Теплообмін, гідродинаміка і процеси диспергування в роторно-пульсаційних та в моногрануляційних апаратах

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню актуальних проблем динаміки і теплопереносу в гетерогенних системах “рідина-рідина”, що стосуються технологій монодисперсного гранулювання речовин і виробництва дрібнодисперсних емульсій в роторно-пульсаційних апаратах (РПА). Вказані пристрої широко застосовуються в харчовій, хімічній, переробній та ін. галузях промисловості. В роботі наведено результати чисельних досліджень гідродинамічних і теплових процесів, що протікають в моногрануляційному устаткуванні та в робочих об'ємах РПА. Знайдено основні закономірності тепловіддачі від сферичних крапель рідини, що рухаються в грануляційній колоні, до термоформуючого середовища, досліджено закономірності деформації поверхонь крапель, що вільно падають у в'язкому середовищі. Знайдені характерні значення чисел Вебера, за яких краплю можна вважати близькою по формі до сферичної і за яких поверхня краплі внаслідок значних деформацій руйнується.

За результатами чисельних досліджень знайдені закономірності ламінарної і турбулентної течії та теплопереносу в рідких середовищах, що обробляються в циліндричних РПА. Досліджено структуру потоку і теплові дисипативні ефекти в робочому об'ємі РПА. Виявлено ефекти вихроутворення на окремих ділянках течії в різні моменти часу та пульсаційну зміну у часі динамічних характеристик потоку. Одержано залежності основних технічних характеристик РПА циліндричного типу від в'язкості середовища, а також від його конструкційних та режимних параметрів. Виконано порівняння динамічних характеристик РПА з різним компонуванням робочих органів.

Побудовано метод розрахунку траєкторій дисперсних частинок в робочому об'ємі РПА і спосіб визначення кількості актів їх подрібнення. На цій основі розроблено метод оцінки середнього діаметра частинок емульсії після обробки гетерогенного середовища в апараті. Знайдено залежності середнього діаметра частинок від конструкційних та режимних параметрів РПА. Побудовано метод оптимізації цих параметрів для забезпечення при заданому середньому розмірі дисперсних частинок максимальної продуктивність апарату, або мінімальних енерговитрат на реалізацію процесів подрібнення рідких частинок в процесах виробництва гомогенізованих продуктів.

Ключові слова: чисельні методи, динаміка в'язкої рідини, теплоперенос, монодисперсне гранулювання, роторно-пульсаційний апарат, дисперсні частинки, гомогенізація.

Давыденко Б.В. Теплообмен, гидродинамика и процессы диспергирования в роторно-пульсационных и в моногрануляционных аппаратах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины, Киев, 2009.

Диссертационная работа посвящена решению ряда актуальных проблем динамики и теплопереноса в гетерогенных системах “жидкость-жидкость”, касающихся технологий монодисперсного гранулирования веществ и производства мелкодисперсных эмульсий в роторно-пульсационных аппаратах (РПА). Указанные устройства широко применяются в пищевой, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

В диссертационной работе на основе разработанного безытерационного метода решения системы конечно-разностных уравнений динамики и теплопереноса в вязкой жидкости проведены численные исследования гидродинамических и тепловых процессов, протекающих в моногрануляционном оборудовании и рабочих объемах роторно-пульсационных аппаратов. На основе решения сопряженных задач теплообмена найдены основные закономерности теплопереноса от монодисперсных сферических капель жидкости, движущихся в грануляционной колонне, к термоформующей среде. Методом численного моделирования исследованы закономерности деформации поверхностей свободно падающих капель в вязкой среде. Найдены характерные значения чисел Вебера, при которых каплю можно считать близкой по форме к сферической и их значения, при которых поверхность капли вследствие значительных деформаций разрушается.

Проведены численные исследования гидродинамики и теплопереноса в цилиндрических роторно-пульсационных аппаратах. Найдены закономерности течения и теплопереноса в жидких средах, обрабатываемых в цилиндрических РПА, при ламинарном и турбулентном режимах. Рассмотрены случаи течения как ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей. Исследована структура потока в рабочем объеме РПА. Обнаружены эффекты вихреобразования на отдельных участках течения в разные моменты времени. Установлен пульсационный характер изменения во времени динамических характеристик потока: локальных значений скорости, давления, ускорения, нормальных и касательных вязких напряжений.

Получены зависимости основных технических характеристик роторно-пульсационных аппаратов цилиндрического типа (среднемассовой радиальной скорости течения, момента сил сопротивления, действующих на ротор, мощности источников диссипативного тепловыделения, степени перегрева обрабатываемой среды) от вязкости среды, а также от конструкционных и режимных параметров РПА. Среди конструкционных параметров, оказывающих наиболее существенное влияние на технические характеристики РПА, следует отметить ширину зазоров между рабочими элементами и количество радиальных прорезей, а среди режимных - скорость вращения ротора и перепад давления между входным и выходным сечениями рабочей зоны. В результате сравнительного анализа динамических характеристик РПА с различной компоновкой рабочих органов установлены наиболее оптимальные варианты конструктивного выполнения РПА с точки зрения их максимальной производительности и минимального энергопотребления.

Построены метод расчета траекторий дисперсных частиц в рабочем объеме РПА и способ определения количества актов их гидродинамического дробления. На этой основе разработан феноменологический метод оценки среднего диаметра частиц эмульсии после обработки гетерогенной среды в РПА. Найдены зависимости среднего диаметра частиц от наиболее важных конструкционных и режимных параметров РПА. Построен метод оптимизации указанных конструкционных и режимных параметров. Найдены оптимальные значения ширины зазоров, количества прорезей в рабочих элементах и скорости вращения ротора, обеспечивающие при заданном среднем размере дисперсных частиц максимальную производительность аппарата или минимальные энергозатраты на реализацию процессов дробления жидких частиц в процессах производства гомогенизированных продуктов.

Ключевые слова: численные методы, динамика вязкой жидкости, теплоперенос, монодисперсное гранулирование, роторно-пульсационный аппарат, дисперсные частицы, гомогенизация.

Davydenko B.V. Heat transfer, hydrodynamics and dispersion processes in rotor-pulse and monogranulation apparatus. - Manuscript.

Thesis for a Degree of Doctor of the Technical Science. Specialty 05.14.06 - “Engineering Thermophysics and Industrial Heat Power Energetic”. - Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Science of Ukraine. - Kyiv, 2009.

The thesis is devoted to the solving of actual problems of dynamics and heat transfer in “liquid-liquid” heterogeneous systems related to monodisperse granulation technology and emulsions manufacturing in rotor-pulse apparatus (RPA). These devices are widely used in food, chemical and other industries.

In the thesis the results of numerical investigations of hydrodynamics and heat transfer processes in monogranulation equipment and in working space of the rotor-pulse apparatus are presented. The main features of heat transfer from spherical liquid droplets moving in granulation columns are found. The characteristics of falling droplets surfaces deformation are investigated. The Weber number values at which a droplet can be considered as a spherical and at which the droplet surface because of considerable deformations is breaking up, are found.

From the numeral researches the main characteristics of laminar and turbulent flows and heat transfer in the cylindrical rotor-pulse apparatus are found. The circulation flow structure and heat generation capacity due to energy dissipation in these apparatus are explored. It is shown that the time variation of most fluid flow features has a character of pulsations. The dependences of main technical apparatus characteristics (average radial fluid velocity, degrees of substance overheating) on fluid viscosity and constructive and regime parameters are obtained.

The methods of disperse particles trajectories calculation and of prediction of amount of particles breakage in the working volume of the RPA are proposed. On this base the method of estimation of average emulsion particles diameter after processing of heterogeneous system in RPA is developed. The method of optimization of RPA constructive and regimes parameters is worked out.

Keywords: numeral methods, heat transfer dynamics of viscid liquid, heat transfer, monodispersion granulation, rotor-pulse apparatus, disperse particles, homogenization.

Размещено на Allbest.ru