Разработка методов расчета вихревого аппарата для тепло- и массообменных процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Паршин, Олег Анатольевич

• Паршин, Олег Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Паршин, Олег Анатольевич

Основные условные обозначения

Введение

ГЛАВА I . Современный уровень теории и практики построения вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками.

1 . 1 Структура потоков.

1 . 2 Типы течений газа.

1.3 Поля скоростей и турбулентности

1.4 Методы расчета аэродинамики.

1.5 Применение вихревых аппаратов для проведения тепло- и массообменных процессов

ГЛАВА II. Аналитическое исследование структуры потоков и взвешенного закрученного кольцевого слоя дисперсного материала в вихревом аппарате

2 . 1 Зависимость относительного параметра крутки от кратности расхода

2 . 2 Зависимость потери давления от основных режимно-конструк-тивных параметров вихревого аппарата

2.3 Эффективность улавливания материала вихревого аппарата

2.4 Удерживающая способность вихревого аппарата

ГЛАВА III. Экспериментальное исследование вихревого аппарата со встречными закрученными потоками для тепло- и массообмен-ных процессов

3 . 1 Описание экспериментального стенда

3.2 Исследование удерживающей способности взвешенного закрученного кольцевого слоя материала

3.3 Исследование времени пребывания материала в вихревом аппарате

3.4 Коэффициент гидравлического сопротивления вихревого аппарата

3.5 Эффективность улавливания дисперсного материала в вихревом аппарате при различных типах течения

ГЛАВА IV. Методика расчета основных режимно-конструктивных параметров вихревого тепло- и массообменного аппарата

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета вихревого аппарата для тепло- и массообменных процессов»

Первоначально вихревые аппараты со встречными закрученными потоками, работающие на принципе вымывания частиц материала из внутреннего, идущего вверх закрученного газового потока во внешний, идущий вниз закрученный поток, появились как тепломассообменники. Первые исследования на возможность проведения в вихревом аппарате (ВА) тепло- и массообменного процесса сделали Е. Шау-флер и X. Ценнек в ФРГ в 1963 году [1] . В нашей стране в МГТУ им. А.Н. Косыгина, МИХМе, ВНИПИЧЕО и других организациях проводились, в основном, исследования аппаратов со встречными закрученными потоками, направленные на создание высокоэффективных пылеуловителей. Наибольшие успехи были достигнуты в МГТУ им. А.Н. Косыгина, сотрудниками которого разработаны и внедрены в различные отрасли промышленности сотни вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками.

Одновременно в НИИХИММАШЕ и МГТУ им. А.Н. Косыгина под руководством академика, профессора B.C. Сажина проводились экспериментальные и теоретические исследования, направленные на создание вихревых аппаратов, способных совмещать высокоэффективное проведение тепло- и массообмен-ных процессов (грануляция, сушка, сепарация, сжигание и др.) с одновременным улавливанием дисперсной фазы.

Возможность применения вихревых аппаратов для проведения тепло- и массообменных процессов обусловлена тем, что вихревые аппараты обладают управляемой в широких пределах активной гидродинамической характеристикой и структурой течения в рабочей камере. Локальные и интегральные свойства встречных закрученных потоков в ВА чрезвычайно многообразны. Варьируя совокупность его режимных и конструктивных параметров, можно управлять структурой и характером течения в нем, подбирать эффективные и благоприятные условия не только для процесса разделения фаз, но и для их взаимодействия. Например, в одном и том же аппарате возможна либо кратковременная обработка дисперсного материала с одновременным высокоэффективным улавливанием, либо длительная обработка со значительным временем пребывания материала в аппарате.

Настоящая диссертационная работа направлена на исследование влияния режимных и конструктивных параметров ВА на структуру двухфазных потоков в нем, их основных характеристик, имеющих важнейшее значение для реализации того или иного тепло- и массообменного процесса с одновременным улавливанием дисперсной фазы. В работе предлагается методика гидравлического расчета ВА для проведения тепло- и массообменных процессов, которая может способствовать созданию новых, высокоэффективных образцов вихревых аппаратов для тепло- и массообменных процессов.

Исследования проводились в лаборатории кафедры ПАХТ МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Цель работы. Исследование вихревого аппарата со встречными закрученными потоками с целью определения удерживающей способности, функции распределения времени пребывания, эффективности улавливания в режиме взвешенного закрученного кольцевого слоя (ВЗКС) дисперсного материала; расчет основных узлов ВА и его рациональных схем; разработка метода расчета вихревых аппаратов, предназначенных для тепло- и массообменных процессов; создание методики гидравлического расчета ВА для тепло- и массообменного процесса.

Научная новизна. Исследована теоретически и экспериментально удерживающая способность дисперсного материала в ВЗКС. Установлена ее зависимость от основных параметров (плотность материала, плотность газа, средняя скорость, диаметр сепарационной камеры, геометрические параметры завихрителей и др.).

Разработана специальная новая методика получения Г-кривой отклика и исследована функция распределения времени пребывания материала в ВА, структура потоков в ВЗКС описана ячеечной моделью с числом ячеек 4. Исследована теоретически и экспериментально удерживающая способность дисперсного материала в ВЗКС.

Установлена зависимость между фракционной эффективностью улавливания ВА и его коэффициентом гидравлического сопротивления при наличие ВЗКС дисперсного материала.

Разработана новая методика гидравлического расчета и программа расчета вихревого аппарата, предназначенного для проведения тепло- и массо-обменных процессов.

Практическая ценность. Получены инженерные формулы для расчета ВА предназначенного для тепло- и массообменного процесса.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками для организации в них тепло- и массообменных процессов (сушки, термообработки, грануляции, и др.).

Разработанные методики и программы выбора и расчета вихревого аппарата дают основу для расширенного их применения в химической, текстильной и других отраслях промышленности.

Методики и программы расчета ВА, разработанные в диссертации, используются в учебном процессе и научной работе кафедры ПАХТ и БЖД МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложений. В первой главе проведен анализ литературных источников по проблеме применения вихревых аппаратов для тепло- и массообменных процессов, а также даны основные методы аэродинамического расчета ВА, приведены примеры применения вихревых аппаратов в качестве тепломасообменников.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Паршин, Олег Анатольевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследована структура потоков в вихревом аппарате и область его режимных и конструктивных параметров, в которой существует взвешенный закрученный кольцевой слой материала.

Теоретически и экспериментально установлена зависимость удерживающей способности взвешенного закрученного слоя дисперсного материала от режимных и конструктивных параметров. Удерживающая способность оказывается достаточной для получения значительного времени пребывания материала в вихревом аппарате, при котором можно успешно реализовывать целый ряд технологических задач.

Разработана специальная методика получения Е-кривых отклика с целью изучения функции распределения времени пребывания дисперсного материала в взвешенный закрученный кольцевой слой материала. Было установлено, что работа вихревого аппарата при таком режиме соответствует ячеечной модели с числом ячеек идеального перемешивания 4.

Теоретическое и экспериментальное исследование эффективности улавливания вихревым аппаратом дисперсного материала в режиме взвешенного закрученного кольцевого слоя показало, что эффективность сильно зависит от кратности расхода и изменяется от максимально возможной (при режиме эффективного улавливания) до нуля (в конце области существования взвешенный закрученный кольцевой слой материала).

Изучено гидравлическое сопротивление вихревого аппарата работающего в режиме взвешенного закрученного слоя дисперсного материала. Получены теоретические зависимости для гидравлического сопротивления вихревого аппарата, подтвержденные экспериментально.

По результатам выполненных исследований разработана методика гидравлического расчета вихревого аппарата для тепло- и массообменных процессов . В предложенной методике можно рассчитать основные режимные (расход газа, кратность расхода, удерживающую способность, время пребывания, потери давления, эффективность улавливания) и конструктивные параметры (диаметр вихревого аппарата, диаметр выхлопной трубы, геометрические параметры завихрителей первичного и вторичного ввода, высоту вихревого аппарата). Для данной методики разработан алгоритм и программа расчета .

Разработанные методики и программы расчета ВА используются в учебном процессе и научной работе кафедры ПАХТ и БЖД МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Паршин, Олег Анатольевич, 2000 год

1. Schauffler E., Oehlrich K.H., Schmidt K. // Staub. 1963. Bd. 23. № 4. S. 228-230.

2. Векуа Т.Ю. Исследование гидродинамики многофункциональных аппаратов со встречными закрученными потоками, канд. дисс. М. , 197 9.

3. Джохадзе З.И. Разработка аппарата со встречными закрученными потоками для осуществления адиабатического охлаждения воздуха, канд. дисс. М.: МТИ, 1983.

4. Земляков Н.В. Разработка аппарата для осуществления процесса грануляции пылевидных материалов во встречных закрученных потоках, канд. дисс. М.: МТИ, 1981.

5. Лукачевский Б.П. Исследование процесса сушки дисперсных тонкопористых материалов в аппаратах со встречными закрученными потоками, канд. дисс. М.: МТИ, 1978.

6. Попов И.А. Исследование гидродинамики в аппаратах со встречными закрученными потоками, предназначенными для сушки волокнообра-зующих материалов, канд. дисс. М., 1979.

7. Фокин И.Ф. Исследование процесса сушки и разработка рациональной конструкции аппаратов для сушки дисперсных материалов в закрученных потоках, канд. дисс. М.: МТИ, 1981.

8. Чувпило Е . А. Автореф. дис. к.т.н. Иваново, 1975. 24 с.

9. Серов Е.Ю. Повышение эффективности систем обеспыливания воздуха в производстве льняного волокна. Канд. дисс. М.: МТИ. 1988.

10. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Ярославль, 1971. 94 с.

11. Карпухович Д.Т. Высокоэффективный циклон СЦН-40. Информ. листок. Ярославский территориальный центр НТИ. 1985. 2 с.

12. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат. 1981. 296 с.

13. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1982. 312 с.

14. Банит Ф.И., Мальгин АД. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов. М.: Стройиздат, 1979. 352 с.

15. Биргер М.И. и др. Справочник по пыле- и золоулавливанию / Под ред. А.А. Русанова. М.: Энергоатомиздат, 1983. 312 с.

16. Русак О.Н., Милохов В.В. Борьба с пылью на деревообрабатывающих предприятиях. М.: Лесная промышленность, 1975. 152 с.

17. Оборудование, ремонт, техника безопасности и организация труда в очистительных цехах хлопкозаводов. Обзорн. информ. Уз-НИИНТИ, 1981. 88 с.

18. Штокман Е.А. Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности. М. : 1977. 304 с.

19. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. М.: Металлургия, 1977. 328 с.

20. Вальдберг А.Ю., Кирсанова Н.С. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1985. № 4. с. 35 .

21. Падва В.Ю. // Водоснабжение и санитарная техника. 1968. № 4. с. 6-10.22. Пат. 1208163 ФРГ, 1953.

22. Сажин B.C., Гудим Л.И. Пылеуловители со встречными закрученными потоками. Обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ, 1982. Вып. 1. 4 7 с.

23. Klein Н. // Staub. 1963. Bd. 23. № 11. S. 501-509.

24. Янков В., Дичев И. // Техническа мисъл. 1971. Т. 8. № 1. с. 95-102.

25. Ciliberti D., Lancaster В. // Chem. Eng. Sei. 1976. V. 31. № 8. P. 499-503.

26. Кречин Ю.В., Соловьев В.И., Жилинский А.Н. // Научные труды ВНИПИчерметэнергоочистка. М.: Металлургия, 1969. Вып. 11-12. с. 36-38.

27. Успенский В.А., Соловьев В.И. // ИФЖ. 1970. Т. 18. № 3. с. 459-4 66.

28. Успенский В.А., Соловьев В.И., Гурьев B.C. // ИФЖ. 1971. Т. 20. №6. с. 1078-1081.

29. Кречин Ю.В. и др. // Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефте-маш, 1976. № 1. с. 24-25.

30. Успенский В.А., Гурьев B.C., Уваров В.А. // Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. № б. с. 9-10.

31. Успенский В.А., Уваров В.А., Весель-ман С.Г. // Промышленная и санитарная очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 197 9. №2. с. 11-13.

32. Мухутдинов Р.Х., Маслов В.К., Корнила-ев П.И. // Промышленная и санитарная очистки газов. 1980. № 3. с. 9-10.

33. Berichte der deutsche Keramische Geselsc-haft. 1970. № 4. S. 270.

34. Podgorski W. // Budownictwo gomiczo-prze-myslowe i kopalnictclud. 1975. № 2. P. 1-11.

35. Фролов E.B., Щургальский Э.Ф., Шитиков Е.С. // Промышленная и санитарная очистка газов. 1984. № б. с. 10-11.

36. Сажин B.C., Гудим Л.И., Векуа Т.Ю., Суровое М.В. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1984. № б. с. 66-68.

37. Белоусов A.C. Структура встречных закрученных потоков и расчет центробежного разделения газовзвесей. канд. дисс. М.: МТИ, 1986. 225 с.

38. Серов Е.Ю., Чумаков А.Г. // Сб. научных трудов ИТФ. Новосибирск, 1989. с. 229-233.

39. A.c. СССР 1516985. 01P3/36. Б.И. № 39, 1989.

40. Hejma J. // Einflub der turbulenz and den Abscheidevorgang im Zyklon. Staub

41. Reinhaltung der Luft. 1971. Bd. 31. № 7. S. 290-295.

42. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. 744 с.

43. Сажин B.C., Лукачевский Б.П., Джунисбе-ков М.Ш. и др. // ТОХТ. 1 985. Т. XIX. № 5. с. 687-690.

44. Сажин B.C., Лукачевский Б . П . , Гудим Л.И. и др. // Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для технологических процессов. Тез. докл. Всесоюз. науч. техн. совещания. М., 1977. с. 9-11.

45. Сажин B.C., Попов И.А., Векуа Т.Ю. и др. / / Повышение эффективности тепломассооб-менных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон. Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. М., 1970. с. 42-43.

46. Сажин B.C., Гудим Jl. И., Кикалишвили О. И. и др. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1986. № 1. с. 78-90.

47. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. с. Збб.

48. Успенский В.А. Теория, расчет и исследование вихревых аппаратов очистных сооружений. Автореф. дисс. докт. техн. наук М.: МИХМ, 198 4. 3 2 с.

49. Успенский В.А., Мошкина Л.Д., Сахарова В.В. // ТОХТ. 1977. Т. 11. № 3. с. 417-421.

50. Горячев В.Д., Чернышев В.В., Корпев Г.П. // Известия вузов. Энергетика. 1984. № 3. с. 67-72.

51. Launder В.Е., Spalding D.B. // Сотр. Meth. In Appl . Mech. and Eng. 197 4 . № 3 P. 269.

52. Шургальский Э.ф. Математическая модель вихревого аппарата, учитывающая влияние дисперсных частиц на гидродинамику несущей фазы. Расчет, конструирование и исследование машин, аппаратов и установок химических производств. М.: МИХМ, 1982. с. 53-57.

53. Даниленко Н.В. Разделение пылегазовых смесей в аппаратах вихревого типа. канд. дисс. М.: МИХМ, 1988. 155 с.

54. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. с. 468.

55. Велоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. с. 391.

56. Гурьев B.C., Успенский В.А. // Промышленная и санитарная очистка газов. 1975. № 4. с. 9-11.

57. Сажин B.C., Чувпило Е.А. Типовые сушилки со взвешенным слоем материала. М. : ЦИНТИ-химнефтемаш, 1975. 72 с.59. Пат. 1092282 ФРГ, 1953.

58. Ладыжский В.Н. Исследование гидродинамики и разработка эффективной системы улавливания в аппаратах со встречными закрученными потоками применительно к волокнооб-разующим полимерам. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: МТИ, 1979. 20 с.

59. Ein Wiгkungsvaller Drehtstromentstauber Chemische Rundschau. 1970. Bd. 23. № 46.

60. Budinsky K. // Die Bewegung der festen Teilchen im Drehströmungsentstauber. Stanb Reinhaftung der Luft. 1972. Bd. 32. №3. S. 87-91.

61. Сажин B.C., Гудим Л.И. Вихревые пылеуловители. М.: Химия, 1995. 144 с.

62. Сажин B.C. и др. // Материалы восьмого Всесоюзного научно-технического совещания по энерготехнологическим циклонным комбинированным и комплексным процессам. М.: МЭИ, 1974. с. 59-62.

63. Фролов Э.В., Шитиков Е.С. К вопросу о гидравлическом сопротивлении вихревых пылеуловителей. М.: МИХМ. 1984. с. 49-52.

64. Горячев В.Д. // Известия вузов. Энергетика, 1980. № 2. с. 49-55.

65. Белоусов A.C. // Современные проблемы развития текстильной промышленности и задачи подготовки инженерных кадров. Тез. докл. научной конференции МТИ. М., 1982. с. 122.

66. Белоусов A.C. // Методы кибернетики в химии и химической технологии. Тез. докл. второго Всесоюзного совещания-семинара молодых ученых. Грозный. 1984. с. 48.

67. Шургальский Э.Ф. // Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств. Тез. докл. Все-союз. науч. конф. Харьков, 1985. с. 8-9.

68. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1971. 784 с.

69. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия. 1985. 448 с.

70. KleinH., SchmidtP. Verfahrenstechnik. 1971. Bd. 5. № 8. S. 316-319.

71. Гудим JI.И. // Промышленная и санитарная очистка газов. 1984. № 4. с. 13.

72. Гудим Л.И., Журавлева Т.Ю., Маркин В.В. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1985. № 1. с. 117-119.