Динамические эффекты в неравновесных жидких смесях Текст научной статьи по специальности «Физика»

3. Захаров Р.Ю., Губская У.А. Перспективные направления повышения уровня экологической безопасности орошаемых территорий.// Строительство и техногенная безопасность. Вып. 31. - Симферополь: НАПКС, 2010. - С. 166-175.

4. Боков В.А., Лущик А.В. Основы экологической безопасности: Учебное пособие. -Симферополь: СОНАТ, 1998. - 224 с., ил.

5. Экология Крыма. Справочное пособие./ Под ред. Н.В. Багрова. - Симферополь: Крымское учебно-педагогическое государственное издательство, 2003. - 360 с., ил.

6. Захаров Р.Ю., Губская У.А., Ким М.А., 2010: Оптимизация типоразмеров дождевальных машин для фермерских хозяйств. - Lublin: 12 С, Мо1хо1, ISSN 17308658, - 276-283 c.

7. Шмаль А. Г. Методологические основы создания системы экологической безопасности территории. - Бронницы: - МП «ИКЦ» БНТВ, 2000. — 216 с.

8. Шавва К.И., Олексич В.Н. Методика количественной оценки экологического состояния реконструированных мелиоративных систем. Сборник «Экологические аспекты мелиорации земель». Кишинев, КСХИ им.М.В.Фрунзе, 1991 г.,19-20с.

9. Полуэктов Е.В. Эрозия почв и меры борьбы с ней. / Отв. ред. И.Н. Листопадов. Ростов н/Д: Изд-во. Рост, ун-та, 1984г., 161 с.

УДК 621.01.216 Павленко А.М., Климов Р.А.

Полтавский национальный технический университет им. Юрия Кондратюка

ДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В НЕРАВНОВЕСНЫХ ЖИДКИХ

СМЕСЯХ

В данной статье приводятся результаты исследований процессов взаимодействия паровых фаз вскипающих взаимнонерастворимых жидкостей (жидких смесей), находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Вскипание происходит в легкокипящей жидкости при нарушении равновесия относительно нее. При этом происходит динамическое измельчение дисперсной фазы (гомогенизация). Технологически этот эффект может быть получен при закипании перегретой эмульсии в результате резкого сброса давления.

Динамическое измельчение фаз, равновесные состояния, метастабильные жидкости.

Анашз публикаций.

Классическая теория деформации и разрушения капель в зависимости от степени турбулентности потока принадлежит Колмогорову. Он рассматривал данный процесс как результат проявления большого числа случайных явлений и на основании теории вероятности получил логарифмическое распределение капель по размерам. Процессы деформации и дробления дисперсной фазы рассматривают многие исследователи [1-3], но данные явления требуют дополнительного изучения, которое позволит определить наиболее выгодные в экономическом и экологическом плане параметры для их реализации. В целом же проблему дробления жидких дисперсий в непрерывной среде делят на два направления [2]: дробление жидких капель в эмульсиях и газовых потоках. При рассмотрении данных процессов важным является устойчивость капли к действию сил, которые стремятся ее разрушить. Представленные в литературных источниках расчеты в большинстве случаев основываются на критериях Бонда и Вебера [1, 2], т.е. рассматривают только нестабильности Релея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца, которые наиболее характерны для эмульгирования или дестабилизации дисперсных сред. В [1] изучено влияние каждого рабочего элемента ДИВЭ на деформацию и возможное последующее дробление капель дискретной жидкой фазы, из чего можно сделать вывод о том, что все

элементы ДИВЭ могут приводить к получению микронного диапазона частиц дисперсной фазы. Процессы деформирования и дробления капель при движении в жидкости описаны в [3]. При этом ни одна существующая модель не рассматривает процесс дробления вторичной жидкости с учетом формирования паровой прослойки на границе раздела двух фаз и силового взаимодействия относительно нескольких одновременно закипающих частиц дисперсной фазы. В основном описаны возможные процессы деформации и дробления под действием либо взрывного вскипания, роста паровых пузырей, либо под воздействием каверн, кавитационных полостей в момент их схлопывания, когда возможен наибольший динамический эффект. Но само образование паровой полости (пузырька) принимается гомогенным и рассматриваются лишь максимальные динамические эффекты, в то время как разрушение дисперсной фазы может происходить в любой другой момент времени из-за того, что гидродинамическая обстановка даже в окрестности двух растущих пузырьков является неопределенной и если частица дисперсной фазы находится на каком-то расстоянии от данных пузырей (либо между ними на определенном расстоянии), то эффект дробления данной частицы проявится по достижении максимальной силы, которая превысит критическую, рассчитанную по критериям Вебера или Бонда, но необязательно будет равна тому максимуму, который может действовать в данной системе. Если же рассматривать процесс дробления дисперсной фазы, которая сама закипает, то процесс становится еще более усложненным и требует детального изучения.

Цель и постановка задачи исследований.

В соответствии с критериями Вебера и Бонда [1], основными факторами, определяющими дробление дисперсной фазы, соответственно будут: скорость (относительная скорость) ^, и ускорение g, действующие на данную частицу.

Рассмотрим систему, состоящую из двух капель разного размера при их закипании в результате сброса давления, находящихся на расстоянии к друг от друга (рис. 1).

Рис. 1 - К модели дробления капель

Определим силовое взаимодействие, которое может привести к появлению нестабильности. Из совместного рассмотрения критерия Бонда и Вебера [1] с уравнением Релея-Плессета следует, что критические силы, приводящие к появлению неустойчивости Релея-Тейлора или Кельвина-Гельмгольца, соответственно равны

= 400; ^ = ЗОроЯ, . (1)

Методика исследований.

Деформация и дробление, как паровой прослойки, так и капли воды в эмульсиях типа вода-масло, может быть вызвана различным направлением вектора ускорения или вектора скорости. Примем, что деформация, дробление или перемещение будут происходить лишь в том случае, когда вектор ускорения имеет положительное направление и независимо от него вектор скорости также положителен. Будем считать, что капля №1 (рис.1) находится в начале координат, а капля №2 на расстоянии к от центра первой капли, т.е. х\ = 0, х2 = к. При этом принимаем такие допущения:

1) как бы ни было велико ускорение или скорость границы самой частицы, возможные неустойчивости, вызванные ими, не могут разрушить данную границу частицы;

2) если вектор ускорения (скорости) самой границы раздела однонаправлен с вектором ускорения, действующего на границу частицы со стороны соседней, то результирующий вектор равен действующему на границу со стороны соседней капли.

С учетом данных допущений, ускорение, стремящееся разрушить границу раздела капли №1, равно

£ gi; к > 0, к2 > 0,

ё Р1

i=l

£ ё; к1 < 0, к2 < 0,

(2)

i=l

ё2;к1 < 0,к2 > 0, -ё2;к1 > 0,к2 < 0,

где ё1 = к1-т3—; di = К - Щ;

Рм ¿г

к = Рщ - Р» + 0-5^ Р

2Рм

Л 3

Тогда сила, вызванная ускорением либо замедлением потока равна

РВа1 = 4рРм ёр1 Щ13. Аналогично можно записать для скорости

(3)

w =

Р1

2

£

г=1

£ ^; ^ >0, wR2 >0

-£^;wR1 <0,wR2 <0

г=1

(4)

w2; wR < 0, wR > 0

- w2; wR > 0, wR < 0

где w!■ = wRRi

(•X - Rl)

¿3

w

w

Р1'

(5)

Тогда сила динамического напора

= 6рРм Щ "Р1

Как известно, капиллярная сила р независимо от формы деформированной капли всегда направлена так, чтобы восстановить сферическую форму, т.е. для того, чтобы поверхностная энергия Гиббса была минимальной. Поэтому, если капля по направлению своего движения деформирована в сплющенный эллипсоид, капиллярная сила противодействует внешней силе. Если же она деформирована в удлиненный эллипсоид, то капиллярная сила совпадает по направлению с внешней силой. Отсюда следует, что в процессе деформации форма удлиненного эллипсоида является неустойчивой, тогда как форма сплющенного эллипсоида может быть квазиустойчивой.

Возможно существование минимума данной капиллярной силы. Будем считать, что минимум определяется силой Лапласа и соответствующая сила равна

2

Таким образом, при превышении внешней силой силы Г будет происходить деформация данного объема, при равенстве сил - равновесие, а при Г > ¥Во -отталкивание данного объема без деформации.

Разности между ¥Во ^е и равны

^Во = РВо - Ра ; = ^е - Г . (7)

На примере для силы, вызванной ускорением либо замедлением потока можно записать такие условия

ГВо > ГВО - дробление; АГВо > 0 - деформация; АГВо = 0 - равновесие; АГВо < 0 - перемещение.

Система уравнений (2) - (7) для частицы №2, находящейся на расстоянии И от первой частицы примет вид

8

р2

где 81 = к1

-Е 8; К > 0, к2 > 0,

I=1

Е 8г; кг < 0, к2 < 0,

¡=1

81; кг < 0, к2 > 0, - 81; кг > 0, к2 < 0,

Щ (X - А)

Щ =

р2

-Ещ;щ, >0,>0

¡=1

Е щ;<0, щя2 <0

¡=1

(8)

щ; Щщ < 0, щ2 > 0,

щ1; щ > 0, < 0

Рм ¿I

Щ =

(•X - А ).

¿3

= х- А

И - щ

ГВо2 = 4рРм 8р2

ГШе2 = 6рРмЩ

Р2

Р2 '

К2 = 8*^2-

(9) (10) (11)

Результаты и их анализ.

В качестве примера рассмотрим две капли эмульсии с Я10 = 100 мкм и Я2 0 = 10 мкм,

которые находятся на различном расстоянии И друг от друга, при начальной температуре 180 °С (130 °С) и соответствующем давлении насыщения. В некоторый момент времени давление понижается до атмосферного, тем самым, вызывая интенсивный рост паровой фазы на границах раздела масло-вода и дальнейший рост границы раздела масло-пар. Исследуем, как изменяются силы, вызывающие перемещение, деформацию или дробление парового объема во времени при различных расстояниях между каплями, на поверхностях большой и малой капель. Результаты расчетов представлены на рис. 2, 3. Из данных рисунков видно, что наибольший эффект в разрушение капель приносит нестабильность типа Релея-Тейлора.

Во всех показанных случаях она играет определяющую роль, в то время как нестабильность типа Кельвина-Гельмгольца также наблюдается (рис. 3 а), но лишь после того как ее динамический эффект приведет к разрушению большой капли (из сравнения рис. 2в) и как следствие разрушения малой капли не произойдет. При небольших расстояниях И (рис. 2в, 2г) разрушение парового объема большой капли будет происходить практически сразу после сброса давления. По мере увеличения расстояния (рис. 2а, 2б) время до разрушения также увеличивается, что и следовало ожидать, переходя в пределе до бесконечности, если не рассматривать силовое взаимодействие между каплями при их сближении и соприкосновении поверхностей.

Сила ¥10, Н 100

1-г

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 а) Время т105,с

Сила ¥10 , Н 100

50

-50

-100

150

¥ сг ¥Во Во \

¥we \л

1 / V—- —

\ \ \ \ / АЛ]

/ п. V \ / У

A¥we 1

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

б)

Время т 10 ,с

Сила ¥10 , Н 200

-200

-400

-600

-800

В¥ Ьо

17 Г

сг ¥ We ¥we

¥Во

1 1 1

0 0,08 0,16 0,24 0,32 0,4 в) Время т105,с

Сила ¥104, Н 2000

1750 1500 1250 1000 750 500 250 0

-250 -500 -750

¥ / Зо

У /

/

¥во /

\ \

1 1

0 0,02 0,03 0,05 0,06 0,08 г) Время т105,с

0

0

Рис. 2 - Изменение сил, действующих на каплю №1 (рис. 1), во времени при Я10 = 100 мкм, Я2 0 = 10 мкм, 10 = 180 °С, р¥ = 1 атм, И = 250 мкм (а),

И = 200 мкм (б), И = 150 мкм (в), И = 120 мкм (г)

Сила 1104, Н 6

0 -2 -4 -6

Т7 сг ГВо ^

^__ _ — — -А / ■■■' /

Л АГт

А . /о-' " У?" Рво

1 1 ^Во

Сила ПО4, Н 20

10 0 -10 -20 -30 -40

Т7 сг Рво^* ___ "X

1 "Ше Л/ АРше

1 1 V0

< / 1 во

АРво

1 1

0 0,08 0,16 0,24 0,32 0,4

а)

Время т105,с

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 б) Время т10 ,с

Рис. 3 - Изменение сил, действующих на каплю №2 (рис. 1), во времени при Я10 = 100 мкм, Я20 = 10 мкм, р¥ = 1 атм, И = 150 мкм, t0 = 180 °С (а),

= 130 °С (б)

При расстоянии между каплями равному 250 мкм (рис. 2а), т.е. в 2.5 раза превышающем начальный радиус большой капли, дробление будет наблюдаться на

втором пике колебаний силы 1во, в то время как при меньших расстояниях это первый

П ЩоЦ?е > 0 ЩоП?е й

пик. При , показывает, что в данный момент времени возможно

перемещение или деформация объема. Интересным является то, что при расстоянии 150 мкм (рис. 2в, 3а) происходит деформация малой капли до того как она раздробит большую, в то время как большая капля до этого момента времени даже не будет деформирована. Это можно объяснить тем, что процессы ускорения-замедления поверхности раздела у малой капли протекают гораздо быстрее, а данный пик силы ее деформации (рис. 3 а) вызван резким замедлением ее границы раздела, в то время как граница раздела масло-пар большой капли еще ускоряется. Также необходимо учитывать тот факт, что большая площадь поверхности (больший радиус капли) создает большую окрестность своего воздействия.

Как показано на рис. 3б при снижении начальной температуры до 130 °С даже при расстоянии 150 мкм эффектов дробления или деформации не наблюдается вообще. В результате расчета получено, что снижение начальной температуры со 180 °С до 130 °С при сбросе давления от величины насыщения до атмосферного, для данных радиусов капель, приводит к снижению максимального расстояния при котором еще возможно дробление в ~ 3 раза.

Выводы

Представленные в [5] фотографии промышленных ЭТС, показывают характерный размер и расстояние между дисперсными частицами. Из данных фотографий следует, что практически всегда близко расположены большие и малые капли эмульсии. Учитывая характерный относительный размер капель и расстояние между ними, можно сделать вывод о том, что при температурах 180 °С и 130 °С дробление будет происходить однозначно. Конечно, для данного типа эмульсий необходимо рассматривать эффекты,

4

2

происходящие в обратной эмульсии внутри прямой, а также важным остается вопрос о времени зарождения паровой прослойки. Остается невыясненным вопрос о перемещении данных капель, т.к. оно приводит к взаимному перемещению капли воды и пара, вследствие чего паровая прослойка может сорваться. Конечно, наибольшее динамическое воздействие для расчетных капель может быть при их максимальном сближении. В то время как при больших расстояниях возможен лишь срыв пара, при малых расстояниях и больших начальных температурах возможно и дробление капли воды. Учитывая, что закипание при различных площадях капель происходит не за одно и то же время, можно предсказать еще более интенсивные процессы дробления дисперсной фазы эмульсии.

В целом же данная модель позволяет в достаточно простой постановке рассмотреть процессы дробления больших капель дисперсной фазы соседними малыми каплями при различных начальных температурах и расстояниях между ними. Учет перемещения и слияния капель будет проведен дальнейшим усовершенствованием модели.

Список литературы

1. Долинский А.А. Дискретно - импульсная трансформация энергии в адиабатно вскипающем потоке / А.А. Долинский, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. -2001. - Т.23. -№4-5. - С.5 - 20.

2. Шурчкова Ю.А. Анализ механизмов дробления капель при адиабатном вскипании и смешении дисперсных систем / Ю.А. Шурчкова, Т.В. Малишевский // Промышленная теплотехника. - 2000. - Т.22. -№1. - С.17- 23.

3. Иваницкий Г.К. Моделирование процессов деформирования и дробления капель при движении в жидкости // Промышленная теплотехника. - 1997. - Т.19. -№1. - С.9 - 16.

4. Павленко А.М. Кинетика испарения в процессах гомогенизации / А.М. Павленко, Р. А. Климов, Б.И.Басок // Промышленная теплотехника. - 2006. - Т. 28. - №6. - С.14 - 20.

5. Долинский А.А. Теплофизические процессы в эмульсиях / А.А. Долинский, А.М. Павленко, Б.И. Басок. - Киев, Наукова думка, 2005. - 265с.

УДК 62-664.2 Редькин В.М., аспирант

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЖАРОТРУБНОГО КОТЛА ПРИ СЖИГАНИИ СМОЛОСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА

Суммарные потенциальные ресурсы возобновляемых нетрадиционных источников энергии, а точнее сырье для производства такого вида топлива, как древесные пеллеты, в Крыму достаточны, чтобы обеспечить в ближайшей перспективе значительную часть потребности в топливных ресурсах республики, тем самым сократив зависимость в энергетических ресурсах из материковой части страны. При применении такого вида топлива возникает ряд недостатков, которые, на данный момент, мало изучены. В данной статье проведен анализ проблемы образования отложений в жаротрубных теплогенерирующих установках при сжигании хвойной древесины. Выявлены основные задачи для решения проблемы загрязнения смолами поверхностей нагрева теплогенерирующих установок.

Теплогенерирующие установки, энергосбережение, отходы деревообработки, смолосодержащее топливо, кристаллизация, теплоотдача, тепловой расчёт, отложения, загрязнение