Дослідження пристроїв та удосконалення процесів перемішування в біогазових установках Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.181.7

І. Ф. ЧЕРВОНИИ, д-р техн. наук, академік Академії інженерних наук України Запорізька державна інженерна академія, м. Запоріжжя

Ю. В. КУРІС, канд. техн. наук, член-кореспондент Академії інженерних наук України Інститут вугільних енерготехнологій НАН України, м. Київ

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРИСТРОЇВ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ПЕРЕМІШУВАННЯ В БІОГАЗОВИХ УСТАНОВКАХ

В статье ставилась задача изучения процесса механического процесса перемешивания субстракта с помощью различных механических мешалок и шнеков в реакторе биогазовой установки и получения математических соотношений технологических параметров перемешивания в зависимости от параметров установки.

У статті ставилось завдання вивчення процесу механічного перемішування субстрату за допомогою різноманітних механічних мішалок та шнеків в реакторі біогазової установки та отримання математичних співвідношень технологічних параметрів перемішування в залежності від параметрів установки.

Вступ

Перемішування, субстрату біоенергетичної установки, як процес багаторазового переміщення частинок текучого середовища відносно один одного в обсязі апарату, є одним з найбільш поширених способів організації та інтенсифікації технологічних процесів також у інших галузях промисловості. Основними методами перемішування є: барботажне перемішування, яке здійснюється шляхом подачі в рідину газу, що розподіляється у вигляді бульбашок; змішання в потоці за допомогою нерухомих пристроїв; вібраційне та пульсаційної перемішування, здійснюване коливаннями різної частоти; циркуляційний перемішування; механічне перемішування, здійснюване за допомогою мішалок та шнеків, які роблять обертальний рух.

Виходячи з цього, авторами даної статті та аналізуючи [1-5] ставилось завдання вивчення процесу механічного перемішування субстрату за допомогою різноманітних механічних мішалок та шнеків в реакторі біогазової установки та отримання математичних співвідношень технологічних параметрів перемішування від параметрів установки та визначення найбільш ефективного типу мішалки, у порівнянні з іншими видами.

Основна частина

На цей час перемішування в рідких середовищах застосовується для приготування емульсій, суспензій та отримання однорідної, гомогенної суміші з різних компонентів, а також для інтенсифікації хімічних, теплових і дифузійних процесів.

Способи перемішування та вибір апаратури для його проведення визначаються метою перемішування і агрегатним станом матеріалів, які перемішуються. Розрізняють два основні способи перемішування в рідких середовищах - механічний за допомогою лопатних мішалок та шнеків різних конструкцій.

Найбільш важливими характеристиками пристроїв, які перемішують та які можуть бути покладені в основу їх порівняльної оцінки, є:

- ефективність пристрою, що перемішує;

- інтенсивність його дії.

Ефективність пристрою, що перемішує, характеризується якістю проведення процесу перемішування і може бути виражена по-різному, залежно від мети перемішування. Наприклад, в процесах отримання суспензій ефективність перемішування характеризується ступенем рівномірності розподілу твердої фази в об’ємі апарату. Інтенсивність перемішування визначається тривалістю досягнення заданого технологічного результату.

Тривалість гомогенізації залежить від типу мішалки і частоти її обертання та виражається за емпіричним рівняння

С

т = С, с, (1)

п

де: Сх - константа, що залежить від типу мішалки (визначається експериментально), для стандартних мішалок Сх наводиться в довідковій літературі;

п - частота обертання мішалки, с_1.

При детальному вивченні технологічного процесу біоенергетичної установки визначається, що основним елементом практично кожної біогазової установки є шнеки або лопатні мішалки.

Шнек - це пристрій, що закручує субстрат для перемішування у реакторі. Види шнекових мішалок наведено на рис. 1. Зазвичай для перемішування субстрату

використовують сосуди без перегородок (рис. 1 а), сосуди з перегородками (рис. 1 б), а також сосуди з дифузором та без перегородок (рис. 1 в).

Рис. 1. Види шнекових мішалок та потоків, які утворюються при перемішуванні субстрату [6]: а - у сосуді без перегородок; б - у сосуді з перегородками; в - у сосуді з дифузором та без перегородок; 1 - шнек; 2 - вал шнеку; перегородки; 4 - дифузор

У шнекових пристроях ступінь перемішування субстрату відбувається відповідно до закону обертання твердого тіла, який характеризується кутом закручування. У загальному випадку геометричний кут закручування на зовнішньому діаметрі dшн багатозаходного шнеку визначається виразом

^Ф ш =-Г-%, (2)

к • а

де dшн - зовнішній діаметр шнеку, м;

Ь - крок шнеку, м;

к - кількість витків.

Важливою геометричною характеристикою шнеку є еквівалентний діаметр канавки, який обчислюється за наступними формулами (2, 3):

4

для шнека з прямою канавкою

d э =

2 (s • sin Ф сер - б)Ч d шн - do )

2 (S • sin Ф сер - б)+ (d шн - do )

для шнека з трапецієвидною канавкою

2 [ 2 (S • sin ф сер -6)-(d шн - do ) ctgP^ sin Ф сер ]d шн - do);

• для стрічкового шнеку

(4)

2 (S • sin Ф сер - б) +

(d шн - d0 Н1 - cos р)

sln а

d э _

8S • sin Ф сер •(d шн - d0 )- л(d шн - d0 )2

2 [ 4S • sin Ф сер + л( шн - do ))

для шнека з напівкруглою канавкою

d _ л (S -sin Ф сер-б) л (d шн - do ) ,

(5)

2 + л

2 + л

(6)

де фсер - геометричним кут закручування на середньому діаметрі шнеку, град,

5 - товщина ребра шнеку при вершині, м;

Р - кут, що характеризує форму трапецієвидної канавки, град, ё0 - діаметр валу шнека, м.

Лопатні мішалки - це пристрій, що забезпечує, як і шнекові мішалки, перемішування субстрату у реакторі. Як правило, лопатеві мішалки є низько оборотні. Види шнекових мішалок наведено на рис. 2.

С З

— — —

1

С^>

/■

CJ>

І/'

с

і і .Я га -

2

сц>

З

CD

COD

/'

З

4

б С

н>-

4

ср

ш

c

1 — — Т-ГТ "l1 .■#

9 10

Рис. 2. Види лопатевих мішалок: 1 - вал мішалки; 2 - мішалка; 3 - відбивні перегородки; 4 - дифузор. Типи і характеристики мішалок позначені згідно номеру,

наведеному у таблиці

l

8

5

Лопатеві мішалки використовуються в тих випадках, коли немає необхідності в інтенсивній циркуляції рідини в апараті. Такі мішалки створюють головним чином окружну циркуляцію рідини і дуже незначну радіально-осьову циркуляцію. Основною гідністю лопатевих мішалок є їх простота, а також низька вартість в тих випадках, коли матеріал не є визначальний в загальній вартості їх виробництва.

Обертальний рух мішалки може здійснюватися безпосередньо від електродвигуна, або через редуктор чи клиноремінну передачу. Геометричні характеристики мішалок і апаратів наведено у таблиці.

Таблиця

Види та геометричні характеристики мішалок

№ поз. на рис. 2

Типи мішалок

Основні розміри мішалок

d/D ь/о п а

0,66 0,1 2 90°

0,66 0,1 2 90°

0,5 0,75 2 90°

0,5 0,75 2 90°

0,25 - 3 40°

3 ,3 0, 5 ,2 0, - 3 40°

3 ,3 о" ,2 0 - 3 40°

0,87 0,07 - 90°

0,25 0,2 6 90°

3 ,3 0, 5 ,2 0, 0,2 6 90°

1

Лопатна

Лопатна з перегородками

Листова

Листова с відбивними перегородками_________

Пропелерна

Пропелерна з відбивними перегородками____________

Пропелерна с дифузором

Рамна

Турбінна

10

Турбінна з відбивними перегородками

2

3

4

5

6

7

8

9

При эксплуатации мешалок основополагающим в процессе перемешивания субстрата является оптимизация энергетических характеристик устройств перемешивания. Выбранные нами виды мешалок имеют наибольшее распространение в практике биоэнергетических установок, но наиболее важной характеристикой таких мешалок является мощность, расходуемая на перемешивание субстрата. Из установленных на практике характеристик, существенное влияние на мощность мешалок оказывают:

- плотность и вязкость жидкости, у, кг/м3;

- вязкость жидкости, ц, Пас;

- число оборотов мешалки, п, с_ ;

- ускорение свободного падения, g, м/с2;

- диаметр мешалки, d, м;

- диаметр реактора, D, м;

- высота жидкого субстрата в реакторе, Н, м;

- размеры, форма и число лопаток мешалки;

- наличие отражательных перегородок, их форма и количество.

Таким образом, мощность, которая расходуется на перемешивание субстрата, можно выразить функциональной зависимостью

N = ^п, у, ц^^,...).

В соответствии с принципами анализа размерностей [7], мощность мешалки можно выразить упрощенным выражением

Еим • Frм •X ~ Кк,

где Еим - модифицированный критерия Эйлера для процессов перемешивания,

Еи _ N ^ к .

Еи з 15 ~ Кк;

П • й •у

Reм - модифицированный критерия Рейнольдса для процессов перемешивания, п•й2 •у ;

Л

п2 • й

Re =

Frм - модифицированный критерия Фруда для процессов перемешивания, Fr = -

1м

g

X - симплекс геометрического подобия (Х=D/d), характеризующий соотношение характеристик реактора и мешалки;

^ - коэффициент мощности, характеризующий энергетическое соотношение чисел Эйлера и Рейнольдса.

Число Рейнольдса критериально характеризует вид течения субстрата в реакторе. По принятой классификации при поток жидкости характеризуется ламинарным течением; при наблюдается турбулентный поток жидкости; диапазон 100<Яе<Ш4 является переходной областью и зависит от состояния жидкости и условий перемешивания.

В приведенной зависимости критерий Фруда оказывает влияние на процесс перемешивания с учетом размера частиц, находящихся в субстрате, а также соотношения геометрических характеристик реактора и мешалки. При анализе течения субстрата в диапазоне чисел Рейнольдса от 1 до 300 (переходная область) критерий Фруда не учитывается, т.е. принимается нулевая степень для Fм в уравнении оценки мощности мешалки. При числе Рейнольдса более 300 наблюдается влияние скорости потока субстрата на величину Fм. На рис. 3 приведено соотношение критерия Эйлера

Число Рейнольдса Яе

Рис. 3. Соотношение чисел Эйлера (критерия мощности) и Рейнольдса при различных режимах течения субстрата в реакторе: 1 - шнековая мешалка; 2 - лопастная мешалка

Как видно из рисунка, при усилении режима перемешивания до величины числа Рейнольдса Re=300, наблюдается значительное снижение коэффициента мощности. Это можно объяснить появлением кругового движения субстрата в реакторе, что способствует уменьшению затрат энергии на перемешивание. При увеличении числа Рейнольдса (Яе>300) на величину К начинает оказывать влияние скорость движения субстрата. Такой же эффект наблюдается при использовании перегородок на пути следования потока субстрата. В этом случае начинает оказывать влияние величина числа Фруда и в уравнение для оценки

a Яе

коэффициента мощности используется зависимость Fг ь , где величины а и Ь устанавливаются, в зависимости от конструкции мешалки и реактора. Следует подчеркнуть, при использовании реакторов без перегородок даже увеличение числа Фруда способствует снижению коэффициента мощности.

В переходной области видны две зоны, разграниченные значением Ве - 300. Экспериментально установлено, что это значение критерия Рейнольдса соответствует появлению кругового движения всей жидкости в аппарате с мешалкой (образовывается центральная воронка). При больших величинах Кс обнаруживается влияние отражательных перегородок и критерия Фруда па мощность, расходуемую на перемешивание.

Цель установки отражательных перегородок — препятствовать вовлечению находящейся в сосуде жидкости в круговое движение, поэтому при Ке <300 их влияние не обнаруживается, тогда как при Не > 300 это влияние очень заметно. Мешалки, работающие в сосуде с отражательными перегородками, потребляют па перемешивание жидкости гораздо большую мощность (кривые 1,6 я 2, б).

Круговое движение жидкости в аппарате с мешалкой понижает мощность, расходуемую на перемешивание, что учитывается критерием Фруда. По той же причине критерий Фруда не оказывает влияния па мощность во всем диапазоне ео характеристик для сосудов с отражательными перегородками и в области значений критерия Рейнольдса Ко <300 для сосудов без отражательных перегородок. Поэтому для этих случаев перемешивания значение показателя степени В было принято равным нулю (В = 0). Для сосудов без отражательных перегородок при Ке Л 300 критерий Фруда оказывает влияние на мощность, расходуемую на перемешивание жидкости. Раштон, Костих и Эверетт определили это влияние и установили значение показателя степени В. С этой целью авторы нашли характеристики

Висновки

1. Детально вивчені енергетичні питання, пов'язані з роботою шнекового пристрою у біогазовій установці.

2. Детально вивчені енергетичні питання, пов'язані з роботою шнекового пристрою в біогазовій установці, при цьому отримані залежності вихорів Тейлора-Гертлера в прикордонному шарі від конструктивних параметрів шнека.

3. На графіку 3 авторами показана найбільш енергетично вигідна для використання у біоенергетичних установках мішалка, яка показана у вигляді пунктирної лінії.

Список літератури

1. Курис Ю. В. Анализ энергетического баланса производственно - животноводческого комплекса ЗАО “Запорожсталь” с использованием биоэнергетической установки: Сборник конференции «Биотехнология: Образование, наука» / Ю. В. Курис, Е. Н. Крючков; НТУ КПИ. - 2003. - г. Киев, С. 141-143.

2. Качан Ю. Г. Изучение процессов при работе шнекового устройства в реакторе биогазовой установки / Ю. Г. Качан, Ю. В. Курис, И. Н. Левицка // Профессиональный журнал «Энергосбережение, энергетика, энергоаудит». г. Харьков, - № 2. - 2009. - С. 40-49.

3. Качан Ю. Г. Процессы перемешивания субстрата в реакторе биогазовой установки / Ю. Г. Качан, Ю. В. Курис, И. Н. Левицка//Профессиональный журнал “Восточноевропейский журнал передових технологий”. г. Харьков, - № 2. - 2009. - С. 4-9.

4. Куріс Ю. В. Ексергетична та термоекономічна оптимізація комплексу біогазової установки / Ю. В. Куріс // Фаховий журнал Національного університету Біоресурсів “ Енергетика та автоматика ”. м. Київ, - № 3. - 2010. - С. 38-50.

5. Куріс Ю. В. Оптимізація енергосистем, що використовують поновлювальні джерела енергії // Ю.В. Куріс, II Фаховийяцфнал «Промелектро». м. Київ, - № 5.-20 10 . -С. З5-43.

6. СтренкФ.Перемешивание и аппараты с мешалками - Л.: Издат «Химия», 1975. - 385 с.

7. Броджмен Анализразмк«носткй - М., 2»01.-148с.

БОЕЗЕАТКаНОЕ АВАРТАТ1О14НА«<В1МРКОУЕМЕГЧТОЕРКОСЕГ-Е8 OF ЕГЕТЕВЕВЗКЖСС ІЕ ТИК ВІО СА МЕЕАЕВКСЗ

I. F. CHERVONIY, Dr. Scie. ТесЬ Іи. С.КЦЫ8,СапС. ТескБСе.

Іп ікеагйсІеікеІа5к о/хШУуо/ргосеяя о/тесИапісргосерго/Шег]іі8Іоп о/ яиЬеїгаМа \vcis роа Ъу сІі0/егеМтес0опісаІ тіхеоо паУ уПпеРауіп іЬеееаете о/екоЬіопаа яеШпо стП еесефо о/ таМетШіааІ аorrelрtionsoftec0арlрgicalрпгптеіеге е/іаівг/иеіра/ъет і0е рагптеіеге е/ ееіііаі.

Поступила в редакцию