Гідродинаміка та тепломасообмін в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу

28

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

МАРТИНЕНКО МАРИНА ПАВЛІВНА

УДК 532.54

ГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН В

ПНЕВМО-ПУЛЬСАЦІЙНОМУ АПАРАТІ КАМЕРНОГО ТИПУ

Спеціальність 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук

Чайка Олександр Ілліч,

Інститут технічної теплофізики НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Нікітенко Микола Іванович,

Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник.

кандидат технічних наук,

Дубровський Віталій Володимирович

Інститут загальної енергетики НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа:

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, теплоенергетичний факультет, м. Київ.

Захист відбудеться 5 липня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 3 червня 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.І. Чайка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

пульсаційний пристрій модель турбулентність

Актуальність теми. Рідинна екстракція цільових компонентів з твердого тіла широко розповсюджена в хімічній, фармацевтичній, харчовій та інших галузях промисловості. В багатьох випадках цей процес є визначальним для техніко-економічних показників виробництва в цілому. Як правило він потребує великих енерговитрат, тривалого часу протікання, а обладнання, в якому він реалізується, має досить значну питому енерго- та металоємність. Підвищення ефективності процесу традиційно досягають шляхом збільшення поверхні контакту фаз; питомої потужності, що витрачається на змішування; підвищення температури та використання токсичних розчинників. Інший підхід базується на принципі дискретно-імпульсного введення та трансформації енергії в рідинних дисперсних системах (ДІВЕ). Його особливість полягає в тому що, просторово-часова структура двохфазного середовища утворює поблизу поверхні розподілу фаз зони концентрованої дисипації енергії, що перевищують дисипацію енергії при звичайних способах її вводу на декілька порядків. Така концентрація енергії викликає на поверхні розподілу фаз великі зсувні напруження, які спричиняють турбулізацію, а також деформацію і руйнування поверхні контакту фаз. При цьому відбувається значна інтенсифікація міжфазного тепломасопереносу, а також масопереносу в капілярно-пористих тілах, з яких екстрагується цільовий компонент.

Детальний аналіз процесів перемішування рідинних середовищ становить надзвичайно складну задачу, вирішену для невеликої кількості найпростішого устаткування. З огляду на це, актуальною є проблема дослідження процесів гідродинаміки та тепломасопереносу при пульсаційному впливі на рідке середовище та створення на цій основі удосконаленого обладнання з застосуванням ДІВЕ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні результати роботи одержані при виконанні проекту державного фонду фундаментальних досліджень України “Дослідження гідродинаміки та процесів тепломасообміну при низькочастотній пневмо-пульсаційній обробці гомо- та гетерогенних середовищ” (номер державної реєстрації №0103U006676), а також робота є узагальненням результатів досліджень, проведених у відповідності з темами науково-дослідних робіт: „Вивчення теплофізичних та гідродинамічних основ дискретно-імпульсного введення енергії з метою створення нанотехнологічних процесів” (№0102U00219), „Дослідити сумісні процеси подрібнення, гомогенізації та дегазації багатофазних рідинних систем” (№0100U004838), “Розробка теплотехнічних основ енергозберігаючих технологій та обладнання для одержання нових видів продукції сухих харчових сумішей та добавок” (№0100U002754).

Мета роботи полягає в проведенні комплексних досліджень гідродинамічних і тепломасообмінних процесів у пневмо-пульсаційних апаратах камерного типу і розробці на цій основі ефективної енергозберігаючої технології та устаткування для екстракції рослинної сировини.

Задачі роботи, виконання яких зумовило досягнення поставленої мети:

1. Створити повну й адекватну фізичну модель процесів тепломасообміну і гідродинаміки в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу та провести апробацію існуючих моделей турбулентності.

2. Провести чисельне моделювання гідродинаміки і теплообміну в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу.

3. Розробити і створити експериментальну установку для проведення лабораторних досліджень та перевірки фізичної моделі процесів тепломасообміну і гідродинаміки в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу.

4. На основі проведених досліджень розробити рекомендації з оптимізації пневмо-пульсаційного екстрактора камерного типу.

5. Оцінити енергетичну та економічну ефективність використання пневмо-пульсаційного устаткування при екстракції рослинної сировини.

Об'єкт дослідження. Пневмо-пульсаційний апарат камерного типу.

Предмет дослідження. Процеси гідродинаміки та тепломасообміну в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу.

Модельні середовища. В якості модельних середовищ в роботі використовувалися при лабораторних дослідженнях - технічна вода, технічна вода + чай; при промислових дослідженнях - вода + етиловий спирт + квітки календули, вода + етиловий спирт + плоди глоду.

Методи дослідження. Для вирішення вказаних задач використовувались чисельний експеримент та експериментальні методи дослідження процесів гідродинаміки і тепломасообміну в пневмо-пульсаційному апараті. Чисельні експерименти здійснювались за допомогою ренормгрупової моделі турбулентності, достовірність одержаних результатів було підтверджено задовільним збігом при співставленні розрахунків з експериментальними даними.

Експериментальні дослідження здійснювалися на ряді спеціально розроблених і створених лабораторних стендів із застосуванням сучасних засобів і методів вимірювання. Застосовано статистичну обробку отриманих даних на ПК. Основні експериментальні установки, що створені:

· Установка для експериментального вивчення процесів гідродинаміки і тепломасообміну при пневмо-пульсаційному впливі;

· Установка для дослідження власних коливань стовпа рідини в каналі;

· Установка для дослідження пружних властивостей гуми;

· Установка для екстракції на основі лопатевого перемішування;

· Дослідно-промислова установка для екстракції лікарських рослин на основі методу ДІВЕ.

З огляду на високі швидкості досліджуваних процесів, виміри проводилися шляхом візуалізації з застосуванням цифрових відео - і фотокамер. Застосовано комп'ютерну обробку отриманого фото- і відеоматеріалу. Характеристики екстрактів визначалися методом спектрофотометрії. Технологічні дослідження здійснювалися на дослідно-промислових установках в умовах реальних виробництв із залученням промислових засобів вимірів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено методику розрахунку тепло- і масообміну в пневмо-пульсаційному апараті на основі ренормгрупової моделі турбулентності. Досліджено вплив на ефективність перемішування глибини занурення труби пульсатора в реактор, режиму роботи одного або двох пульсаторів;

2. Вперше експериментально досліджено залежність швидкості витікання оброблюваного середовища з труби пульсатора в реактор; а також зв'язок між тиском, витратою в трубі пульсатора і періодом власних коливань стовпа рідини в трубі пневмо-пульсаційного пристрою;

3. Отримано експериментальні дані щодо модуля пружності вакуумної гуми й особливостей її застосування в камері пневмо-пульсаційного пристрою типу;

4. Проведено порівняння дії двох типів пристроїв і виявлено, що апарати на основі методу ДІВЕ створюють більш інтенсивний вплив на оброблюване середовище.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична цінність роботи полягає у: розробці методики розрахунку гідродинаміки, тепло- і масообміну в пневмо-пульсаційному апараті на основі ренормгрупової моделі турбулентності, яка може застосовуватися в науково-дослідних і проектних організаціях для вивчення і розрахунків пневмо-пульсаційних апаратів. Надано рекомендацій щодо оптимальних глибин занурення труби в реактор пневмо-пульсаційного пристрою, режимів роботи камери пневмо-пульсаційного пристрою та теплової ізоляції дна і стінок реактора при застосуванні у деяких технологіях екстракції лікарських рослин. Запропоновані й обґрунтовані технічні рішення щодо конструювання камери пульсаційного апарату.

Особистий внесок здобувача. Автор розробила експериментальний стенд, методику розрахункових та експериментальних досліджень; виконала обробку, аналіз та узагальнення експериментальних даних; одержала дані досліджень щодо визначення ефективних геометричних характеристик та технологічних режимів роботи апарата; розробила нові технічні рішення щодо конструювання камери пневмо-пульсаційного пристрою.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на наукових семінарах Балтійського державного технічного університету РАН (г. Санкт-Петербург, 2004); Академії цивільної авіації РАН (г. Санкт-Петербург, 2004); на ІІІ та ІV міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми економії енергії” (Львів, 2001, 2003); всеукраїнській конференції студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „ЕВРІКА - 2003” (Львів, 2003); на науковому семінарі Інституту гідромеханіки НАН України (Київ, 2003); на конференції „Промислова теплотехніка” (Київ, 2003).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 19 наукових працях (в 7 наукових статтях, 1 патенті на винахід, 11 публікаціях в матеріалах конференцій).

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатка. Викладена на 131 сторінці машинописного тексту, враховуючи 74 рисунки та 8 таблиць. Список використаної літератури налічує 62 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано важливість і актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та завдання для її вирішення.

У першому розділі виконано огляд сучасного стану проблеми пульсаційного впливу на рідке середовище, проведено аналіз існуючих досліджень теплофізичних процесів, гідродинамічних та тепломасообмінних явищ при пульсаційній обробці рідинних систем, проаналізовано сучасне устаткування для пульсаційної обробки дисперсних систем.

Виходячи з сучасного стану досліджуваної проблеми, сформульовано задачі, які вирішуються в даній роботі з метою проведення комплексного дослідження гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу.

Наведено оригінальні дані по фізичним механізмам процесів, що мають місце в пневмо-пульсаційних апаратах камерного типу. Принцип роботи апарату наступний: у реактор завантажується оброблюване середовище (суміш екстракту та подібної рослинної сировини) вище рівня труби. На керуючому приладі встановлюється режим подачі команд для управління роботою клапана. Клапан по черзі відкриває доступ газового тракту до ресивера низького і високого тиску. При подачі тиску в крайні ємності камери пульсатора, гнучкі мембрани спрямовуються назустріч одна одній. Об'єм середньої ємності стає мінімальним. При цьому з труби у реактор з прискоренням виштовхується середовище. Коли клапан з'єднує крайні ємності з ресивером вакууму, вони звільняються від повітря. Гнучкі мембрани спрямовуються до бокових конічних поверхонь камер до повного контакту з ними. Об'єм крайніх ємностей стає мінімальним. При цьому з реактора рідке середовище з прискоренням всмоктується в трубу і середню ємність камери пульсатора. Такий цикл багаторазово повторюється.

З метою підтвердження наявності елементів ДІВЕ в пневмо-пульсаційному апараті був проведений фізичний експеримент. Методом візуалізації досліджувалися процеси, що відбуваються в камері, аналогу труби і реакторі.

Досліджено наявність в камері апарату таких елементів ДІВЕ, як парова бульбашка, гідродинамічна порожнина, кумулятивний мікрострумінь, тороїдальний вихор.

В роботі детально досліджено процеси, які відбуваються в камері при одному повному циклі роботи мембран. Під дією тиску на мембрани камери середовище виштовхується в трубу пульсатора. Незважаючи на різке зіткнення мембран, суцільність середовища не порушується. Далі під впливом розрідження мембрани починають відтягуватися до стінок камери. Напрямок руху рідини змінюється і вона примусово починає повертатися в камеру. Швидкість рідини зростає до величин, що є достатніми для виникнення гідродинамічної каверни на місцевих опорах потоку. Кінозйомка встановила наявність каверн, що існують короткий проміжок часу. Вони відриваються від місця утворення і під дією фронту кавітації руйнуються, перетворюючись в сукупність дрібних бульбашок. Процес відбувається практично миттєво, фронт кавітації рухається в напрямку, зворотному руху рідини.

Наприкінці кожного повного періоду коливань, тобто після періоду підключення до ємності низького тиску, відбуваються так звані згасаючі коливальні процеси. На трьох послідовних кадрах, часовий проміжок між якими 0,04 с, цей період спостерігався, як різка зміна стану середовища. Після зіткнення мембрани з стінками камери весь видимий простір заповнено бульбашками, на наступному кадрі практично всі бульбашки зникли і на третьому кадрі знову зявилися. Ці результати можна пояснити таким чином: перехід в область низьких тисків характеризується утворенням бульбашок, а при наявності високого тиску бульбашки захлопуються, а далі знову спостерігається об'ємна кавітація рідини. Отримані дані свідчать про наявність згасаючих коливальних процесів у камері і трубі апарата після періоду підключення до вакууму.

Процеси, що відбуваються в реакторі візуалізовано за допомогою контрастно пофарбованих кульок. Завдяки цьому показано наявність тороїдального вихору, що утворюється в реакторі.

У другому розділі описуються методика і результати числових експериментів. Наведено апробацію сучасних моделей турбулентності, основаних на рівнянні Нав'є - Стокса (1, 2), а також проводиться порівняння трьох моделей турбулентності, таких як стандартна k - ?, ренормгрупова k - ? формули (4, 5) та модель напружень Рейнольдса з відомими емпіричними даними. Доведено, що ренормгрупова модель турбулентності більш повно та адекватно описує процеси пульсаційного впливу на рідке середовище.

Система диференціальних рівнянь на основі ренормгрупової моделі, що описують процеси в реакторі пневмо-пульсаційного апарату, для турбулентного руху нестисливої рідини в двовимірному осесиметричному випадку матиме наступний вигляд

Аксіальне рівняння кількості руху

(1)

Радіальне рівняння кількості руху

.(2)

Рівняння нерозривності в осесиметричній постановці

.(3)

Модель турбулентності наступна. Рівняння для кінетичної енергії турбулентності

(4)

а рівняння для швидкості дисипації

(5)

Доданок R в рівнянні для дисипативного масштабу, що враховує низькорейнольдсеві ефекти, є відмінністю ренормгрупової моделі від стандартної k-

,(6)

Де

, ₀ = 4,38, = 0,012, .

Доданок, що враховує генерацію турбулентної кінетичної енергії розраховується за формулою

.

Обернені ефективні числа Прандтля Pr^-1_k та Pr^-1 розраховуються за наступною формулою, виведеною аналітично з теорії ренормгруп,

,(7)

Теплообмін враховувався наступними рівняннями. Рівняння енергії для рідини, що не стискається,

,(8)

_eff - ефективна теплопровідність:

,

де _t - теплопровідність, яка обумовлена турбулентністю, що розраховується через число Прандтля по формулі

.(9)

Рівняння енергії для твердого тіла

.(10)

Для визначення чисельного рішення використовувався метод кінцевих елементів. За допомогою моделі (2-10) виконано дослідження гідродинаміки та теплообміну в реакторі пульсаційного апарату камерного типу. Досліджувалося витікання струменя в наповнений водою реактор. Реактор робочої ємності виконаний у виді циліндра висотою L і діаметром D, нижня основа якого має форму конуса. Зверху в робочій області встановлена труба пульсатора діаметром d, глибина занурення якої h. Передбачається, що рідина з камери пульсатора виходить зі швидкістю u_c. У нижній основі конуса можливе підключення другої труби нижнього пульсатора. Граничні умови наступні: на вході передбачається, що профіль повздовжньої швидкості рівномірний і змінюється в часі за гармонійним законом виду:

,

де А = 4 м/с амплітуда коливань швидкості, = 0,4 1/с - їх частота. Початкова кінетична енергія турбулентності приймається рівною 1 м²/с. На осі симетрії при визначенні значень часток похідних приймалося, що їх величина дорівнює величині в сусідній комірці. На стінках покладалося, що вони абсолютно гладкі і швидкість на них дорівнює нулю. На виході передбачається, що профіль повздовжньої швидкості рівномірний і змінюється в часі по гармонійному закону виду:

,

де u^* і A^* визначені, виходячи з балансу маси.

Аналіз результатів розрахунків показав, що для ефективної організації перемішування в пневмо-пульсаційному екстракторі типу ЕІ-100, глибина занурення труби пульсатора в реактор повинна складати приблизно 0,3 м.

Більш чітко кінематика процесу виявляється при розгляді полів векторів швидкості. Як видно, майже в центрі камери утворюється інтенсивний тороїдальний вихор, що практично гаситься до кінця першої чверті періоду струменем рідини, що витікає з труби. Далі настає період всмоктування, після якого в ємності також утворюється тороїдальний вихор. Очевидно, що ефект перемішування заснований на створенні подібних вихорів. При підключенні другої камери пульсатора в асинхронному режимі, тобто коли з однієї сторони (зверху) настає період всмоктування, а з іншої (знизу) період виштовхування середи, кінематична картина процесу аналогічна описаній вище. Принципово відрізняється картина процесу при синхронній роботі обох камер. У цьому випадку утворюється два вихори, що охоплюють більший об'єм рідини.

Аналіз динамічних характеристик роботи апарату приведено для осьової швидкості. Представлено залежність повздовжньої швидкості на осі від координати для різних глибин занурення: 0,2 м; 0,3 м; 0,4 м. Як видно, струмінь досягає дна у всіх трьох випадках. Однак максимальна швидкість у ядрі струменя реалізується при глибині занурення рівній 0,2 м. Залежність повздовжньої швидкості від координати для перетину, що становить 0,75 радіуса. Максимальна повздовжня швидкість у цьому випадку досягається при глибині занурення 0,4 м. Аналогічні результати отримано для поперечної складової швидкості, що має менший вплив на величину швидкості. Причому верхні шари, вище зрізу труби, практично не охоплюються для усіх випадків. Оптимальна глибина занурення труби становить 0,3 м, у цьому випадку має місце більш рівномірний розподіл поля швидкостей в середній частині реактору, а отже і більш рівномірним є сам процес перемішування.

Дослідження процесів теплообміну проведено на геометрії реактору лабораторного стенду. Вирішувалась задача теплообміну стінка - рідина в спряженій постановці. Граничні умови наступні: на вході в трубу вважається, що профіль поздовжньої швидкості рівномірний та змінюється у часі по закону, визначеному експериментально. Вважалося, що в максимальній точці швидкість миттєво зменшується до нуля. В початковий момент часу температура всього обєму рідини рівномірна та дорівнює Т₀ = 50 С. З кожним кроком температура рідини на вході і виході приймається рівній температурі на попередньому кроці. Матеріал стінок - скло. На зовнішній стороні стінки задавались умови теплообміну 3-го роду. Величина коефіцієнту тепловіддачі дорівнювала 20 Вт/ м² К, температура повітря дорівнювала 287 К, тиск приймався рівним атмосферному.

Для підтвердження адекватності розрахунків було експериментально виміряна температура поблизу труби реактора.

Температура рідини за одну годину роботи апарату знижується в середньому на 5-7 єС. Технологія обробки деяких лікарських рослин, потребує підтримання температури на одному рівні. Для технології такого типу можна рекомендувати ізолювати дно и стінки реактора. Причому місце удару струменя необхідно ізолювати матеріалами з кращими теплоізоляційними властивостями.

Визначення ступеню впливу згасаючих коливальних процесів у камері на гідродинамічні процеси досліджувалось в реакторі лабораторної установки. На вході передбачалося, що профіль повздовжньої швидкості рівномірний і змінюється в часі за законом

,

де t виражено в секундах.

Така форма функції прийнята з наступних міркувань. На перших двох підциклах підключення до ресиверів тиску і вакууму записана експериментально отримана залежність. Для другого підциклу записана функція для затухаючих коливальних процесів з періодом коливань відповідно 0,02 с і декрементом затухання = 0,28 1/с. Декремент затухання для технічної води визначено експериментально. Амплітуда коливань приймалася рівною швидкості наприкінці підцикла підключення до ресивера вакууму.

Рредставлено розрахункові значення функції току в період підключення до ресивера тиску. Основним чинником, що ініціює перемішування (великомасштабне вихроутворення в ємності) є потік рідини, що витікає з труби пневмо-пульсаційного апарата. Тороїдальний вихор, що утворюється, швидко опускається на дно апарату та зміщується до нижньої кутової частини ємності. Чим вище швидкість витікання рідини з труби, тим більше наближення ядра вихору до стінки та його притиснення в кут реактора. В міру зниження швидкості в трубі інтенсивність вихору зменшується. Однак структура вихору не змінюється. Перехід від нагнітання до всмоктування на вихровій картині не позначається. Природньо, що інтенсивність вихору (rot ) при цьому зменшується.

Можна стверджувати, що при пульсаційній обробці утворюється стійкий тороїдальний вихор, на структуру якого не впливає перехід між режимами нагнітання та всмоктування. Важливо відзначити, що перемішування в ємності вище зрізу труби незначне.

Вплив низькочастотних пульсацій після підключення до ресивера вакууму на процеси перемішування в реакторі полягає в наступному. Створений малий тороїдальний вихор охоплює всю ємність нижче зрізу труби, а високочастотні пульсації швидкості живлять його додатковою енергією. Ці вихори дифундують в напрямку “великого” тороїдального вихору і поглинаються їм. Перемішування вище зрізу труби відбувається з меншою інтенсивністю.

Дослідження гідродинамічних процесів у циліндричній ємності реактора в тривимірній постановці і їх зіставлення з реальними процесами, експериментально визначеними методом візуалізації. Співставлення результатів розрахунку й експерименту показують задовільний збіг.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням процесів, що відбуваються в пневмо-пульсаційному пристрої камерного типу. Для їх вивчення було створено експериментальний стенд, що дозволяв вимірювати тиск, швидкість та концентрацію, а також візуалізувати всі процеси.

В ході експериментів визначено швидкість руху рідини в області перетину труби пульсатора, встановлено зв'язок між тиском та витратою рідини в каналі та виконано дослідження власних вільних коливань рідини в трубі пульсатора.

Представлено характерний вид залежностей швидкості від часу. Цю залежність було використано при побудові математичної моделі процесів, що відбуваються в пристрої. Дослідження руху рідини в трубі пульсатора виконувалось методом візуалізації.

Одержані експериментальні дані апроксимовані поліномом третього ступеня

,

де t в секундах.

Дослідження, пов'язані з встановленням зв'язку між тиском та витратою рідини в каналі. Було отримано вираз (11) для визначення величини тиску в залежності від радіусу прогину мембран з урахуванням їх початкового положення.

(11)

Знаходження величини власних вільних коливань рідини в каналі пульсатора виконувалось за допомогою чисельного експерименту. Математична модель базується на рівнянні руху ідеальної рідини в каналі пневмо-пульсаційного перемішуючого пристрою з врахуванням втрат енергії

,

де індекси 1 - реактор; 2 - труба пульсатора. Початкові умови наступні

;.

Чисельний розрахунок математичної моделі було проведено методом Рунге-Кутта 4-го порядку зі змінним кроком. Адекватність та повноту моделі було підтверджено експериментально. Експеримент проведено в каналі з прозорими стінками з використанням швидкісної кінозйомки (камера СКС-1М з ширококутовим об'єктивом “Панкoлар”).

Для зручності застосування результатів розрахунку періоду роботи при інженерних розробках пневмо-пульсаційних апаратів було отримано апроксимацію періоду, вираженого в секундах

,

де h в метрах.

Таким чином, модель дає змогу визначити величину періоду власних коливань системи, а також розрахувати глибину занурення пульсатора таким чином, щоб період власних коливань рідини в пульсаторі резонансно співпадав з періодом підключень пульсатора до ресиверів вакууму або високого тиску.

В четвертому розділі отримано дані для модуля пружності гуми, що становить практичний інтерес для інженерного моделювання процесів у пневмо-пульсаційних апаратах камерного типу й оптимізації їх роботи. Його значення складає 2,2 0,2 МПа. У процесі проведення експерименту отримані криві розтягування вакуумної гуми. Дослідження показали, що в гумі товщиною 2 мм чітко виявляються процеси гістерезису. Наявність великих гістерезисних втрат свідчить про недостатню еластичність матеріалу, що неприпустимо при роботі гумових мембран в апараті, тому застосування її в апараті не ефективно. У зв'язку з цим було проведено дослідження зіткнення мембрани з конусною обкладкою. Воно відбувається стрибкоподібно. При малому перепаді тиску мембрана закриває вихід до ресивера розрідження, залишаються застійні зони і потенціал розрідження використовується не повністю.

Проведені дослідження обумовили необхідність створення нової удосконаленої камери пневмо-пульсаційного пристрою. У конструкцію камери внесено наступні зміни:

1. Використання для мембран гуми товщиною 5-7 мм.

2. Співвідношення робочого об'єму внутрішньої камери повинне бути рівним об'ємові камер 7, 8.

3. У камерах 7, 8 при підключенні вакууму можливе утворення застійних зон, які можна усунути шляхом нанесення проточок на внутрішню поверхню конічних обкладок.

Порівняльна оцінка ефективності удосконаленого пневмо-пульсаційного апарата була проведена на прикладі екстракції системи технічна вода - чай із застосуванням традиційних апаратів з механічною мішалкою і технології, заснованої на методі ДІВЕ.

Результати дослідження. Показано, що при використанні технології, заснованої на методі ДІВЕ, концентрація чаю у розчині вища, ніж при застосуванні механічної мішалки, починаючи з моменту часу t=2 c. Це свідчить про істотну інтенсифікацію масообміну при застосуванні технології, заснованої на принципі ДІВЕ. Указана інтенсифікація масообміну обумовила створення промислового устаткування, що використовує принцип ДІВЕ.

В Інституті технічної теплофізики розроблена проектно - технічна документація на різні типорозміри пневмо-пульсаційних екстракторів з об'ємом реактора 0,020; 0,100; 0,630 м³ (табл.). Виготовлено і випробувано в промислових умовах пневмо-пульсаційні екстрактори з об'ємом реактора 0,020; 0,100 м³, виготовлений та впроваджений імпульсний екстрактор з об'ємом реактора 0,63 м³. Пульсаційний екстрактор ЭИ - 100 апробований в умовах Київської фармацевтичної фабрики.

Аналіз економічної та енергетичної ефективності застосування пневмо-пульсаційного обладнання при екстрагуванні рослинної сировини показав, що використання екстрактора пневмо-пульсаційного типу дозволяє одержувати економію енергії 28,5 КВт·год/т, що складає 10,3 т.у.п. на тонну продукції. Процес екстракції в апаратах такого типу скорочує час обробки речовини в 3-10 раз і підвищує ступінь вилучення цільової речовини.

Таблиця. Технічні характеристики пневмо-пульсаційної техніки

Найменування	Одиниця виміру	Модель апарату
		ЕІ - 020Л	ЕІ - 006Е	ЕІ - 100, ЕІ - 100М	ЕІ - 630
Об'єм реактора	мз	0,02	0,006	0,100	0,63
Продуктивність по готовому продукту	м3/год	0,01	0,0025	0,05	0,25
Середній розмір часток сировини	мм	1,0 - 10	1,0 - 5	1,0-10	1,0 - 10
Температура суміші в реакторі	К	280-370	280 - 370	298-343	298-343
Встановлена електрична потужність	кВт	не більш 1,0	не більш 1,0	не більш 2,0	15
Застосування		лабораторний	експериментальний	промислові	промисловий

Основні результати:

1. Проведено апробацію сучасних моделей турбулентності на задачі витікання середовища в осесиметричний тупик.

2. Проведено чисельне дослідження процесів гідродинаміки і теплообміну в реакторі пневмо-пульсаційного апарата камерного типу.

3. Експериментально отримано апроксимуючі вирази залежності швидкості рідини в трубі пневмо-пульсаційного пристрою камерного типу для труб із внутрішніми діаметрами 15,7 і 20,2 мм.

4. З урахуванням прогнозованого значення початкового прогину мембран експериментально визначена залежність між тиском і витратою в трубі пульсатора.

5. Визначено залежність величини періоду власних коливань рідини в трубі екстрактора від глибини занурення, що дозволяє розрахувати оптимальну глибину занурення труби пульсатора таким чином, щоб період власних коливань рідини в пульсаторі резонансно збігався з періодом підключень пульсатора до ресиверів вакууму і високого тиску.

6. Визначено модуль пружності вакуумної гуми Е = 2,20,2 МПа. Це значення становить практичний інтерес для моделювання процесів у пневмо-пульсаційному апараті.

7. Дано рекомендації з удосконалення камери пневмо-пульсаційного апарату камерного типу.

8. У ході промислового експерименту отримано, що час процесу екстракції при застосуванні устаткування принципу ДІВЕ скорочується в 3...10 разів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Встановлено робочий елемент принципу ДІВЕ - нестаціонарний тороїдальний вихор, що зумовлює інтенсифікацію процесу перемішування в реакторі пневмо-пульсаційного єкстрактора.

2. Процеси гідродинаміки та теплообміну в пневмо-пульсаційному екстракторі адекватно описуються ренормгруповою k - моделлю турбулентності.

3. На основі проведених досліджень встановлені рекомендації з удосконалення конструкції пневмо-пульсаційного екстрактора типу ЭИ-100, ЭИ -100М:

• глибина занурення труби пульсатора в реактор повинна становити близько 0,3 м;

• найбільш ефективне підключення другої камери пульсатора з організацією синхронного режиму їхньої роботи;

• період коливань мембран повинен становити близько 1,0 с;

• для підтримання постійної температури необхідно теплоізолювати місце удару і розвороту струменя.

4. На основі експериментальних досліджень встановлені рекомендації, щодо удосконалення конструкції камери пневмо-пульсаційного пристрою:

• на внутрішній стороні обкладки камери рекомендуються проточки;

• співвідношення об'ємів серединної і бічних камер повинно становити 1:1;

• в якості мембран рекомендується використовувати гуму товщиною 5-7 мм.

5. Використання екстрактора пневмо-пульсаційного типу дозволяє одержувати економію енергії 28,5 кВт·год/т, що складає 10,3 т.у.п. на тонну продукції економії умовного палива. Процес екстракції в апаратах такого типу скорочує час обробки речовини в 3-10 разів і підвищує ступінь витягнення цільової речовини.

Позначення: А - амплітуда коливань швидкості; а - коефіцієнт температуропроводності; b - товщина гумової мембрани; C - константи; С_р - питома теплоємність при постійному тиску; с - концентрація; D - діаметр реактора робочої ємності; d - діаметр труби; E - модуль пружності гуми; G_k - генерація турбулентної кінетичної енергії; h - глибина занурення труби пульсатора; k - кінетична енергія турбулентності; l - половина відстані між обкладками камери; L - висота реактора робочої ємності; N - процентний вміст етилового спирту; Pr - число Прандтля; p - статичний тиск; r - радіальна координата; R - радіус; S - площа; T - температура; t - час; u - повздовжня складова швидкості; V - об'єм; W - координата прогину мембрани; x - осьова координата; z - висота стовпа рідини; - коефіцієнт тепловіддачі; - декремент загасання; - швидкість дисипації; - коефіцієнт гідравлічного опору на вході і виході з труби; - швидкість деформації; - коефіцієнт теплопровідності; - динамічна в'язкість; - вектор швидкості; - коефіцієнт гідравлічного опору; - густина; - період власних коливань; - радіальна складова швидкості; _ij - тензор швидкості деформації; - частота коливань середньої швидкості. Індекси: eff - ефективність; d - деформаційне; h - зіткнення; k - обумовлене кінетичною енергією турбулентності; mol - молекулярна; t - турбулентна; e - обумовлено дисипативним масштабом; - обумовлено в'язкістю; м - мембрана; р - гума; с - зріз; сх - зіткнення мембрани; 0 - початковий; 1 - труба; 2 - реактор. Скорочення: ДІВЕ - дискретно-імпульсне введення енергії;

ОСНОВНІ НАУКОВІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ

Накорчевский А.И., Мартыненко М.П., Басок Б.И. К расчету пульсаторов камерного типа // Инженерно физический журнал. - 2004. - Т. 77, № 1. - С. 129-132. (Особистий внесок - розробка методики експерименту, проведення експерименту, обробка даних).

Мартыненко М.П. Моделирование истечения потока в осесимметричный тупик // Промышленная теплотехника. - 2004. - Т. 26, № 3. - С. 32-37.

Долинский А.А. Мартыненко М.П., Басок Б.И., Чайка А.И. Численное моделирование гидродинамических процессов в пульсационном экстракторе // Промышленная теплотехника. - 2004. - Т. 26, № 5. - С. 5-10. (Особистий внесок - постановка задачі, проведення розрахунків, аналіз отриманих даних)

Мартыненко М.П. Определение скорости жидкости на выходе из камеры пульсатора методом визуализации // Промышленная теплотехника. - 2004. - Т. 26, № 6. - С. 54-57.

Nakorchevskii A. I., Martynenko M. P., Basok B. I. Calculation of Chamber-Type Pulsers // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2004. - Т. 77, №1. - P. 156-160. (Особистий внесок - розробка методики експерименту, проведення експерименту, обробка даних).

Басок Б.И., Чайка А.И., Мартыненко М.П. Пневмопульсационные аппараты принципа ДИВЭ // Промышленная теплотехника. - 2003. - Т. 25, № 4. - С. 208-210. (Особистий внесок - аналіз особливостей апаратів та підготовка матеріалів до публікації).

Чайка О., Басок Б., Накорчевський А., Мартиненко М. Коливання рівня рідини в каналі пульсатора // Вісник Національного університету „Львівська політехніка”. - 2002. - № 452.- С. 122-125. (Особистий внесок - розробка методики , проведення розрахунків, обробка даних).

Пат. України 2002042676, МПК В01D11/04. Масообмінний пристрій. Б.І. Басок, О.І. Чайка, М.П. Мартиненко; Опубл. 16.12.2002. Бюл. №12. (Особистий внесок - патентний пошук, розробка формули винаходу, підготовка матеріалів до публікації).

Окремі аспекти дисертаційної роботи викладено в 11 тезах.

АНОТАЦІЯ

Мартиненко М.П. Гідродинаміка та тепломасообмін в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплотехніка, Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ, 2005.

У роботі проведено теоретичні та експериментальні дослідження гідродинаміки та тепломасообміну в пневмо-пульсаційному апараті камерного типу. Наведено оригінальні дані по фізичним механізмам процесів, що мають місце в пневмо-пульсаційних апаратах такого типу. В результаті двовимірного та тривимірного моделювання отримані поля швидкості, температури та функцій току; проаналізовано особливості гідродинаміки та теплообміну в апараті такого типу. Експериментально досліджено швидкість руху рідини в трубі пневмо-пульсаційного апарата. Представлені розрахункові співвідношення та дослідні дані для прогину гумових мембран в пульсаторах камерного типу для випадків незалежного і спільного їх деформування з урахуванням вихідної залишкової деформації. Визначено період власних коливань рідини в трубі такого пристрою. Надано рекомендації, щодо удосконалення камери пневмо-пульсаційного апарату, глибини занурення труби пульсатора та режимів його роботи. Проведено аналіз ефективності та надано оцінку енергозаощадження при виробництві рідких екстрактів.

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию гидродинамики и тепломассообмена в пневмо-пульсационном аппарате камерного типа.

В работе приведены данные по физическим механизмам процессов, происходящих в пневмо-пульсационном аппарате. Экспериментально подтверждено наличие в аппарате таких элементов ДИВЭ, как паровой пузырек, гидродинамическая каверна, кумулятивная микроструя и тороидальный вихрь. Визуализированы процессы, происходящие в камере и реакторе пневмо-пульсационного аппарата.

Проведена апробация моделей турбулентности, таких как стандартная k - модель, РНГ k - модель и МНР в задаче истечения среды в осесимметричный тупик. Показано, что оптимальной моделью для расчета пневмо-пульсационных аппаратов является РНГ k - модель турбулентности. В результате двухмерного и трехмерного моделирования получены поля скорости, температуры и функций тока. На основе этих исследований проанализированы особенности гидродинамики и теплообмена в аппарате. Проведено сравнение полученных данных с экспериментальными исследованиями. Сопоставление результатов расчета и экспериментальных данных показали хорошее совпадение.

Экспериментально исследована скорость движения жидкости в трубе пневмо-пульсационного аппарата. Представлены расчетные соотношения и экспериментальные данные для прогиба резиновых мембран в пульсаторах камерного типа для случая независимого и совместного их деформирования с учетом начальной остаточной деформации. Определена зависимость величины периода собственных колебаний жидкости в трубе пульсатора камерного типа от глубины погружения, которая позволяет рассчитать оптимальную глубину погружения трубы пульсатора таким образом, чтобы период собственных колебаний жидкости в пульсаторе совпадал с периодом подключений пульсатора к ресиверам вакуума и высокого давления.

Даны рекомендации по усовершенствованию камеры пневмо-пульсационного аппарата, глубине погружения трубы пульсатора и режимов его работы. Приведены данные опытно-промышленных испытаний аппарата. В ходе промышленного эксперимента получено, что время процесса экстракции при применении оборудования принципа ДИВЭ сокращается в 3…10 раз.

Проведен анализ эффективности и оценка энергосбережения при производстве жидких экстрактов.

SUMMARY

Martynenko M.P. Hydrodynamics and heat and mass transfer of chamber type pneumo-pulse apparatus. - Manuscript.

Thesis for a Degree of “Candidate of Technical Sciences”. Speciality 05.14.06 - “Engineering Thermophysics and Industrial Heat-and-Power Engineering”. Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The investigation of hydrodynamics, heat and mass transfer of chamber type pneumo-pulse apparatus was carried out. The physical representation of real processes in pneumo-pulse apparatus is offered. The results of modeling of two- and three-dimensional fluid motion are presented. Fields of velocities and stream functions are determined. Peculiarities of hydrodynamics and heat transfer of chamber type pneumo-pulse apparatus are analyzed. Jet velocity in the tube of pneumo-pulse apparatus was experimentally obtained. The computation al relations and experimental data for deflection of rubber membranes in chamber-type pneumo-pulse apparatus for the cases of independent and combined deformation of the membranes with account for initial residual deformation are presented. The natural oscillations of liquid for apparatus of such type are investigated. The improvement suggestion of camber design and mode of operation of pneumo-pulse apparatus are offered. The economical efficiency and power-saving effects at liquid extract processing are analyzed.

Размещено на Allbest.ru