Исследование скорости вращения газожидкостной смеси на вихревой ступени при ректификации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

С ростом скорости газа в каналах наблюдается снижение газосодержания (рис. 2, а), что вызвано уменьшением диаметра пузырьков за счет их дробления и сжатия. Для оценки величины газосодержания получено соотношение

ц = Си -°'8( а/ а0 )°'25, (5)

где а - коэффициент поверхностного натяжения рабочей жидкости; ао - коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 2° оС.

Величина константы С определяется из начальных условий.

Экспериментальные данные позволили рассчитать межфазную поверхность слоя жидкости на вихревой ступени (рис. 3).

а, м-1

4000

3000 2000 1000

Рис. 3. Зависимость межфазной поверхности от скорости газа в канале завихрителя: §о = 1-2 мм; О - f/F = 0,045; □ - 0,03; Д - 0,02.

Линии из точек - начало кольцевого режима

Заключение. Полученная зависимость для определения диаметра парового пузыря, предложенная в данной статье, позволяет приблизить расчетные значения к экспериментальным. Это, в свою очередь, дает возможность более точно подходить к расчету ректификационных колонн, применяемых при получении и очистке этанола, получаемого на основе гид-ролизата растительного сырья.

Библиографические ссылки

1. Войнов Н. А., Кустов А. В., Николаев Н. А. Получение безводного этанола при ректификации под

вакуумом // Хвойные бореальной зоны. 2012. № 3-4. С.373-378

2. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань : Новое знание, 2005. 288 с.

3. Войнов Н. А., Николаев Н. А., Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне // Химическая промышленность. 2008. Т. 85, № 8. С. 413-419.

4. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработке растительного сырья : автореф. дис. ... канд. техн. наук ; 05.21.03. Красноярск : СибГТУ, 2010.

5. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Т. 82, № 4. С. 730-735.

References

1. Voinov N. A. Kustov A. V., Nikalaev N. A. Polu-chenie bezvodnogo etanola pri rektifikacii pod vakuumom [Preparation of anhydrous ethanol under vacuum distillation] // Hvoinye borealnoy zony. 2012. № 3-4. P. 373-378.

2. Ovchinnikov A. A. Dinamika dvuhfaznuh turbu-lentnyh techenii v vihrevyh separatorah. [The dynamics of the two-phase swirling turbulent flows in vortex separators]. Kazan: JSC "New knowledge", 2005. 288 p.

3. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Gidrodinamika I massoobmen v vihrevoy rektifikacion-noy kollone [Hydrodynamics and mass transfer in a vortex distillation column] // Chemical industry. 2008. Vol. 85, № 8. P. 413-419.

4. Kustov A. V. Gidrodinamika I massoobmen na vi-hrevuh rektifikacionnyh ctupenyah pri pererabotke ras-titelnogo surya [Hydrodynamics and mass transfer in the vortex of distillation steps in the processing of vegetable raw materials] Abstract of thesis of Candidate of Science; 05.21.03. Krasnoyarsk : SibGTU, 2010. 22 p.

5. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A.V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column [text] // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Vol. 82, № 4. P. 730-735.

© Кустов А. В., Федорченко И. С., Гончарова Я. С., Букельманов И. И., 2016

f

□

/ /и ■

? } s*

/ А • • i •

0 5 10 15 u, м/с

УДК 66.015.23

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ НА ВИХРЕВОЙ СТУПЕНИ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ

А. В. Кустов*, П. С. Шастовский, Е. С. Васильченко, А. А. Карелина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: alexkust@rambler.ru*

Представлено исследование скорости движения газожидкостного слоя на вихревой контактной ступени. Изучены режимы движения слоя. Представлена зависимость для расчета.

Ключевые слова: контактная ступень, скорость, режимы течения.

Фешетневс^ие чтения. 2016

STUDYING SPEED LIQUID MIXTURE EDDY STAGE AT RECTIFICATION

A. V. Kustov*, P. S. Shastovsky, E. S. Vasilchenko, A. A. Karelina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: alexkust@rambler.ru*

The article presents a study of the velocity of the gas-liquid layer on the vortex contact stage. It studies modes of layer movement. Dependence for calculation is presented.

Keywords: contact stage, the rate of flow regimes.

Введение. В настоящее время наметилась тенденция использования вихревых контактных тепломассо-обменных ступеней для проведения процессов абсорбции и ректификации в технологических линиях, в частности по переработке растительного сырья. Вихревые колонны не уступают по своим массооб-менным параметрам самым эффективным аппаратам насадочного типа, однако более производительны, менее металлоемки и масштабируемы, а также имеют сравнительно невысокое гидравлическое сопротивление, что позволяет использовать их для ведения процесса под вакуумом. Однако информация по исследованию и конструированию ректификационных колонн с вихревыми контактными ступенями носит в большей степени рекламный характер, что не позволяет подойти к научно обоснованному методу их расчета, выбору наиболее оптимальных вариантов конструкций, технологических режимов и требует комплексных исследований.

Основными требованиями, предъявляемыми при конструировании вихревой контактной ступени для ректификационных колонн, являются: обеспечение развитой межфазной поверхности, достижение высокой турбулентности потоков и удерживающей способности по жидкости при сравнительно низком гид-

равлическом сопротивлении и большой нагрузке по газу, что может быть достигнуто путем равномерного диспергирования газа в жидкость и создания условий для интенсивного вращательного движения газожидкостной смеси на ступени.

Анализ вихревых контактных ступеней показывает, что использование винтовых вставок, а также лопастных завихрителей не позволяет обеспечить интенсивное диспергирование газа и высокую удерживающую способность по жидкости по причине достаточно больших размеров каналов для прохода газа. Наибольший интерес для проведения процесса ректификации представляют контактные ступени, тарелки которых выполнены из тонких листов, снабженных профилированными щелями, отогнутые кромки которых образуют каналы для прохода пара, а также устройства с тангенциальным вводом газа. В указанных конструкциях газ, проходя через щели, приобретает высокую скорость, равномерно распределяется в слое жидкости на ступени, интенсивно дробится, образуя вращающуюся газожидкостную смесь.

Режимы течения на ступени. В зависимости от расхода газа можно выделить три основных режима течения газожидкостной смеси на ступени (рис. 1): барботажный; кольцевой; пленочный.

а б

Рис. 1. Фотографии газожидкостной смеси на ступени при D = 114 мм: а - барботажный режим; б - кольцевой; в - пленочный

1ЛК ,

м/с

30

20

10

А ►

\

\ \ О -1; А - 2; ■ - 3. -

\\ о

А

\<

"д

0

0,02

0,04

0,06 0,08 f / F

Рис. 2. Зависимость критической скорости газа от коэффициента крутки на системе «воздух-вода» при Б = 100 мм, V = 200 мл; t = 15 оС. Экспериментальные точки (1-3): 1 - многолопастной осевой завихритель при п = 18, 8о = 1 мм, I = 10 мм; 2 - тангенциальный завихритель при п = 18, 8о = 1 мм, I = 10 мм; 3 - многолопастной осевой конический завихритель при п = 16, 80 = 1 мм, I = 26 мм

Для контактных ступеней ректификационных колонн с целью получения развитой межфазной поверхности и низкого гидравлического сопротивления наибольший интерес представляет кольцевой режим течения, который наблюдается при достижении определенной скорости газа ик на выходе из каналов [1; 2; 3].

При кольцевом режиме течения жидкость из центральной части колонны за счет силы инерции выдавливается к периферии с образованием вращающегося газожидкостного слоя в виде конуса, а при большей скорости - цилиндра с начальным внутренним диаметром 15-20 мм. По мере роста скорости газа происходит уменьшение толщины слоя и увеличение его высоты.

При достижении скорости газа равной ип (которая также указывает на начало оголения каналов для прохода газа) наблюдается пленочный режим течения с раздельным течением газа и жидкости. При этом режиме происходит отток газовых пузырьков из жидкостного слоя и не реализуется их обновление.

При допущениях о том, что вращающийся цилиндрический газожидкостный слой ведет себя как твердое тело [4; 5], силы инерции и давления равномерно распределены по высоте потока, условие равновесия сил в момент образования кольцевого режима можно представить в виде

т ю^ > р^(1-ф) 5", (1)

где т - масса жидкости; ю - угловая скорость вращения; R - радиус вращения; Н - высота столба газожидкостной смеси; 5 - внутренняя поверхность вращающегося газожидкостного слоя; g - ускорение свободного падения; р - плотность жидкости; ф - газосодержание.

Тогда из (1) несложно получить

ю =

gH (1 -ф)

5R

(2)

где 5 - толщина газожидкостного слоя.

Согласно (2) скорость газа, при которой наступает кольцевой режим течения, зависит от объема жидкости на ступени и газосодержания и величины радиуса окружности, на которой размещены каналы для прохода газа. Увеличение R и ф приводит к снижению

критической скорости газа ик, а рост объема жидкости иа ступени к ее повышению.

С увеличением площади сечения каналов для прохода газа (или коэффициента крутки А = fF) переход в кольцевой режим течения осуществляется при меньшей скорости газа.

Экспериментальные значения критической скорости газа от фактора крутки для разных типов завихрителей и объема жидкости на ступени показаны на рис. 2.

На основе полученного экспериментального материала зависимость для расчета критической скорости газа имеет следующий вид:

щ = С f/F)-0,8 (H/D)0,7 (Рж (1 - ф)/Рг), (3) где коэффициент С = 0,007 для осевого завихрителя и С = 0,006 для тангенциального завихрителя; F - площадь сечения контактной ступени; H - уровень газожидкостной смеси на ступени; D - диаметр ступени; Рж и Рг - плотность газа и жидкости.

Уравнение (3) справедливо при диаметре завихрителя (80-120) мм, угле наклона каналов 30-40о к касательной и величине коэффициента динамической вязкости жидкости цж = (0,6-1,6)х 10-3 Па-с.

Выполнение полотна ступени на конус приводит к существенному снижению величины критической скорости, что обусловлено влиянием силы инерции, действующей вдоль образующей конуса, которая способствует перемещению жидкости к периферии.

Следует отметить, что размещение на внутренней поверхности колонны ребер или установка в верхней части ограничителей приводит к гашению крутки потока и резко изменяет значение uk в сторону ее увеличения.

Переход в пленочный режим для ступени с осевыми завихрителями осуществляется при uk/un ~ 0,6, а при тангенциальном - при uk/un ~ 0,5. Как видно, контактные ступени с тангенциальным вводом газа имеют больший рабочий диапазон устойчивого кольцевого течения, и поэтому рекомендуется к использованию в инженерной практике.

Библиографические ссылки

1. Войнов Н. А., Кустов А. В., Николаев Н. А. Получение безводного этанола при ректификации под

0

Решетневс^ие чтения. 2016

вакуумом // Хвойные бореальной зоны. 2012. № 3-4. С. 373-378.

2. Овчинников А. А. Динамика двухфазных закрученных турбулентных течений в вихревых сепараторах. Казань : Новое знание, 2005. 288 с.

3. Войнов Н. А., Николаев Н. А., Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен в вихревой ректификационной колонне // Химическая промышленность. 2008. Т. 85, № 8. С. 413-419.

4. Кустов А. В. Гидродинамика и массообмен на вихревых ректификационных ступенях при переработке растительного сырья : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.21.03. Красноярск : СибГТУ, 2010.

5. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Т. 82, № 4. С. 730-735.

References

1. Voinov N. A. Kustov A. V., Nikalaev N. A. Polu-chenie bezvodnogo etanola pri rektifikacii pod vakuumom [Preparation of anhydrous ethanol under vacuum distillation] // Hvoinye borealnoy zony. 2012. № 3-4. P. 373-378.

2. Ovchinnikov A. A. Dinamika dvuhfaznuh turbu-lentnyh techenii v vihrevyh separatorah. [The dynamics of the two-phase swirling turbulent flows in vortex separators] // Kazan: JSC "New knowledge". 2005. 288 p.

3. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Gidrodinamika I massoobmen v vihrevoy rektifikacion-noy kollone [Hydrodynamics and mass transfer in a vortex distillation column] // Chemical industry. 2008. Vol. 85, № 8. P. 413-419.

4. Kustov A. V. Gidrodinamika I massoobmen na vi-hrevuh rektifikacionnyh ctupenyah pri pererabotke ras-titelnogo surya [Hydrodynamics and mass transfer in the vortex of distillation steps in the processing of vegetable raw materials] Abstract of thesis of Candidate of Science; 05.21.03. Krasnoyarsk: SibGTU. 2010. 22 p.

5. Voinov N. A., Nikolaev N. A., Kustov A. V. Hydrodynamics and mass exchange in vortex rectifying column [text] // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Vol. 82, № 4. P. 730-735.

© Кустов А. В., Шастовский П. С., Васильченко Е. С., Карелина А. А., 2016

УДК 62-233.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЖЕСТКОСТИ ОСЕВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА НА СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ РОТОРА

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА

М. В. Поляков

АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634041, г. Томск, просп. Кирова, 56в Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: info@polus-tomsk.ru

Рассмотрено влияние коэффициента жесткости осевого электромагнитного подшипника на собственные частоты ротора электродвигателя-маховика системы ориентации и стабилизации космического аппарата.

Ключевые слова: электродвигатель-маховик, собственная частота, электромагнитный подшипник.

IMPACT OF AXIAL ACTIVE MAGNETIC BEARING STIFFNESS COEFFICIENT ON RESONANCE FREQUENCIES OF REACTION WHEEL ROTOR

M. V. Polyakov

SC «Scientific & Industrial Centre «Polyus» 56v, Югстуа Av., Tomsk, 634041, Russian Federation National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenina Av, Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: info@polus-tomsk.ru

The paper presents the results of impact analysis of axial active magnetic bearing stiffness coefficient on resonance frequencies of rotor for magnetic bearing reaction wheel of spacecraft attitude control system.

Keywords: reaction wheel, resonance frequency, active magnetic bearing.

Введение. При определении собственных частот ротора в магнитном подвесе зачастую исследуется влияние только радиальных электромагнитных подшипников (РЭМП) [1-5]. В таком анализе рассматри-

вается модель, где ротор установлен на упруго-демпферных опорах, характеризующихся коэффициентами жесткости Ср и демпфирования Вр, моделирующих радиальные электромагнитные подшип-