WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Для сопоставления результатов и получения более детальных данных по кинетике сушки использовалась большая циркуляционная сушилка (БЦС).

Исследовались виды и варианты ВТ трех типов, семи вариантов:

1) ВТ Меркулова со слабо конической внутренней поверхностью: внутренний диаметр 15,9…24,3 мм, длина трубы 164 мм, три тангенциальных сопла с площадью поперечного сечения 15,75 мм2, диаметры диафрагм 6 мм, 8 мм, 13,1 мм (рис. 2, поз. а); 2) ВТ Nex Flow 40 (H, С): внутренний диаметр 11 мм, длина трубы 110 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 19,2 мм2, H – диаметр диафрагмы 9,1 мм, C – диаметр диафрагмы 6,3 мм (рис. 2, поз. b);

3) ВТ Nex Flow 4 (H, C): внутренний диаметр 4,6 мм, длина трубы 70 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 4,8 мм2, H – диаметр диафрагмы 2,8 мм, C – диаметр диафрагмы 2 мм (рис. 2, поз. с).

Четвертая глава посвящена исследованию технических характеристик вихревых труб и изучению возможности проведения процесса сушки с вихревой трубой.

Проводились серии экспериментов с вихревыми трубами, в которых измерялись все характеристики труб в штатном режиме и в однопоточных режимах (при закрытом дросселе и при заглушенной диафрагме). Диапазон давлений был от 0,1 до 0,6 МПа с шагом в 0,1 МПа.

Расход воздуха на входе и выходах Рис. 2. ВТ Меркулова, ВТ Nex Flow 40, в ВТ пересчитывался в зависимости от ВТ Nex Flow 4 температуры воздуха, после чего считалась доля «холодного» потока . После обработки полученных данных рассчитывалась погрешность материального баланса и теплового баланса (суммарного и по потокам) , % и пот, % соответственно.

В результате были получены основные характеристики ВТ: расходы, давления и температуры входного, горячего и холодного потоков, а также дополнительно давление потока перед дросселем. В диссертации приведены таблицы первичных экспериментальных данных для всех опытов (более 300).

Эксперименты по сушке проводились на образцах лака Рубинового СК, получаемого на основе соответствующего азопигмента (ОАО «Пигмент», г. Тамбов), а также на послеспиртовой барде (Ново-Лядинский спиртзавод, Тамбовская обл.) в тонких плоских слоях на различных подложках. Они позволяют выяснить кинетические типы сушки, найти коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки и другие характеристики, необходимые для расчета и проектирования сушилки.

Диапазоны температур и скоростей обдувающего воздуха составляли на БЦС от 60 до 120 С и от 4 до 6 м/с, на лабораторной сушилке с ВТ подбирались сопоставимые параметры (рис. 3 – 5). В работе также приведены первичные таблицы результатов.

Подтвержденное экспериментально сходство кинетических кривых сушки позволяет использовать данные, полученные на БЦС, и применять метод расчета, развиваемый на кафедре «Технологические процессы и аппараты» ТГТУ и полу6 3) «горячий» поток Ghot выводится из трубы через выходной дроссель (задвижку), через кольцевую щель или открытую часть задвижки;

4) «холодный» обратный поток Gcold : движется от края дросселя, по центру, обратно к улитке с изменением давления от pcold in pvalv до porif ; вид потока – устойчивая центральная струя увеличивающегося диаметра;

5) «холодный» поток Gcold выводится из трубы через центральное отверстие диафрагмы после прохождения всей трубы в обратную сторону в виде центрального вихревого-винтового «шнура» со сбросом давления от рorif до атмосферного рout.

Решающим при расчете будет правильный выбор определяющих сечений F и, соответственно, расчетных («активных») скоростей w, входящих (косвенно через величины G и F) в уравнение (4) в квадрате и изменяющихся по участкам вихревой трубы в десятки раз, а также диаметров D и длин участков или траекторий потоков L, входящих в диссипативный множитель выражения Дарси-Вейсбаха в правой части уравнения (4).

Система исходных уравнений для вихревой трубы в целом будет включать базовые уравнения вида (4) по числу выделенных гидравлических участков по отдельности или их сумм по участкам вихревой трубы.

Кроме того, необходимо выписать все общие замыкающие эту систему соотношения:

общий баланс массы: Gвх Gгор Gхол; (5) баланс массы по потокам: iwiFi const, (6) откуда при известных сечениях и плотностях определяются скорости течения;

баланс по перепадам давлений общего и по участкам:

pн pкобщ pкi, pн,i pк,i1, (7) pн откуда из физических соображений должны находиться давления по участкам при известном общем перепаде давлений.

Сначала требуется определить «промежуточные» статические давления на границах участков трубы.

Давления на участках раздуваемой эластичной трубы будут определяться сопротивлениями мысленных пористых перегородок между этими участками. Тогда будет обоснованно предположить, что перепады статических давлений, например, между первыми тремя участками p1, 2, 3 (завихритель, горячий поток и дроссель) будут относиться между собой как «чистые» гидравлические сопротивления участков p1, 2, 3, рассчитанные без учета термодинамического расширения при фактических скоростях и плотностях газа по уравнению Дарси-Вейсбаха для местных сопротивлений и трения в функциях скоростных напоров на этих участках:

iLi iwi2 pi (8) i Di 2.

Тогда получаем дополнительное замыкающее соотношение для промежуточных давлений в вихревой трубе при известном общем перепаде pin pout по длине вихревой трубы (9, 10) и их соотношение между собой:

9 ( pin psw.out ) ( psw.out pvalv) ( pvalv pout ) pin pout (9) или p1 + p2 + p3 = p, т.е. (10) ( pin psw.out ) ( psw.out pvalv ) ( pvalv pout ) 2 2 2 G1 RT1 1L1 G2 RT2 2L2 G3 RT3 3L3 (11) 1 2 3 D1 D2 D3 F12 F22 F32 или p1 / p2 / p3 = 1 / 2 /3, (12) где 2 2 2 G1 RT1 1L1 G2 RT2 2L2 G3 RT3 3L3 1 1; 2 2 3 3 (13) D1 D2 ; D3 ;

F12 F22 F32 p1 pin psw.out ; p2 psw.out pvalv; p3 pvalv pout. (14) Обозначим также известную сумму соотношений этих сопротивлений 1 + 2 + 3 = . (15) Имея суммы перепадов давлений (10) и их соотношений (15), сами перепады p1,2,3 вычисляем из пропорций по уравнению p1, 2,3 , (16) 1, 2,3 а затем по этим перепадам из (14) находим сами два неизвестных промежуточных давления psw.out и pvalv на участках вихревой трубы (в данном примере – при заглушенной диафрагме).

Аналогичная процедура проделывается с участками 1–2–4–5 для закрытого дросселя. Это позволяет перевести промежуточные давления в разряд известных и уменьшить число неизвестных при обработке данных.

Таким образом получены следующие расчетные уравнения гидравлических сопротивлений по участкам:

для завихрителей 2 GinRTin pin 2 2 pin psw.out sw 2ln ; (17) 2 psw.out Fnoz, для горячего периферийного потока 2 phot in Ghot RThot screw hot Lscrew hot 2 2 phot in phot out 2ln ; (18) 2 Dhot jet phot out Fhot jet для дросселя 2 Ghot RThot pvalv 2 2 pvalv pout 2ln ; (19) 2 pout Fact.valv valv 10 для центрального холодного потока 2 pcold in GcoldRTcold screw Lscrew cold cold 2 2 pcold in porif 2ln ; (20) 2 Dcold jet porif Fcold jet для диафрагмы 2 pcold orif GcoldRTcold 2 2 pcold orif pout 2ln (21) 2 pout .

Fact.orif orif Для нахождения коэффициентов аппроксимации при обработке экспериментальных данных используется схема перебора вариантов из возможного диапазона изменения неизвестных и коэффициентов их аппроксимаций для каждого из проделанных опытов, поскольку линеаризовать систему исходных уравнений не удается.

Расчетные уравнения для однопоточных схем ВТ составляются из сумм вышеприведенных соотношений для их элементов:

для трубы с заглушенной диафрагмой 2 GinRTin pin 2 2 pin pout 2ln 2 psw.out Fnoz. sw 2 2 Ghot RThot screw Lscrew psw.out Ghot RThot pvalv hot hot 2ln 2ln (22) 2 Dhot jet pvalv 2 valv pout ;

Fhot jet Fact.valv для трубы с закрытым дросселем 2 2 GinRTin pin Ghot RThot screw Lscrew psw.out hot hot 2 2 pin pout sw 2ln 2ln 2 psw.out 2 jet Dhot jet pvalve Fnoz. Fhot 2 2 pcold orif GcoldRTcold screw Lscrew pvalv Ghot RThot cold cold 2ln orif 2ln 2 Dcold jet pcold orif 2 pout .

Fcold jet Fact.orif (23) В уравнении (22) – семь неизвестных: anoz.sw, bnoz.sw, nnoz, zz, avalv, kvalv, zresp.valv;

в уравнении (23) – 11 неизвестных, но из них только четыре не входят в уравнение (22): korif, norif, zact, zresp.orif. Остальные семь уже получены из обработки первой серии.

Для проверки можно получить все 11 неизвестных и сравнить с ранее полученными из первой серии в других условиях.

Например, для серии с трубой Меркулова с диафрагмой 8 мм получены следующие значения коэффициентов сопротивлений при заглушенной диафрагме:

anoz.sw = 0,45; bnoz.sw = 0,1; nnoz = 0,2; sw = 1,36; zz = 2,5; hot = 0,025; avalv = 0,55;

kvalv = 0,6; zresp.valv = 0,5; valv = 1,2; calcp = 9,3%.

Для этой же серии при закрытом дросселе недостающие четыре коэффициента получены равными: cold = 0,0125; korif = 1; norif = 0,5; orif = 0,81; zact = 0,2;

zresp.orif = 0,65; calcp = – 2,9%.

Как для этих однопоточных серий, так и для штатного режима работы трубы получены близкие значения с погрешностью по разнице квадратов давлений около 15%.

Тепловой (термодинамический) расчет наиболее объективно проводить на базе: 1) «тормозного» нагрева; 2) расширительного охлаждения; 3) вязкостной диссипации. Для учета отклонений от действительности вводится «коэффициент реальности» kreal, который имеет иной смысл, чем КПД и может быть больше, меньше или равен единице.

1) «Тормозной» нагрев или температура адиабатического торможения Т0 = Таd. Температуру Тad принимает газ с температурой Т и скоростью w при полном адиабатном торможении до нулевой скорости (за счет превращения кинетической энергии потока в тепловую).

Для идеальных газов w Tad T . (24) 2cp Воздух в наших условиях можно считать идеальным газом.

Из (24) получаем при начальной температуре воздуха на входе T = 20 °С и теплоемкости cp = 1006 Дж/(кг · °С) для скоростей 50…1000 м/с предельные температуры торможения:

w, м/с 50 100 200 300 331 400 500 600 700 800 900 10Таd, С 21,2 25 39,9 64,7 74,5 99,5 144,3 198,9 263,5 338,1 422,6 5Это намного ниже температур нагрева в ВТ и таким образом, несмотря на физическую ясность и очевидную достоверность теоретической термодинамической зависимости (24), расчет реальных температур нагрева потока, которые должны наблюдаться в вихревых трубах, оказывается невозможным и нужно вводить упомянутый «коэффициент реальности»:

Tstand.temp Tadkreal. (25) 2) Расширительное охлаждение в процессе типа детандерного также оказывается в известном смысле в вихревых трубах «умозрительным», так как газ при этом должен совершать внешнюю работу. Однако дросселирование для воздуха вообще отсутствует и приходится выбирать за базу изоэнтропическое расширительное охлаждение.

Теоретически при изоэнтропном расширении идеального газа T2 T1 p2 p1(k 1) k, T2 T1p2 p1(k 1) k. (26) Для наиболее используемого диапазона давлений в вихревых трубах 1…6 атм получаем:

p1, МПа 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,T2, °С –32,6 –58,9 –75,8 –88,0 –97,4 –105,Это, наоборот, намного превышает реальный эффект. Таким образом, и здесь не обойтись без «коэффициента реальности»:

Texp.cool Tskreal. (27) (Для работы ВТ на воде нет ни детандерного, ни дроссельного эффектов!).

3) Вязкостная диссипация: для воздуха предположительно имеет место дополнительно к трению и местным сопротивлениям, для воды также возможна. Это наиболее сложный и неясный вопрос.

Мощность, затрачиваемая на сжатие газа (без потерь в компрессоре), выражается соотношениями:

для адиабатического сжатия pк (k 1) k k Ns Vн pн 1, Вт; (28) k 1 pн для изотермического сжатия pк Nт Vн pн ln , Вт. (29) pн В испытанных нами трубах расходы лежат в пределах 0,005…0,030 кг/c.

При сравнении величин мощностей на адиабатическое и изотермическое сжатие для расходов воздуха Gвх = 0,01 кг/c, при давлении на выходе из вихревой трубы 1 ата были получены следующие результаты:

pк, МПа 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,Ns, Вт 636,2 1071 1412 1696 1942 21Nт, Вт 575,3 911,8 1151 1336 1487 16Ns – Nт, Вт 60,9 159,2 261 360 455 5При адиабатическом сжатии расходуемая мощность больше на 10…25%, чем при изотермическом, что объясняется дополнительным расходом энергии на нагрев (которая отводится охлаждением в компрессорной установке). При полном преобразовании этой энергии в тепло нагрев воздуха будет составлять около 50…200 °С (данных по воде нам найти не удалось).

Получаем оценку дополнительного тепловыделения в «условном» виде:

Nad.diss Ns kreal или Nad.diss Nтkreal, (30) которая легко пересчитывается в температуры дополнительного диссипативного нагрева Tad.diss.

«Коэффициенты реальности» находятся обработкой экспериментальных данных на базе подтверждаемых и непротиворечивых физико-теоретических соображений.

Например, в наших экспериментах для температур 110…120 °С они составляли: kreal stagn temp = 1,8…2,2 (на °С), т.е. реальный нагрев существенно выше (при этом скорости на выходе из улитки были 120…200 м/с при давлениях 4…4,5 атм);

kreal exp cool = 0,2…0,25, т.е. здесь, наоборот, теоретическое «детандерное» охлаждение должно давать перепад температур в 4–5 раз больше; при этом доля горячего потока составляет всего 10…20% от общего; оценка дополнительных диссипативных потерь kreal add diss = 10…15% от мощности компрессора Ns или Nт – весьма предположительная.

В шестой главе рассмотрены задачи разработки вихревых труб с требующимися параметрами и возможности совершенствования сушильных и других технологических процессов и оборудования с ВТ.

Основное внимание для химической промышленности сосредотачивается при этом на следующем: 1) перспективах использования «горячего» потока из вихревой трубы, так как в настоящее время чаще изучаются возможности применения «холодного» потока в специфической технике сублимационной сушки; 2) повышении температуры воздуха до 120…150 С и выше, так как в настоящее время температуры обычно не превышают 100 С; 3) возможности принципиального увеличения производительности при одновременном снижении требующегося давления воздуха (газа) на входе; 4) получаемые расходы должны обеспечивать достаточные скорости воздуха в рабочих каналах и камерах сушилок с размерами 300…500 мм и выше; 5) требующиеся напоры должны обеспечиваться выпускаемыми вентиляторами (дымососами), а не компрессорами; 6) весьма желательна разработка и применение экономичных воздушных инжекторов для питания вихревой трубы, подсасывающей циркулирующий воздух (также возможно вихревого типа).

По результатам проведенных исследований и на основании сопоставительного анализа энергоресурсосберегающих схем была разработана схема высокотемпературной сушки пигментов с вихревой трубой в цехе № 15 ОАО «Пигмент» (рис. 7). В работе приведена также схема экспериментального стенда, рекомендованного к установке на производственной линии, для проверки и сопоставления восьми вариантов проработанных решений по водо- и газосбережению (Отчет ТГТУ по НИР № 08/04, этапы 2 и 3, 2005 г.).

Рис. 7. Схема распылительной сушки пигментов с вихревой трубой и поверхностным пылеуловителем ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выполнена систематизация, даны обзор и анализ разновидностей энерготехнологического обеспечения, путей и способов энергосбережения, обзор общих особенностей и экспериментальной техники по вихревым трубам; выполнен обзор и приведены примеры промышленного оборудования и технологий экономии энергии при тепловой сушке; рассмотрены возможности применения вихревых труб Ранка-Хилша в химических технологиях с целью энергосбережения, позволившие поставить задачу необходимости выполнения работ по созданию типов вихревых труб с увеличением производительности, повышением температуры и снижением необходимого давления, а также экспериментальной проверки для всех конкретных случаев.

2. Создана экспериментальная установка с вихревой трубой и проведено более трехсот экспериментов, позволяющие изучить влияние конструктивно-техно- логических особенностей вихревых труб различного типа на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации.

3. Отработана методика экспериментальных работ и обработки опытных данных, включающая составление и анализ материальных и тепловых балансов для каждого опыта, выполнение специальных «однопоточных» экспериментов с закрытым дросселем, с заглушенной диафрагмой и в штатном режиме с последующей обработкой результатов по сериям, обеспечивающей наименьшую среднестатистическую погрешность для каждого вида вихревых труб.

4. Впервые разработан и предложен метод инженерного расчета вихревых труб, основанный на анализе методов газогидро- и термодинамики для процессов такого рода и применении этих методов к вихревым трубам, а также на результатах выполненных экспериментов с семью конструктивными вариантами вихревых труб трех типов. Получено уравнение разности квадратов давлений по элементам ВТ, учитывающее расширение сжимаемой среды, применительно к вихревым трубам. Предложены основы теплового расчета на базе трех проверенных эффектов нагрева–охлаждения: тормозной нагрев, изоэнтропическое расширительное охлаждение газа и частичная диссипация затраченной мощности, с введением «коэффициентов реальности», отличающих реальный процесс от базового эффекта. На основе полученных аналитических решений и корреляций разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов вихревых труб.

5. Проведены модельные исследования по сушке и нагреву суспензий пигментов и послеспиртовой барды в тонких плоских слоях на различных подложках, на основе которых были определены кинетические типы сушки, найдены коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки, необходимые для расчета кинетики сушки.

6. Показаны задачи разработки вихревых труб для сушки химических продуктов и возможности совершенствования сушильных процессов и оборудования для обработки дисперсных систем: выбора способа теплотрансформации; расчета размеров и характеристик вихревых труб; расчета кинетики сушки на базе температурно-влажностных зависимостей.

7. Предложено совершенствование сушильных и других технологических процессов и оборудования и изменения технологии с использованием тепла выходящей паровоздушной смеси при помощи ВТ (на примере технологии производства азопигментов), в результате которых достигается экономический эффект 20%.

Рекомендации приняты к реализации в качестве экспериментального материала на ОАО «Пигмент», г. Тамбов.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ – доля холодного потока, %; – погрешность расчетов, %; w – скорость воздуха, м/с; T – температура воздуха, К; G – массовый расход воздуха, кг/с; Q – количество теплоты, Вт; – плотность, кг/м3; – коэффициент трения; D – диаметр, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2; F – площадь, м2; p – давление, Па;

R – универсальная газовая постоянная; – местные сопротивления; L – длина, м;

p – перепад давления на участке, Па; – относительное сопротивление на участке; a, b, n, z, k – коэффициенты аппроксимации; с – теплоемкость; N – мощность, Вт; V – объемная производительность, м3/с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ 1. Современные аналитические подходы к энергосбережению. Интегрированный подход. Пинч-анализ. Луковичная модель / В.И. Коновалов, Т. Кудра, А.Н. Пахомов, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2008. – Т. 14, № 3. – С. 560 – 578.

2. Романова, Е.В. Возможности использования тепловых насосов в процессе сушки / Е.В. Романова, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2008. – Т. 14, № 3. –С. 591 – 596.

3. Романова, Е.В. К вопросу о сушке послеспиртовой барды / Е.В. Романова, А.Ю. Орлов // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов : материалы Междунар. науч.-техн. семинара. – Воронеж : Изд-во ГОУ ВПО «ВГЛТА», 2010. – С. 245 – 248.

4. Коновалов, В.И. Сушка и другие технологические процессы с вихревой трубой Ранка–Хилша: возможности и экспериментальная техника / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Н.Ц. Гатапова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2010. – Т. 16, № 4. – С. 803 – 825.

5. О возможностях высокотемпературной сушки красителей и послеспиртовой барды с вихревой трубой / А.Ю. Орлов, В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, Н.В. Орлова // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ–2011 : тр. Четвертой Междунар.

науч.-практ. конф. – М., 2011. – Т. 1. – С. 381 – 383.

6. Коновалов, В.И. Разработка расчета вихревых труб Ранка–Хилша / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Т. Кудра // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2012. – Т. 18, № 1. – С. 74 – 107.

Подписано в печать 25.04.2012.

Формат 60 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.