколько десятков метров) длины вулканизатора. Действующее в настоящее время оборудование для.- непрерывной вулканизации резиновых изделий в различных теплоносителях наряду с большой длиной характеризуется высокой энерго- и металлоемкостью при недостаточно высоком; качестве выпускаемых изделий; Дальнейшее внедрение непрерывных процессов вулканизации в * производство сдерживается недостатками существующего оборудования..
Производство и заготовка зерновых культур товаропроизводителями различных форм собственности неразрывно связано с необходимостью постоянного совершенствования техники и технологии термообработки (сушки) дисперсных материалов. Это обусловлено природно-климатическими и погодными условиями большинства зернопроизводящих районов России. Даже при сухой погоде во время уборки урожая средняя влажность зерна в большинстве зернопроизводящих районов составляет 15 % и более, что не позволяет хранить такое зерно в хозяйствах без предварительной сушки. Ежегодно свыше 80 % убранных с полей зерновых культур подвергают сушке [181]. При использовании существующих сушильных установок, на сушку зерна приходится от 85 до 97 % общих затрат энергии на его обработку [58]. В целом по стране на сушку расходуется около 12 % добываемого и используемого топлива.
Ввиду особой важности технологии сушки в процессе послеуборочной обработки зерна проблеме развития сушильной техники во все: времена отводили важнейшее место и придавали огромное значение. В дореформенные годы основное внимание исследователей ? и < конструкторов зерносушилок было направлено на создание стационарных установок высокой производительности (от 20 до 100 тонн в час и более). Однако, несмотря на огромные успехи в области технологии сушки;зерна и проектирования соответствующего оборудования, потребность сельского хозяйства в установках для сушки зерновых культур
12 удовлетворить полностью так и не удалось [4]. В настоящее время эволюция
сушильного оборудования находится на новом этапе, обусловленном появлением в сельскохозяйственном г производстве различных форм собственности. Помимо крупных агропромышленных предприятий появилось множество небольших сельскохозяйственных производственных: кооперативов, фермеров; и мелких частных перерабатывающих предприятий, занимающихся выращиванием или переработкой зерновых культур, а мощная зерносушильная техника сосредоточена в основном на элеваторах и. крупных сельскохозяйственных предприятиях. При сдаче на < хранение зерновых культур на элеватор к нему предъявляются жесткие требования. Если влажность зерновых культур выходит за рамки ограничительной кондиции, то такое зерно либо; вообще не; принимают на хранение, либо поднимают цены до уровня, недоступного фермерам и мелким сельскохозяйственным предприятиям. При длительном хранении за год элеватор забирает до 52% урожая: [394], что нереально для указанной категории товаропроизводителей из-за ограниченных объемов последнего.
Отсюда традиционная сдача зерна на элеваторы для хранения большинству мелких и средних хозяйств экономически не выгодна ввиду связанных с этим; существенных материальных расходов. В условиях рыночных отношений; таким хозяйствам экономически*целесообразно хранить полученное зерно непосредственно в своих хозяйствах и осуществлять торговлю им в наиболее благоприятное с точки зрения ценовой политики время [386]. Поэтому возникла одна из наиболее актуальных проблем [341,342]'- обеспечение этих категорий товаропроизводителей малогабаритной, универсальной, высокоэффективной, энер-го- и ресурсосберегающей техникой для термообработки (сушки, обжаривания; нагрева, кондиционирования и т.п.) зерновых культур и комбикормов.
В настоящее время свыше И % общего количества изделий, подвергаемых термической обработке, составляют длинномерные: различные валы, штоки, шпиндели, протяжки, болты и другие [546]. Правильный выбор наиболее ответственного этапа термической обработки этих деталей — способа их охлаждения
13 с целью получения в большинстве случаев мартенситной структуры — является
одним из определяющих факторов получения* стальных высококачественных изделий. При этом результаты закалки непосредственно связаны со скоростью охлаждения, которая в свою очередь зависит, прежде всего, от интенсивности теплообмена поверхности детали с закалочной средой. В настоящее время закалочных сред, отвечающих вышеуказанным требованиям; нет [371],.поэтому поиск новых охлаждающих сред является весьма актуальной задачей. Недостатки широко используемого в промышленности способа охлаждения деталей погружением их как в традиционные закалочные среды - воду и минеральные масла, так и в среды на основе водорастворимых полимеров отмечены в [583].
Таким: образом, внедрение в промышленность и в сельское: хозяйство передовой технологии непрерывного процесса производства резиновых изделий, сушки дисперсных материалов. и закалки стальных изделий сдерживается в настоящее время отсутствием соответствующего прогрессивного оборудования. Наиболее целесообразно при проведении указанных технологических процессов использовать в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожиженные и циркуляционные среды. Однако массовому внедрению технологий с использованием этих сред препятствует неравномерное распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по поверхности термообрабатываемых изделий и невозможность существующими способами задавать и выдерживать требуемый темп: нагрева (охлаждения) в любой зоне поверхности изделия. Кроме того, до настоящего времени не изучены закономерности структурно-гидродинамических эффектов, возникающих при взаимодействии псевдоожиженного (и циркуляционного) слоя с погруженным в него термообрабатываемым изделием, и степень влияния этих эффектов на интенсивность процесса переноса теплоты.
В связи с этим разработка экономичных способов термообработки, методов расчета процессов, совершенствование аппаратурного оформления и создание оборудования для непрерывной термообработки - изделий в псевдоожижен-ных и циркуляционных средах являются основой практического использования
14 техники псевдоожижения и циркуляционного слоя в различных химико-технологических процессах, весьма1 актуальны и решают одну из важнейших проблем интенсификации теплопереноса в системе с твердой фазой.
Механизм переноса теплоты в дисперсных средах сложный, но его необходимо знать при практическом использовании теплообменных аппаратов, использующих эти і среды в качестве промежуточного теплоносителя, и поэтому неизменно привлекает внимание исследователей. Основополагающие работы в этом направлении: выполнены В.Г. Айнштейном, Н.В; Антонишиным, А.П; Баскаковым, Б.В; Бергом, В;А. Бородулей, Дж. Боттериллом, Ю.А. Буевичем, НИ. Гельпериным, С.С. Забродским, С.В; Мищенко, Н.Б. Кондуковым, В:И. Коноваловым, В.Н. Королевым, В.ИЇ Муштаевым, А.Н. Плановским, Н.Б. Раш-ковской, ПЛ7. Романковым, СП. Рудобаштой, Б.С. Сажиным, Б.Г. Сапожнико-вым, Н.И; Сыромятниковым, Ю.С. Теплицким, СВ. Федосовым, Н.Ф/.Филип-повским, Л;И. Френкелем и другими.
Теория псевдоожижения отражена в исследованиях в нашей стране (В .F. Айнштейн [1,2,299,387], Н;В. Антонишин [5-8], М.Э. Аэров [26], А.П. Баскаков: [30-44], Б.В. Берг [47-53], В.А. Бородуля [59-67], Ю.А. Буевич [70-94,600,601], И.А.-Буровой [96], Н.Н. Варыгин [102-104], Л;К. Васанова [105,392,477,507, 524,539], И.А. Вахрушев [106-111], Л.Н: Волошин [120-121], А.И: Владимиров [113,114], В.Д. Гвоздев [125,126], Н.И.. Гельперин; [127- 139,299,314,317,387], АС Гинзбург [140-143], М.А. Гольдштик [146-148]; З.Р. Горбис [151], Ф.З; Грек [153-155], ЮЛ. Гупало [157-159], С.С. Забродский [182 -184,388,404], Е.Д. Зайцев,[186-190], ИЛ. Замниус [192,193]; Н.Б. Кондуков[ 160,201,209,212,217, 236, 246,430, 542, 552], В;Н. Королев [83; 119, 210,225,253-266,280,313,383,497, 502,504,506], Е.Ю.Лайковская: [285-289], К.Е.Махорин [311,312], Г.А. Минаев [318], Д.Т. Митев [319], В;Д.. Михайлик [320,321], Н.В. Михайлов [571-573], В.И. Муштаев [208,248,271,329-331,543], И.О. Протодьяконов [428,429]; П.Г. Романков [452,453], А.Ф. Рыжков [459-463], Б.Г..Сапожников [119,213,219,224, 306,307,469-474,495,496,499,502], Н.И; Сыромятников [496-509], И.Н Таганов
15 [510-515], А.И. Тамарин [516-522], Ю.С. Теплицкий [525-527], О.М. Тодес [534-
536], Н.Ф. Филипповский [547,548], Л.И. Френкель [236,246,542,551-554], Ю.И. Черняев [561-562], Ю.Г. Чесноков [563-567], В:А. Членов [571-573], НІА. Шахова [577,578], Я.П. Шлапкова [581] и другие), и за рубежом (Я; Беранек [46], А. Берг [590], Дж. Боттерилл [68, 596], Р. Бусройд [97], К.Г. Дойчев [172-174], Р. Джексон [164], И.Ф. Дэвидсон^ [176], Д. Куний [282], М. Лева [291], О. Ле-веншпиль [282], X.G.. Миклей- [634-636]; М: Радованович [443], П.Н. Роу [455,456], Д. Сокол [46], Д. Харрисон [176] и другие):
Исследования значительно прояснили физическую сущность явлений в псевдоожиженном слое и выявили взаимосвязь различных параметров и степень их влияния на процесс переноса теплоты. Однако, несмотря на большой теоретический интерес и потребности производства в настоящее время взаимодействие псевдоожиженного слоя с погруженным в него протяженным телом (неподвижным или движущимся) изучено недостаточно.
Впервые основы структурно-гидродинамического взаимодействия дисперсной среды с поверхностью непротяженных тел были исследованы В ;Н. Королевым [255-259,261-265]. Им выявлена роль флуктуации порозности в пристенной области термообрабатываемых тел в усилении теплопереноса в аппаратах с неоднородной псевдоожиженной средой. Развитие этих исследований приведено в настоящей работе.
По виброгравитационному циркуляционному слою, технологическим! процессам и;аппаратам, использующим этот слой, источники не найдены. Термин "слой" означает частицы мелкозернистого теплоносителя (стеклянные шарики, песок, электрокорунд и др.). Термин» "виброгравитационный" означает, что частицы теплоносителя вибрацией винтовых перфорированных лотков поднимаются до верхнего лотка и по специальному устройству ссыпаются на дно ванны за счет сил гравитации. Термин "циркуляционный" означает, что частицы теплоносителя совершают (циркуляционные) движения по замкнутому контуру в ванне аппарата. Частицы теплоносителя одновременно с подъемом
по перфорированным винтовым лоткам непрерывно просыпаются из вышерасположенных лотков через отверстия в них на нижерасположенные лотки. Эти два движения частиц взаимосвязаны и при определенных соотношениях их скоростей обеспечивают устойчивую (во времени и пространстве) структуру виброгравитационного циркуляционного слоя. Причем в ванне аппарата циркулируют только^ частицы, теплоносителя, а обрабатываемые изделия, (длинномерные или штучные) или материалы (зерно и др.) подаются на нижний лоток, поднимаются по винтовым лоткам при постоянном и равномерном воздействии на их поверхность частиц теплоносителя и выходят с верхнего лотка в приемный бункер.
Виброгравитационный циркуляционный слош имеет существенные преимущества перед известными средами. Основное достоинство аппаратов с виброгравитационным циркуляционным слоем — компактность и высокий тепловой коэффициент полезного действия, перемещение изделий (или материалов) осуществляется вибрациями лотка внутри частиц теплоносителя, существенное: усиление тепл опереноса, небольшие потери і. тепла в окружающую * среду, возможность встраивания аппаратов в поточные линии. Основные варианты практического использования виброгравитационного циркуляционного слоя приведены в настоящей работе.
Отсутствие теоретических обобщений? по структуре и гидродинамике псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных сред с погруженными : в них протяженными телами затрудняет создание моделей этого взаимодействия, без і которых невозможно разработать способы интенсификации! теп-лопереноса в этих средах. Разработка эффективных способов интенсификации теплопереноса как в неоднородных псевдоожиженных, так ив виброгравитационных циркуляционных средах возможна только на основе адекватной модели внешнего теплообмена, отражающей реальную картину структурно-гидродинамических эффектов, возникающих при контакте поверхности с гетерогенной средой^ и степени, их воздействия на процессы. В настоящей работе системати-
17 зированы исследования по интенсификации теплопереноса в неоднородных
псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах. Основное внимание уделено; теоретическим основам интенсификации этих; процессов применительно к, погруженным в слой протяженным телам (движущимся; или неподвижным), имеющим большое практическое значение (вулканизация, сушка; термообработка). Это позволило решить ряд практических задач, результаты которых внедрены в промышленность.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Обобщение и развитие научных достижений в: области гидродинамики и теплообмена в дисперсных средах, разработка методов расчета процессов и создание оборудования для непрерывной термообработки изделий в псевдоожиженных и циркуляционных средах, направленных на улучшение качества термообрабатываемых изделий, снижение габаритов и металлоемкости оборудования при осуществлении процессов вулканизации, сушки и. закалки.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи.
Проведены комплексные экспериментальные исследования:
структурных и гидродинамических эффектов, возникающих при погружении' протяженного тела в псевдоожиженную-і среду (структура, расширение: псевдоожиженного слоя, поля скоростей газовой фазы, распределение: времени пребывания частиц вдоль пристенной области протяженного тела) и определены их закономерности;
внешнего теплообмена - неподвижных протяженных тел с псевдоожиженной средой с учетом структурных и гидродинамических эффектов, реализуемых у поверхности этих тел, получено выражение для определения оптимального значения коэффициента эффективности псевдоожиженной среды, позволяющего при создании промышленных аппаратов осуществить масштабный переход;
влияния; характера обтекания псевдоожиженной средой перемещающегося в ней протяженного тела на интенсивность переноса теплоты и определе-
18 ны закономерности внешнего теплообмена с учетом структурно-гидродинамических эффектов, реализуемых у поверхности этого тела;
4) структуры виброгравитационного циркуляционного слоя, его динамики и интенсивности теплообмена изделий, свободно перемещающихся в этом слое.
Разработаны:
гидродинамическая модель псевдоожиженной среды с погруженным в нее протяженным телом; модель переноса теплоты с учетом структурных и гидродинамических эффектов, реализуемых у тела, погруженного в псевдо-ожиженный (виброгравитационный циркуляционный) слой;:
комбинированные действенные способы интенсификации внешнего теплообмена в псевдоожиженных и циркуляционных средах, позволяющие задавать и выдерживать требуемый темп нагрева (охлаждения) в любой зоне термо-обрабатываемого изделия, и формирующие предпосылки для эффективного управления и автоматизации рассматриваемых процессов.
Научно обоснованы конструктивно-технологические схемы, методы расчета процессов и усовершенствования оборудования для непрерывной вулканизации резиновых изделий в псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах.
ОБЪЕКТЫ;ИССЛЕДОВАНИИ. Процессы переноса теплоты при вулканизации, сушки, термообработке в неоднородных псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ. Установление закономерностей* влияния структурно-гидродинамических эффектов на теплообмен между неоднородным псевдоожиженным слоем И! погруженным в него протяженным (движущимся или неподвижным) телом или от других поверхностей к виброгравитационному циркуляционному слою; способы интенсификации теплопереноса в неоднородных псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах воздействиями энергии разного вида на теплообменную ПОВерХНОСТЬ И: Промежуточный дисперсный теплоноситель.
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Методологической основой научных исследований явились комплексный подход, физическое и математическое моделирование. При теоретических исследованиях использованы законы сохранения массы и энергии, методы математической* статистики, информации, моделирования, теории колебаний ш теории вероятностей. В экспериментальных исследованиях использованы методы теории планирования экспериментов, статистической обработки результатов, частные методики; электронные измерительные системы и измерительные приборы, проверка результатов ' лабораторных исследований проводилась в производстве. Расчеты выполнены на ПК с привлечением пакета расширения по* нейронным сетям Neural Networks Toolbox, а также программы Cortisol Femlab 2.3 при решении дифференциальных уравнений» в частных производных и использовании уравнений) Навье-Стокса.
ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА. Монографии, диссертации, доклады, статьи, авторские свидетельства и патенты (отечественные и зарубежные).
НАУЧНАЯ» НОВИЗНА. Обобщены и развиты теоретические и экспериментальные данные по структуре, гидродинамике и внешнему теплообмену между псевдоожиженным слоем и погруженным в него протяженным вертикальным телом.
Предложены комбинированные способы интенсификации внешнего теплообмена; в псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах, которые приводят не только к улучшению условий внешнего теплообмена и выравниванию локальных коэффициентов; теплоотдачи по поверхности тер-мообрабатываемых изделий, но и формируют предпосылки для эффективного управления и автоматизации рассматриваемых процессов.
Получено выражение для определения оптимальной величины коэффициента эффективности псевдоожиженной среды, позволяющего обеспечить масштабный переход при создании промышленных аппаратов.
Установлено, что в пристенном' слое около перемещающегося в псевдо-
20 ожиженной среде протяженного тела наблюдаются две части: лобовая - с пульсирующей газовой полостью, заполненной частицами, и боковая - с интенсивно движущимся двухфазным? потоком. Обоснована их роль в; процессе переноса теплоты.
Обнаружено, что движение (включая вращение)і изделия г в псевдоожижен-ном слое и интенсифицирует теплоперенос, и улучшает равномерность нагрева по периметру изделия, что способствует повышению его качества. Разработаны и обоснованы новые способы термообработки круглых длинномерных изделий (резиновых рукавов на дорне и стальных труб) за счет вращения: вокруг своей оси и; одновременном і перемещении (вращении) вокруг оси ванны аппарата по замкнутому контуру в псевдоожиженной среде;
Разработаны процессы непрерывной вулканизации длинномерных резиновых изделий и сушки дисперсных материалов в принципиально новой среде -виброгравитационном циркуляционном слое. Проведено исследование его структуры, динамики и закономерности теплопереноса при. свободном перемещении термообрабатываемых изделий.
Разработаны методы; расчета процессов % и усовершенствования; оборудования для непрерывной термообработки изделий в псевдоожиженных и циркуляционных средах, направленные на: улучшение качества термообрабатываемых изделий; снижение габаритов и металлоемкости,. увеличение энергетической эффективности оборудования при осуществлении процессов вулканизации; сушки и закалки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Экспериментальные исследования, результаты математического и физического моделирования, а также анализ работы существующих вулканизаторов, сушилок и оборудования для закалки стальных изделий позволили разработать прогрессивные непрерывные процессы вулканизации, сушки и закалки; разработать методы расчетов этих процессов; создать конкурентоспособные аппараты и технологии вулканизации, сушки и закалки в псевдоожиженных и циркуляционных средах.
21 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Материалы диссертационной работы использованы:
во ВНИИ:резинотехнического машиностроения (при проектировании линий вулканизации резиновых изделий в псевдоожиженном слое: для Свердловского завода эбонитовых и губчатых изделий с, экономическим эффектом -9,165 миллионов рублей (в ценах 2002 г.); для Таллиннского завода нерудных материалов с экономический эффектом — 13 Д 6 миллионов рублей (в ценах 2002 г.); для Ленинградского завода «Красный треугольник» с экономическим эффектом - 10,34 миллионов рублей (в ценах 2002 г.); вулканизатора рукавных изделий в псевдоожиженном слое для Карагандинского завода РТИ с экономическим эффектом - 11,28 миллионов рублей (в ценах 2002 г.); роторной линии изготовления профильных резиновых изделий диаметром не более 25 мм с вулканизацией в виброциркуляционном слое для; ОАО «Красный треугольник» г. Санкт-Петербург с экономическим эффектом — 9,4 миллионов рублей (в ценах 2002 г.); роторной линии изготовления резиновых клапанов (ниппелей) аэрозольных упаковок с вулканизацией в виброциркуляционном слое для Рижского АО «Латбытхим» с экономическим эффектом - 8,93 миллионов рублей (в ценах 2002 г.);
Главным < управлением природных ресурсов и охраны окружающей4 среды МПР России по Тамбовской области при создании * регионального центра по термическому обезвреживанию * промышленных и сельскохозяйственных отходов с экономическим эффектом - 200 тысяч рублей в год (в ценах 2002 г.);
производственным кооперативом им. Коминтерна Мичуринского района Тамбовской области для термообработки зерна в виброциркуляционном слое с экономическим эффектом— 110 тысяч рублей в год (в ценах 2002т.);
АО «TAFAT» (г. Тамбов) для термообработки (закалки) стальных изделий в псевдоожиженных средах с экономическим эффектом — 100 тысяч рублей в год (в ценах 2002 г.);
Федеральным государственным образовательным учреждением Тамбов-
22 ский институт переподготовки кадров агробизнеса, Мичуринским государственным аграрным университетом и Пензенской государственной сельскохозяйственной академией?в учебных процессах использованы результаты исследований сушки зерновых культур в виброгравитационном; циркуляционном слое, закалки стальных изделий в псевдоожиженном слое, варианты их аппаратурного оформления;
Общий экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 62,685' млн: рублей:(в ценах 2002 г.). Экспертная оценка предприятий разработчиков, внедренческих организаций и ГНУ ВИИТиН позволила оценить вклад автора в сумме 18,2 млн. рублей;(в ценах 2002 г.). Новизна предложенных технических решений подтверждена 1 б авторскими:свидетельствами,и патентами на изобретения;
АПРОБАЦИЯ! РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ осуществлена в публикациях по теме диссертации, в докладах и< выступлениях на Международных, Всесоюзных, Всероссийских, региональных и национальных форумах, совещаниях, научно-практических и научно-технических конференциях. Содержание отдельных разделов диссертации і и основные результаты были представлены ш докладывались на: Всесоюзном научно-техническом совещании і "Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратурному оформлению электротермических: и высокотемпературных процессов: химических производств ; в десятой s пятилетке" (Ленинград, 1975 г.); Всесоюзных конференциях "Тепломассообмен- YI, YH" (Минск, 1980 г. и 1984 г.); II Всесоюзном научно-техническом совещании; "Пути? совершенствования, интенсификации: и повышения! надежности аппаратов в і основной химии" (Сумы, 1982 г.); II \ Всесоюзной научно-технической конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей (Курган, 1983 г.); III Всесоюзной научной конференции "Современные машины и аппараты химических производств" (Ташкент, 1983 г.); Всесоюзной научной конференции "Повышение эффективности,. совершенствование процессов и< аппаратов химических производств" (Харьков,
23 1985 г.); II Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности тепломассообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и: производстве химических волокон" (Москва, 1985 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы и аппараты-. производства полимерных материалов, методы. и оборудование для переработки их в изделия'1 (Москва, 1986 г.); I Всесоюзной научной конференции "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (Тамбов, 1986 г.); И«и IY Минских Международных: форумах "Тепломассообмен-ММФ" (Минск, 1992 г. и* 2000 г.); I и II Международных научно-технических конференциях "Энергосбережение в сельском хозяйстве" (Москва, 1998: и 2000 гг.); .Пи III- Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 1998 г. и 2002 г.); II Международной научно-практической конференции "Машинные технологии и новая сельскохозяйственная техника для условий Евро-Северо-Востока России" (Киров, 2000 г.); ГУ Международной теплофизической* школе "Теплофизиче-ские измерения в: начале XXI века" (Тамбов, 2001 г.); XI Международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России — проблемы.развития машинных технологий и технических средств производства; сельскохозяйственной продукции" (Москва, 2002 г.);: Международных научно-технических конференциях: «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (Санкт-Петербург - Пушкин, 2002 г. и 2003- г.); III и IV Международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2003 г. и 2004 г.).
Диссертационная; работа выполнялась в соответствии с Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2001-2005 гт. (шифр 01.02), одобренной; Общим собранием действительных членов и членов-корреспондентов Россельхозака-демии; 17.02.2000 г. и согласованной Заместителем Председателя Правительства РФ А.В: Гордеевым 22.09.2000 г.; Тематическим планом реализации Межве-
24 домственной координационной программы фундаментальных и приоритетных
прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2001 -2005 гг. (этап 03.01), одобренной Межведомственным координационным советом по формированию и реализации программы 19;1 1.2002 г.; Постановлением СМ СССР № 538 от 08.05.86 г. «О мерах по обеспечению внедрения АР и РКЛ в отрасли народного хозяйства в 1986-90 гг. и на период до 2000 г.»; Федеральной целевой; программой «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.» И0556/1654 от 24.09.2002 г.; с отраслевыми планами НИР и ОКР лаборатории № 7 ГНУ ВИИТиНпо теме 05.04.01 «Исследование и разработка установки для сжигания нефтесодержащих отходов в псевдоожиженном слое» (1998 г.); с планами НИР и ОКР ТИХМа «Исследование и разработка печей с кипящим слоем для нагрева деталей и заготовок» (1974 г.), «Разработка установки для, отжига роторной меди в псевдоожиженном слое» (1977 г.);. с планами НИР и ОКР ВНИИ: резинотехнического машиностроения? по теме «Создание оборудования для изготовления длинномерных профильных и рукавных изделий на роторно-конвейерных линиях и выдача рекомендаций» (1988 г.);
ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения и результаты исследований; которые выносятся на защиту и которые определяют научную новизну диссертации, принадлежат автору. По результатам; исследований опубликована 1 монография, 3 брошюры и более 60 работ в международных, академических, зарубежных и отраслевых журналах и научных изданиях, получено 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ; Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, списка цитированной литературы, содержащего 674 источника, и; 6 приложений. Содержание диссертации изложено на 425 страницах машинописного текста, включая. 120 рисунков и 11 таблиц.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: 1. Результаты комплексного исследования
25 структуры, гидродинамики и внешнего теплообмена псевдоожиженного слоя с погруженным в него протяженным телом.
Разработанные комбинированные способы интенсификации внешнего теплообмена в псевдоожиженных и виброгравитационных циркуляционных средах.
Полученное выражение для определения оптимальной величины коэффициента эффективности псевдоожиженной среды, позволяющего обеспечить масштабный переход при создании промышленных аппаратов.
Результаты исследования влияния характера обтекания псевдоожиженной средой перемещающегося в ней протяженного тела и обоснование его роли: в процессе переноса теплоты.
Разработанные процессы непрерывной вулканизации резиновых изделий и сушки дисперсных материалов в принципиально новой среде — виброгравитационном циркуляционном слое. Результаты исследования его структуры, динамики и закономерности теплопереноса при свободном перемещении термооб-рабатываемых изделий.
6. Разработанные методы расчета процессов и усовершенствования оборудования для непрерывной термообработки изделий в псевдоожиженных и циркуляционных средах.
Выражаю особую признательность Заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Тамбовского государственного технического университета Мищенко Сергею Владимировичу, Заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Тамбовского государственного технического университета Коновалову Виктору Ивановичу.
Структурно-гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя с погруженным в него телом
При проектировании аппаратов для термообработки изделий в псевдо-ожиженном слое нужно знать закономерности расширения как свободного псевдоожиженного слоя, так и слоя с погруженным в него; телом. Известно -[536], что единой общепринятой теории структуры псевдоожиженной среды В і настоящее время нет. Неоднородный псевдоожиженный слой, согласно П. Бек-керу, и П. Хиртису [591,592], и других исследователей (например, обзоры в [43; 135]), условно состоит по высоте из трех областей: прирешеточной, ОСНОВНОЙ Иг надслоевой. Положение верхней границы основной области при N=1—10 при использовании перфорированных газораспределителей практически? не зависит от режима псевдоожижения и примерно равно высоте неподвижного слоя. Но [43,135,591,592]. Средняя концентрация частиц при неизменном расходе газа по высоте этой области практически постоянна. При увеличении скорости газа эта; концентрация уменьшается выбросом частиц в надслоевую область. Объем же основной области остается неизменным. Таким образом, расширение псевдоожиженного . слоя с ростом N непосредственно связано с увеличением высоты надслоевой области слоя [43].
Свободная верхняя поверхность псевдоожиженного слоя обычно устойчива к гидродинамическим возмущениям любой частоты и амплитуды [87] і Однако интенсивные выбросы частиц вверх наряду с пульсациями мгновенного значения верхнего уровня псевдоожиженного слоя, нарушая его стабильность, вызывают затруднения при измерении рабочей высоты слоя Щл [182,199,518]. Поэтому до сих пор нет общепринятого определения высоты:расширенного слоя [199,518]. Расширение свободного неоднородного псевдоожиженного слоя в настоящее время менее изучено, чем однородного ([1] и обзор в [135]), а закономерности увеличения высоты слоя с вертикально погруженным в него протяженным телом не исследованы.
Под протяженным телом понимается погруженное в псевдоожиженныи слой в вертикальном положении тело (неподвижное или движущееся), размеры которого соизмеримы с высотой псевдоожиженного слоя, и по высоте тела имеется контакт с основной и, надслоевой областями слоя. Различия: гидродинамической обстановки в.этих областях:затрудняют управление теплоперено-сом от протяженного тела к псевдоожиженному слою (или наоборот).
Тело непротяженное, если оно целиком расположено только в одной из областей псевдоожиженного слоя: В этом случае гидродинамическую обстановку в области можно считать одинаковой, кроме обстановки около поверхности погруженного тела [334] по сравнению с гидродинамической; обстановкой, удаленной от тела. В отличие от протяженных тел, непротяженные тела при термообработке размещают в основной области (с постоянной порозностью) или в, области созданной активной гидродинамической обстановки. Особенности гидродинамики и внешнего теплообмена в псевдоожиженном слое исследованы, как правило, с непротяженным телом, помещенным в основную область слоя.
В; работах Гельперина Н.И., Айнштейна В.Г., Романовой Н.А. [129,132, 133] и Королева В.Н. [263] рассмотрено, в основном, влияние на порозность псевдоожиженного слоя, вертикально размещенных в его основной области непротяженных тел. В [ 129] установлено, что скорость начала псевдоожижения возрастала при переходе от редких вертикальных трубных пучков к более тесным пучкам. По-видимому, скорость фильтрации в межтрубном пространстве при постоянном расходе газа в аппарате должна изменяться с уменьшением шага трубного пучка со 100 мм до 40 мм. Однако изучение высоты слоя при погружении в него вертикальных тел не проводилось [129,132,133]!
В [184,534,597] подчеркнуто, что в отличие от стенок аппарата, около погруженных в псевдоожиженныи слой; тел возможен прорыв- газа? с интенсивным образованием пузырей. Концентрация частиц у поверхности тел образованием пузырей. Концентрация частиц у поверхности тел заметно снижена. В последние годы [68,83,431-433,534] обращалось внимание на то, что погруженное- в псевдоожиженный слой тело изменяет местные структуру и; гидродинамику слоя в области размещения тела. Однако ни в одной из существующих моделей неоднородного псевдоожиженного слоя; не учтено, что действительные структурно-гидродинамические характеристики слоя около поверхности тела могут быть иными, чем вдали;от нее, [83,84,263]. Предполагалось, что погружение тела в псевдоожиженный слой может отразиться на изменении гидродинамики только в непосредственной близости от помещенного в слой тела. Поэтому исследователи мало интересовались тем, что происходило с гидродинамикой слоя вдали от тела.
Наблюдениями за характером обтекания помещенных в псевдоожиженный слой горизонтальных цилиндров [258,259,642], вертикальных пластин-[36,258,259], клина,.шара и тела произвольной формы [258,259]; установлено, что только до возникновения местного псевдоожижения (при N = 0 [36,258,259] или при N 0,22 [642]) слой был однородным по всему объему. При увеличении скорости фильтрации газа частицы переходили в псевдоожиженное состояние не сразу, а постепенно. Первые местные очаги псевдоожижения возникали» в диаметральной! плоскости горизонтальных цилиндров (при- N=0,5 [433] или при N=0,59 [642]), затем - в лобовых (по ходу движения газа) областях (при N = 0,92 [642]). В этих очагах возникали г газовые пузыри, и наблюдалось движение частиц. Приі малых скоростях фильтрации пузыри сливались с общим потоком газа в порах между твердыми частицамии быстро исчезали. Начиная с N 0,6 [433], вблизи поверхности горизонтального цилиндра появлялись колебания порозности.
Методика определения среднего времени пребывания магнитомечен-ной частицы в пристенной области псевдоожиженной среды
Для усиления перемешивания частиц в аппарате с низким псевдоожижен-ным слоем (Щ/Е)а 0,41) предложено отдельно подавать большое количество газа в пристенную зону [63 3 ]. В результате изменены потоки циркуляции частиц: в пристенной зоне частицы движутся J вверх, а в центральной зоне аппарата — вниз.
В указанных способах использованы слоевые газораспределители (факельные, фонтанные, щелевые), в которых изменялся профиль скорости:газа, но сохранялось основное направление движения среды в аппарате.
Изменение общего газодинамического режима псевдоожижения \ можно достигнуть [376], заменив осевое движение газа на выходе из І газораспределителя на радиальное. Основной поток закручивается, создает неоднородные вихри твердой фазы в пристенной зоне. Вертикальная составляющая скорости газа в этой зоне достигает максимумами снижается до нуля, приближаясь к оси аппарата (на стенке внутреннего конуса). Устойчивая циркуляция частиц и газа в пристенной зоне увеличила \ теплоотдачу в 1,5 раза по сравнению с плоским входным профилем і скорости. По физической сущности этот способ близок к способу в [71,72,557] с вогнутым профилем; скорости газа; но конструкция газораспределителя в [376] сложнее, чем: в [71,72,557] при практически одинаковом эффекте.
В;[293] для ликвидации малоподвижных частиц (кварцевого песка d — 0,27 мм) в пристенной зоне газораспределитель перекрывался на.95,5 %, а газ подавался в аппарат (при; H0/Da=l,4) только через оставшиеся три ряда отверстий в непосредственной близости от стенки. В пристенной зоне возникало фонтанирование, а оставшаяся часть слоя оставалась практически неподвижной, т.е. терялись многие преимущества псевдоожижения. Увеличения а не было. В обоих случаях cimax =405 Вт/м2оС. С ростом скорости газа уменьшалась концентрация частиц в этой зоне быстро монотонно снижая а. Авторы [293] полагали,. что при .такой подаче газа усиливается теплоперенос, так как одинаковые ow при і частично заглушённом газораспределителе достигаются при меньшем массовом расходе воздуха (220 г/мини;55 г/мин соответственно). Но при подаче воздуха, по всему газораспределителю ащах достигался при \ф = 0,25 м/с, а при факельном подводе при \Уф = 1,0 м/с. Затраты энергии на прокачивание газа в [293] не определены. Поэтому вывода об эффективности предложенного в [293] способа, увеличения внешнего теплообмена пока сделать нельзя.
В і [485,487] для ликвидации малоподвижных частиц около стенки аппарата и усиления внешнего теплообмена авторы использовали жалюзийную решетку-турбулизатор из наклоненных под 45 пластин, установленных на. расстоянии друг от друга по высоте стенки аппарата. Решетка-турбулизатор организовала направленный потока газа в , пристенную зону из ядра1 слоя, местные области интенсивного движения \ частиц около стенки, ликвидировала малоподвижные зоны частиц, резко увеличила а. При зазоре между стенкой и решеткой 0,9 мм в псевдоожиженном слое частиц корунда d = 0;12 мм а := 539, 572 и 615 Вт/м К npnN - 3,5; 6,0; 8,0 соответственно, т.е. а (благодаря воздействию гетерогенных струй) былштакими же,,как и для теплообменнойшоверхности, размещенной в слое.
В [44] авторы существенно уменьшили застойную зону на поверхности горизонтально расположенной-в псевдоожиженном слое трубы.размещением над трубой; специального козырька. Пульсации газовой полости, периодически образующейся под козырьком, не дали образоваться шапке неподвижных частиц на трубе, и в зазоре между трубой и козырьком возник поршневой режим псевдоожижения. Установлено, для улучшения теплообмена козырек целесообразно размещать на (20-40) мм выше трубы (0 ,= 220 мм). Для корундовых частиц d
= 0,25 мм при;N = 3 коэффициент теплоотдачи от тыльной поверхности трубы увеличился примерно в три раза. При: высоте расположения козырька над трубой более 60 мм его влияние на і теплообмен практически исчезло. Козырек снижать скорость псевдоожижения, существенно уменьшает высоту отстойной зоны печи и потери тепла с уходящими газами, увеличивает равномерность нагрева цилиндрических заготовок и труб в псевдоожиженной среде.
Иногда вместо козырьков располагают трубы с вертикальным шагом s = 1,2 D-ф. Газовая»полость под вышележащей трубой разрушает или значительно уменьшает слой неподвижно лежащих частиц на-верхней части нижележащей трубы. При шахматном расположении труб можно достичь такого же эффекта отклонением соседними трубами потока пузырей газа [254].
Интересен способ усиления внешнего теплообмена в жидкостном кипящем слое [477,524], когда в пристенную зону, граничащую с поверхностью электрокалориметра (DH = 22 мм), впрыскивается турбулентная струя жидкости из кольцевой І щели шириной 0,3 мм t со скоростью в пять-семь раз выше скорости фильтрации для турбулизации пограничного слоя. Расход жидкости в струе составлял (6-8) % от общего расхода. С возрастанием скорости струи а увеличивал ся до cimax. Увеличение а авторы [477] связали с увеличением турбулентности в пристенной зоне, уменьшением ламинарного подслоя и его термического сопротивления.
В [524] установлено, что введение в поток частиц и турбулентной струи повышает турбулизацию пристенной зоны, увеличивает в три-четыре раза теп-лоперенос от стенки. Так как около газораспределителя теплоотдача: гораздо выше участка стабильного теплообмена, то в последующих опытах авторы [477] для достижения большего эффекта вводили струю на высоте, где до того был стабильный теплообмен, что усилило теплоотдачу к жидкостному кипящему слою. Впрыск дополнительной жидкости с большой скоростью неизбежно увеличивал энергозатраты, последнее, возможно, вполне компенсировалось увеличением теплопереноса. В рассмотренных работах пластина [293] или цилиндр [477,524] опирались нижним торцом на решетку, и по [84] их поверхности влияли на потоки частиц и ожижающего агента как стенки аппарата.. Поэтому предлагаемые: в [293,477,524]\ способы усиления теплопереноса;целесообразнее применять для вертикальных стенок аппарата. Если-приподнять пластину или цилиндр над решеткой, то обтекание будет совершенно иным [71,202]. Для приподнятых пластины и цилиндра теплоперенос рассмотрен ранее [238,246,523]. Скорости теплоотвода по высоте электрокалориметра при способе [477,524] в три-четыре раза неравномерны, что может вызвать местный перегрев г (или переохлаждение) термообрабатываемого изделия. Эти способы требуют доработки..
К. подгруппе-2.2 отнесены способы усиления теплопереноса изменением теплопроводности подаваемой в пристенную зону направленной струи газа.
В [581] направленной подачей струи более теплопроводного газа (гелия): при скорости 15 м/с в псевдоожиженный воздухом слой; песка (d = 0,7 мм) получено резкое (в два раза) увеличение а.
Перемещение тел в псевдоожиженной среде, определяющее интенсивность теплопереноса
Для разработки методов расчета процессов и создания оборудования для; термообработки изделий: в псевдоожиженнои: среде в; первую очередь необходимо определить, параметры ее структуры и гидродинамики в зависимости от изменения рабочей скорости газа в аппарате. Как показано в 1 -й главе, менее изучены псевдоожиженные слои крупных частиц. Поэтому построили гидродинамическую модель свободной псевдоожиженнои среды крупных частиц (обобщив известные литературные и собственные:экспериментальные данные). Поскольку в настоящее время строгого деления частиц на мелкие и крупные не существует, то считали (согласно [83]) частицы крупными при d 0,32 мм.
Анализ полученных экспериментальных данных показал, что с увеличением вертикальной (аксиальной) координаты z (по мере подъема точки замера над газораспределителем, О 2 Н ) происходило изменение значений рсл, а при варьировании поперечной І координаты г (0 r Ra) и т они оставались неизменными (дрсл/дт = 0 и дрсл/дт = 0). Аналогично рсл(г) происходило изменение других параметров: скорости газа в непрерывной фазе WrH, диаметра одиночного пузыря Dn0 и его скорости Wno.
При малых ( 1,(НТ, 15) и больших ( 8) N наблюдали практически однородное псевдоожижение и линейное изменение величины І Рсл ). При этих режимах псевдоожиженный слой подобен однофазной жидкости [131]. Многие исследователи изучали поведение пузырей при однородном псевдоожижении, когда N 1,0 (см., например, в [62]). Однако в отличие от капельной жидкости малой вязкости в развитой псевдоожиженнои среде движение пузырей имело сложный характер.
Для наиболее распространенных на практике (при вулканизации, термообработке)-рабочих диапазонов N ( от 2 до 7) изменение статического давления по высоте псевдоожиженного слоя имело две нелинейные (прирешеточная ю надслоевая);и одну линейную (основная) зоны величины рсл(г). В отличие от однородного слоя, в областях слоя, характеризовавшихся нелинейной зависимостью рСл(г), наблюдали изменение параметров Wr„, Dn, Wn и єСІ. В области слоя с линейной зависимостью pcn(z) имели стабилизацию этих параметров (WrH idem, Dn idem, W„ idem и єсл idem).
Таким образом, в псевдоожиженном слое рост размеров и скорости движения пузырей наблюдался в областях с нелинейным изменением зависимости pCT(z), а неизменные параметры Dno H-Wn0 - в области с линейным изменением pCT(z). Для капельных жидкостей наблюдается противоположная картина - рост пузырей происходит, при линейной зависимости статического давления в жидкости от вертикальной координаты [98]. Это одно из отличительных свойств псевдоожиженной: среды от капельной жидкости и именно этим экспериментально установленным фактом можно объяснить причину неоднозначности результатов по скорости подъема пузыря в свободной однородной и неоднородной псевдоожиженной среде при N « 1 и N 1, полученных разными авторами (см. главу 1). Если при N «1 (однородная среда) имелась полная аналогия псевдоожиженного слоя и капельной жидкости, то с ростом N (неоднородная среда), в основной области слоя аналогия нарушалась и сохранялась только в приреше-точной и надслоевой областях слоя.
О возможности существования особых областей слоя с различным характером подъема, пузырей и движения газа сообщалось еще в [43,401,577,578]. Однако причины этого выявлены не были, и этой проблеме не уделялось должного внимания. Исследователи представляли псевдоожиженную среду с неизменными: по высоте структурно-гидродинамическими характеристиками. Поэтому экспериментальный материал о закономерностях движения газовых пузырей при N « 1 и N 1, накопленный за эти годы, и построенные на его основе модельные представления не могут служить даже для качественных оценок, тем более "...не пригодны для надежных точных вычислений" [443]. При развитом; псевдоожижении независимо от конструкции газораспределителя (пористая или перфорированная решетка) значительная часть газового потока (сверх необходимого для начального ожижения) проникает в непрерывную фазу слоя (по данным [78,385,641],— около 40...50 % ожижающего агента эжекти-руется из факелов в непрерывную фазу), вследствие чего реальное значение по-розности непрерывной фазы! єн больше порозности неподвижного слоя Е0. Именно это различие играет главную роль при оценке интенсивности различных процессов в псевдоожиженном слое, поскольку связано с пульсационным псевдотурбулентным движением частиц, а при єн—»е0 это движение просто вырождается [348]. Следовательно, поведение пузырей при є„«є0 и єм є0 должно быть различным, что и наблюдается в экспериментах [526]. Псевдоожижение гетерогенной системы «газ — крупные частицы» характеризуется неоднородным (псевдотурбулентным) движением газа: появлением пузырей одновременно с началом псевдоожижения. Рассмотрели качественное отличие поведения псев-доожиженной среды в вышеуказанных областях.
Прирешеточная область расположена в нижней части объема псевдоожиженного слоя (Q z Zi). Высота этой области составляет около 20 % от Но [231] и: с увеличением N значение ее уменьшается. Область характеризуется нелинейным снижением статического давления газа по высоте слоя (dpCJ,i/dz 0), убывающими порозностью (deHi/dz 0) и скоростью газа (dWrai/dzO) в непрерывной; фазе. Около решетки зарождаются пузыри газа диаметром Dnoj. Частота зарождения пузырей со3пі зависит, в основном, от величины расхода газа у основания слоя, а изменение высоты слоя Н0 на этот процесс оказывает незначительное влияние. Причину формирования пузырей в этой зоне исследователи связывают:либо с неустойчивостью нижней границы слоя [645], зависящей от плотности и вязкости псевдоожиженного слоя, либо с существованием неустойчивых точек равновесия [160], в окрестности которых наблюдается минимальная концентрация частиц. При струйном подводе газа мальная концентрация частиц. При струйном подводе газа через отверстия решетки начальные характеристики образующихся; пузырей определяются, в основном, расходом ожижающего агента в элементарных струйках и слабо зависят от физических параметров слоя. При использовании пористых или слоевых решеток сам факт появления пузырей и их первоначальные свойства полностью зависят от физических параметров среды и частиц [85]. Возле газораспределителя имеется значительное количество мелких пузырей, не имеющих облаков [673], но их доля резко снижается с увеличением высоты вследствие существенного роста пузырей за счет коалесценции.
Исследование процессов теплообмена между виброгравитационным циркуляционным слоем и изделием
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.6. Установка включала вертикальный цилиндрический аппарат, нагнетатель 6 с трубопроводами, измерительные приборы. Аппарат для проведения в нем процесса псевдоожижения частиц имел основание 1, газораспределитель 2 и царги 3 внутренним диаметром 0,172 м из органического стекла. Газораспределитель позволял быстро изменить профиль скорости газа в основании слоя без разборки всего аппарата. Это преимущество по сравнению с известными слоевыми газораспределителями [238, 246,532,542,551,557], требующими разборки всего аппарата при переходе к новому профилю скорости газа в основании слоя. Газораспределитель состоял из трех коаксиальных кольцевых секций 2а, 26, 2в с автономной подачей газа с предраспределителями 4 с долей живого сечения около 25 % каждый. Свободное пространство между 4 и 2 заполнено кольцами Раши-га 5. Окончательно формировала входной профиль скорости газа решетка из двух дисков с долей живого сечения около 18 % с сеткой между ними. Чтобы не было радиальных перетоков газа;на нижней стороне решетки наклеены резиновые прокладки. Эксперименты проводили при способах газораспределения «А» и «Б». «А» - равномерное распределение газа по сечению аппарата у основания слоя. Скорости газа в каждой кольцевой секции W2a= W26 = W2B. «Б» - с четким максимумом скорости газа на оси аппарата W2a W2G W2B.
Нагнетатели 6 подавали воздух комнатной температуры давлением до 24,5 кПа. Расход воздуха регулировался вручную основными 7 и дополнительными 8 вентилями. Расход воздуха измерялся с погрешностью 1 % протарированны-ми по [278] пневмометрическими трубками Пито-Прандтля 9 (далее - трубками), установленными на напорных трубопроводах, и микроманометрами 10 типа ММН-240 класса точности 0,5. Датчиками статического давления были медицинские иглы для инъекций наружным диаметром 1 мм, установленные заподлицо с царгами 3; Перепад статического давления в псевдоожиженной среде измерялся микроманометром типа ММН-240. Перепад статического давления в каждой секции 2а, 26, 2в измерялся U-образным водяным манометром 11 с погрешностью до 1 %. Температура воздуха измерялась с погрешностью ±1 % термометром 12 марки TWG с ценой деления 0,1 С. Равномерность потока і воздуха при отсутствии дисперсного материала измерялась термоанемометром 13 СКБ ЛИОТ с погрешностью ± 10 % в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Значения скорости начала псевдоожижения твердых частиц определялись общепринятым методом [26].
При неизменном расходе воздуха измеряли распределение локальных коэффициентов теплоотдачи вдоль теплообменника 15, погруженного в псевдо-ожиженную среду. Затем в том же режиме псевдоожижения проводили гидродинамические исследования с «холодной» моделью теплообменника. Координатным устройством 16 изменялось расстояние от нижнего торца теплообменника или его «холодной» модели до газораспределителя 2. «Холодная» модель теплообменника - тонкостенная латунная трубка наружным диаметром 0,042 м и высотой 0,6 м. Конструкция теплообменника и «холодной» модели позволяла заменять обтекатели для выявления влияния формы нижней поверхности обтекателя на исследуемые эффекты. В опытах использовались плоский, конический и сферический обтекатели (рис. 2.7). среднего времени пребывания магнитомеченной частицы в пристенной области погруженного в псевдоожиженную среду цилиндра был разработан и применен экспериментальный метод регистрации импульса маг-нитомеченной частицы, движущейся в,этой области, с помощью четырехка-нального магнитометра 25. Каждый из каналов состоял из двух частей: электронной (измерительной) и магниточувствительной (датчик). Чтобы предотвратить возможное взаимное электромагнитное влияние каналов, их генераторы настраивались на частоты 5; 5,5; 6 и 7 кГц. Датчики 26 магнитометра устанавливались внутри погружаемого в псевдоожиженную среду цилиндра на уровне размещения горячих спаев термопар теплообменника. Датчик имел три обмотки (возбуждения, измерительную и компенсационную) на текстолитовом каркасе с сердечником, залитым эпоксидным клеем, с надетым сверху фторопластовым футляром. Сигнал от магнитомеченной частицы поступал на один из датчикові магнитометра, записывался шлейфовым осциллографом 27 типа Н 008М на фотобумагу. Блок питания типа П001.
Была выбрана схема градиентометрического феррозонда для помехоустойчивости, измерений и резкого уменьшения чувствительности датчиков на границе локальной пристенной области цилиндра. Глубокой обратной связью порог чувствительности датчиков устанавливался соответствующим границе локальной пристенной области цилиндра. Согласно [259,262,506], толщина пристенной области погруженного в псевдоожиженную среду тела от двух до пяти размеров твердой частицы. Поэтому порог чувствительности датчиков устанавливался в зависимости от эквивалентного диаметра ожижаемых частиц. Динамические характеристики измерительной системы приведены в приложении Ш.
