Механизмы генерирования тепла в роторном импульсном аппарате Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Процессы и аппараты химических и других производств. Химия

УДК 632.:658.011.46

МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ТЕПЛА В РОТОРНОМ ИМПУЛЬСНОМ АППАРАТЕ М.А. Промтов, В.В. Акулин

Кафедра «Машины и аппараты химических производств», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: диссипация энергии; кавитация; роторный импульсный аппарат; теплообразование.

Аннотация: Проведен анализ механизмов нагрева жидкости в роторноимпульсном аппарате. Экспериментально исследован процесс нагрева воды в одно- и многоступенчатых роторно-импульсных аппаратах.

Обозначения

сс - удельная теплоемкость стали, Дж/(кг-°С); св - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг-°С); Ео - энергия образование кавитационного пузырька, Дж;

Ес - энергия сжатия кавитационного пузырька, Дж;

К - коэффициент теплопроизводительности; Мв - масса воды, кг;

Мо - масса оборудования, кг;

Мз - массовый расход жидкости, кг/с;

N - затраты мощности на вращение ротора, Вт;

Р - давление в жидкости, при котором происходит схлопывание пузырька, Па;

Рп - давление насыщенного пара при данной температуре, Па;

Р0 - давление в жидкости, Па;

Qо - количество тепла, потраченного на нагрев оборудования, Дж;

Qв - количество тепла, потраченного на нагрев жидкости, Дж;

Qп - потери тепла в окружающую среду, Дж;

г - радиус пузырька, м;

гШах - радиус пузырька при максимальном

расширении, м;

гтщ - радиус пузырька при полном сжатии,

м;

гнач - начальная температура, °С; гкон - конечная температура, °С;

Аг - изменение температуры жидкости, °С; П - коэффициент полезного действия (КПД); ик - объем кавитационного облака, м3; ст - поверхностное натяжение, Н/м;

Ф - концентрация кавитационных пузырьков в жидкости.

В настоящее время большое внимание уделяется поиску новых, экологически безопасных и эффективных способов получения энергии. Особое внимание при этом обращается на доступность и воспроизводимость энергетического сырья, экологическую безопасность, экономичность, промышленную реализуемость, надежность, простоту изготовления и эксплуатации оборудования.

Роторные импульсные аппараты (РИА), используемые, в основном, для интенсификации гидромеханических и массообменных процессов, применяются также и как генераторы тепловой энергии [1, 2]. В РИА нагреваемая жидкость

подается под давлением в полость ротора, проходит через отверстия ротора, меж-цилиндровый зазор, отверстия в статоре и выводится из аппарата через рабочую камеру. При вращении ротора его отверстия периодически совмещаются с отверстиями в статоре, что вызывает периодические пульсации потока жидкости. В результате этого в жидкости возникают импульсы давления и разрежения, интенсивная кавитация, развитая турбулентность, большие сдвиговые напряжения.

Механизм получения тепловой энергии за счет кавитации основан на ее вторичных нелинейных эффектах в жидкости. Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В момент схлопывания кавитационного пузырька давление и температура газа достигают значительных величин.

В работе [3] сделана оценка эффективности нагрева жидкости за счет кавитационных эффектов. Энергия, затрачиваемая на образование кавитационного пузырька, заполненного паром, определяется как

Ео = 4пг2ст+ -4 пг3(Р0 + Рп).

В первом приближении принимается Р0 = Рп.

Энергия сжатия кавитационного пузырька, определяется по формуле

4 з 3 4 з

Ес = "3 пР(гтах — гтш ) ~ 3 пРгтах .

При образовании в воде пузырька радиусом 1 мм при температуре t = 10 °С,

з

давлении насыщенного пара Рп = 1,25 -10 Па, поверхностном натяжении

ст = 7,28 -10-4 Н/м, энергия образования пузырька равна Ео = 1,995 -10-5 Дж.

Энергия сжатия пузырька жидкостью, находящейся при атмосферном давлении

Р = 105 Па, равна Ес = 4,189 -10-4 Дж. Таким образом, энергия сжатия пузырька

более чем в 20 раз превышает энергию его образования [3].

В табл. 1 приведены значения отношения энергии сжатия и энергии образования кавитационного пузырька при различных значениях давления в жидкости и давления паров в кавитационном пузырьке.

Таблица 1

Значение отношения энергии сжатия к энергии образования каватационного пузырька при различных значениях давления насыщенных паров в каватационном пузырьке и давления в жидкости

Р-105, Па Рп -105, Па

0,1 0,5 1 1,5 2 0,0238 0,0752 0,2031 0,483 0,715

t = 20 °С t = 40 °С t = 60 °С t = 80 °С t = 90 °С

Ес Ео 2,1 10,5 20,9 31,5 41,9 20,99 6,65 2,46 1,04 0,69

На основании этих данных можно сделать вывод, что энергия сжатия кавитационного пузырька увеличивается линейно в зависимости от давления в окружающей жидкости. При увеличении температуры воды и, соответственно, давления насыщенных паров, отношение энергии сжатия и энергии образования кавитационных пузырьков уменьшается. При увеличении давления в жидкости, величина отношения энергии сжатия к энергии образования кавитационного пузырька увеличивается.

Для оценки эффективности работы такой системы коэффициент теплопроиз-водительности можно рассчитать по формуле [3]

к = (Ес - Ео )<р [г(Р - 2РП) - 3а]Ф Ео 2гРп + 3ст

Массовую концентрацию кавитационных пузырьков, образующих кавитационное облако, можно определить как отношение объема кавитационного облака к объему кавитационного пузырька при максимальном расширении

3ик

ф = —3-.

4пг

^'итах

Отсюда делается вывод, что если гидравлическая система, в которой работает теплогенератор, открыта по давлению, то сжатие пузырька происходит под давлением окружающей жидкости, то есть происходит приток энергии к жидкости из окружающей среды [3].

Энергия, сообщаемая жидкости за счет схлопывания кавитационных пузырьков, прямо пропорциональна их количеству. Степень развитости кавитации определяет индекс кавитации, показывающий отношение объема кавитационного облака к общему объему жидкости в активной рабочей зоне [1]. При развитой кавитации значение индекса кавитации стремится к единице.

Вторым механизмом генерирования тепла в РИА является нагрев жидкости за счет трения в зазоре между ротором и статором. Величина теплообразования зависит от количества энергии, диссипируемой в зазоре. При вращении ротора РИА жидкость нагревается за счет диссипации энергии. Определить температуру нагрева жидкости за промежуток времени Дх можно исходя из теплового баланса, считая, что тепловые потери отсутствуют

N Дт = MзcДтДt.

Изменение температуры жидкости за счет трения в зазоре можно выразить в

N

виде: Дt =----.

Мзс

Количество тепла, переданное жидкости за счет трения в зазоре, равно количеству энергии, диссипируемой в зазоре при вращении ротора. Затраты энергии на вращение ротора можно определить по методикам рассчета, рекомендуемыми авторами работ [4, 5]. При малой величине зазора расход жидкости Мз через зазор значительно меньше общего расхода М через РИА. Поэтому в реальных условиях часть жидкости, проходящая через зазор и нагревающаяся в нем, смешивается с основным потоком, и поэтому повышение температуры жидкости, прошедшей через зазор, незначительно и зависит от соотношения Мз и М.

Для определения эффективности работы РИА в качестве теплогенератора необходимо рассчитать следующие параметры:

- количество тепловой энергии, затраченной на нагрев жидкости

Qв = Мв - св (tкон — ^нач ) ;

- количество тепла, израсходованное на нагрев оборудования

Qo = Мосс (кон — ^ач ) ;

- реальный коэффициент теплопроизводительности

к = бв + бо + бп .

б N - 3600 .

- коэффициент полезного действия (КПД)

бв

п =

Ж•3600

Энергия, необходимая для работы РИА, складывается из энергии, затрачиваемой для вращения ротора и энергии, затрачиваемой для нагнетания жидкости в РИА. Потери тепла в окружающую среду бп определяются стандартными методами расчета.

Для определения коэффициента теплопроизводительности и КПД нами были произведены экспериментальные исследования по нагреву воды в одно-, двух- и четырехступенчатом РИА. Исследования проводились на установке, включающей РИА, емкость, насос, расходомер, датчики температуры, счетчик электроэнергии. Вода нагнетается в РИА из емкости насосом, затем направляется обратно в емкость. При работе установки контролировались следующие параметры: температура в емкости и на выходе из РИА. давление на входном и выходном патрубке РИА; расход воды; потребляемая мощность. При работе с многоступенчатым РИА насос не использовался. Многоступенчатый РИА включал в себя две и четыре ступени соответственно. Каждая ступень состоит из лопастного колеса, ротора и статора. Многоступенчатый РИА представляет собой совмещенную конструкцию центробежного насоса и РИА. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду все оборудование и трубопроводы были теплоизолированы.

Первая серия экспериментов была произведена на одноступенчатом РИА с водой массой М1 = 22 кг, и водой массой М2 = 44 кг. По результатам экспериментов были получены зависимости температуры воды и потребляемой мощности от времени /ср = /(т), ^,р = /(т). Графики зависимостей приведены на рис. 1.

Вторая серия экспериментов по нагреву воды массой М3 = 230 кг и М4 = 340 кг проводилась в двухступенчатом РИА. Третья серия экспериментов по нагреву воды массой М5 = 250 кг и М6 = 310 кг проводилась в четырехступенчатом РИА. По результатам экспериментов были получены зависимости температуры воды и потребляемой мощности от времени / = /(т), N = /(т). Графики зависимостей приведены на рис. 2.

Значения коэффициента теплопроизводительности и КПД для каждой серии экспериментов приведены в табл. 2. Потери тепла в окружающую среду принимались равными 10 % от тепла, затраченного на нагрев воды и оборудования.

т, мин

Рис. 1 Графические зависимости температуры воды £ и потребляемой энергии N от времени т, при обработке в одноступенчатом РИА, при нагреве воды массой:

1, 3 - М1 = 22 кг; 2, 4 - М2 = 44 кг

т , мин

Рис. 2 Графические зависимости температуры £ воды и потребляемой энергии N от времени т в многоступенчатом РИА, при нагреве воды массой:

1, 5 - М3 = 230 кг; 2, 6 - М4 = 340 кг; 3, 7 - М5 = 250 кг; 4, 8 - М6 = 310 кг

Таблица 2

Значения коэффициента теплопроизводительности и КПД

Одноступенчатый РИА Двухступенчатый РИА Четырехступенчатый РИА

Параметр Масса воды

М1 М2 М3 МА М5 М6

Kq 1,71 1,81 1,75 1,78 1,73 1,60

П 0,519 0,652 0,548 0,706 0,547 0,576

Анализ графических зависимостей по нагреву воды в роторных импульсных теплогенераторах показывает, что основным фактором нагрева является кавитация. На это указывает нелинейность кривых роста температуры воды. При увеличении температуры воды растет давление насыщенных паров внутри кавитационных пузырьков, что уменьшает их энергию при сжатии, и, следовательно, интенсивность нагрева.

Список литературы

1 Промтов, М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика / М. А. Промтов. - М.: Машиностроение-1, 2001. - 260 с.

2 Пат. 2054604. Российская Федерация, С1 6 Б 24 I 3/00, в 21 В 1/00. Способ получения энергии / А.Ф. Кладов. - Заявл. 02.07.93; опубл. 20.02.96, Бюл. №5, -11 стр.: 9 ил.

3 Запорожец, Е.П. Исследование вихревых и кавитационных потоков в гидравлических системах / Е.П. Запорожец, Л.П. Холпанов, Г.К. Зиберт, А.В. Артемов // Теор. основы хим. технол. - 2004. - Т.38. - №3. - С. 243-252.

4 Промтов, М.А. Исследование гидродинамических закономерностей работы роторно-импульсного аппарата // Теор. основы хим. технол. - 2001. - Т.35. -№1. - С. 103-106.

5 Червяков, В.М. Определение энергозатрат в роторных аппаратах / В.М. Червяков, А.А. Коптев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2005. - №4. - С. 10-12.

Mechanisms of Heat Generating in the Rotor Impulse Apparatus M.A. Promtov, V.V. Akulin

Department “Machines and Apparatuses of Chemical Production”, TSTU

Key words and phrases: cavitation; energy dissipation; heat formation; rotor impulse apparatus.

Abstract: The analysis of mechanisms of heating liquid in rotor impulse apparatus is carried out. The process of heating water in one- and multi-step rotor impulse apparatuses is studied experimentally.

Mechanismen der Warmegeneration im Rotorimpulsapparat

Zusammenfassung: Es ist die Analyse der Mechanismen der Erwarmung der Flussigkeit im Rotorimpulsapparat durchgefuhrt. Es ist der Prozess der Wassererwarmung in den ein- und mehrstufigen Rotorimpulsapparaten experimental untersucht.

Mecanismes de la generation de la chaleur dans un appareil impulseur de rotor

Resume: Est exposee l’analyse des mecanismes du chauffage du liquide dans un appareil impulseur de rotor. Est etudie experimentalement le processus du chauffage de l’eau dans les appareils impulseurs de rotor monoetages et ceux a etages multiples.