Моделирование процессов теплои массообмена в вакуумной градирне Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Задача решалась в осеснмметрнчной постановке; деформации и напряжения, возникающие за счет нагрева материала, не учитывались. Выбранная расчетная модель Extended Druker-Prager (EDP) учитывала поведение сыпучих материалов (грунтов, песков и др.) под действием приложенных нагрузок и выполнялась с учетом анализа на сходимость при изменении количества элементов. Анализ поведения материала при заданных рабочих условиях позволил разработать рекомендации и методику инженерного расчета процесса уплотнения наноразмерного материала в канале фильеры, представленную на рис.4.

Таким образом, можно заключить, что компьютерное моделирование является одним из актуальных методов исследования новых материалов с содержанием наноразмерных компонентов, чье поведение пока не представляется возможным изучать с помощью реального технологического оборудования. Результаты моделирования позволят в дальнейшем сократить риски при переходе от модели к действующим технологиям, а также дадут возможность проводить технологические процессы на производстве в безопасных режимах без дополнительных трудоемких экспериментов. В целом, современные интерактивные среды моделирования являются мощными инструментальными средствами, позволяющими спрогнозировать поведение различных материалов и систем на этапах их получения и отработки технологий в промышленности.

Литература:

1. Generalov М.В., Klevleev V.M., Kuznetsova I.A., Pilyagina A.O. Dynamic drawing of powder material through a conical die. Chemical and Petroleum Engineering, 2009, Volume 45, Numbers 1-2, P. 57-59.

2. Клевлеев В.M., Кузнецова И.А. Теоретическая модель процесса уплотнения ультрадисперсного материала в сужающейся фильере с учетом изменения коэффициента бокового давления. «Химическое и нефтегазовое машиностроение», № 9, 2010. с. 3-7.

3. Кузнецова И.А., Лаптев Н.И., Клевлеев В.М. Особенности поведения наноразмерных материалов при компактировании и модель формования их в сложном канале фильеры. Спецсборник СамГТУ, вып. № 5, 2010., с. 73-81.

4. Левицкий A.A. Информатика. Основы численных методов. Лабораторный практикум. КГТУ. 2005. 120 с.

5. Шимановский А.О., Путято A.B. Применение метода конечных элементов в решении задач прикладной механики. Гомель: БГУТ, 2008. - 64 с.

Моделирование процессов тепло- и массообмена в вакуумной градирне

д.т.н. проф. Маринюк Б.Т., к.т.н. Крысанов К.С., Спритнюк C.B.

Университет машиностроения 8(926)905-84-34, spritnyuk(ä)ya.ru Аннотация. В статье рассмотрен процесс охлаждения воды методом вакуумно-испарительного воздействия в сочетании с конвективным движением воздуха в противотоке. Проведено сравнение с методом охлаждения воды в вентиляторной градирне. Выявлены преимущества описанного способа охлаждения. Представлена схема и принцип действия установки. Изложена аналитическая модель расчета предельного значения конечной температуры воды при конкретных условиях ведения процесса. Результаты расчетов и опытов приведены в виде графика.

Ключевые слова: вакуумно-испарительное охлаждение воды, вакуумная градирня, водоколъцевой насос.

Охлаждение воды в холодильной технике занимает особое место. Традиционно осуществляется в водоохладителях, работающих на фреонах. Парокомпрессионный цикл, таким образом, организуется при участии посредника, которым является рабочее вещество. На наш взгляд, более рационально вести процесс с использованием объекта охлаждения в качестве

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы, холодильного агента, во-первых, потому, что вода обладает совершенными теплофизически-ми свойствами, теплота парообразования у нее в два раза больше чем у аммиака, и, во-вторых, потому, что в испарителе при этом может отсутствовать теплопередающая поверхность, а следовательно, и связанный с ней перепад температур. Такой процесс можно реализовать, осуществляя непосредственное вакуумное воздействие на воду в вакуумно-испарительной машине. Пределом охлаждения воды здесь является точка замерзания. Интерес представляет также совмещение конвективного процесса отвода тепла от воды за счет потока воздуха окружающей среды с вакуумным процессом откачки.

Данная работа посвещяна изучению совместного воздействия вакуумно-испарительного и конвективного механизмов теплообмена воды с воздухом. Понятно, что в этом случае следует рассчитывать на применение «мягкого» вакуума с остаточным давлением Ро не ниже 100 мм. рт. ст. Достижение такого вакуума возможно в вакуумных насосах механического типа: водокольцевых, многопластинчатых вращательных, вращательных насосов с масляным уплотнением и даже двухроторных насосах, осуществляющих откачку в окружающую атмосферу.

Практическое применение такого процесса возможно при охлаждении оборотной воды в вакуумных градирнях. Известно, что в современных градирнях пределом охлаждения воды является температура мокрого термометра Реально в вентиляторных градирнях глубина под охлаждения воды не превышает 4-5°С. В то же время, понижение температуры воды, идущей на охлаждение конденсаторов, на один градус в современных фреоновых холодильных машинах позволяет снизить давление конденсации и, соответственно, уменьшить расход энергии на сжатие рабочего вещества на 4%.

Принципиальная схема опытной установки, реализующей данный процесс включает в себя быстроходный вакуумный насос-компрессор, испаритель, форсунку для подачи и распыла воды и циркуляционный центробежный насос. В качестве насос-компрессора применяли водокольцевую машину марки ВВН-6 с предельным остаточным давлением 60 мм. рт. ст, и производительностью 0,05 м3/с. Испаритель - вертикальный резервуар со съемной крышкой и внутренним объемом 100 л. На установке имеется образцовый вакуумметр пружинного типа и термопары для замера температуры воды.

Рисунок 1 - Принципиальная схема установки: 1 - водокольцевой вакуумный насос типа ВВН-6; 2 - водоохладительное устройство; 3 - ротаметр; 4 - насос; 5 - счетчик

расхода воды; 6 - вакуумметр; 7 - форсунка

Аналитическая модель расчета предельного значения конечной температуры охлаждения расхода воды за один цикл охлаждения включает три уравнения, устанавливающие основные отношения между параметрами процесса. При проведении расчетов по представленным уравнениям была учтена масса алюминиевого резервуара, в полости которого проводили опыт. Расчеты следует проводить до момента, когда температура воды на выходе практически перестанет изменяться, это значение температуры и составит предел охлаждения в условиях ведения процесса.

У ' Срв

рп

р

атм /

вых _ вх

ГВЛ.В ГШ1.1

ос.,

Срв ■

_ р л

V

р

атм у

(1) (2) (3)

где: Срв - теплоемкость воздуха, Дж/кг-гр ; ав - коэффициент теплоотдачи от разреженного воздуха к поверхности капель, Вт/м2 • гр ; рш в - плотность водяного пара в воздухе при начальной и конечной температуре воздуха, кг/мд; р" - средняя плотность насыщенного водяного пара у поверхности капли, кг/мд; 5 - удельная скорость откачки, мд/с; г - теплота испарения влаги, Дж/кг; /< - суммарная поверхность капель, м2; (/„• - расход охлаждаемой воды, кг/с; (},, - расход воздуха, кг/с, Тъ - температура воздуха, °С; /'„■ - температура воды, °С. Расчеты, проведенные по приведенным уравнениям, представлены в виде графика зависимости конечной температуры охлаждаемой воды от величины остаточного давления

Т^ = Р) при фиксированных значениях, 0СВ, р, Я, Г, ф, Ср, Тъ.

Т„А °С

16 15 14 13 12 11 10

-Опыт Модел

-ее ь

♦--

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

7^0 Р;] мм.рт.ст.

Рисунок 2 - Зависимость конечной температуры охлаждаемой воды от величины остаточного давления в безнасадочной вакуумной градирне

Как следует из графика, расчетные и опытные значения предельной конечной температуры находятся в удовлетворительном согласовании. По мере возрастания остаточного давления Ро значение конечной температуры возрастает. При значении остаточного давления в градирне Ро=3 8СН-420 мм. рт. ст. заметно достижение минимального значения температуры охлаждаемой воды, что можно объяснить наличием максимального теплоотвода от нее при сочетании обоих механизмов тепло- и массопереноса.

Данная модель может быть также распространена для расчета конечной температуры охлаждаемой воды в классической градирне с регулярной насадкой и известными ее харак-

3 2

^ м м

теристиками: пористостью —г-, удельной поверхностью 8, —г-, эквивалентным диамет-

м

м

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы, ром d3, м2. Для этого в уравнении (1) модели необходимо заменить значение суммарной поверхности капель F на значение теплопередающей поверхности насадки FH, по которой стекает вода в пленочном режиме.

Предложенный метод позволяет обоснованно вести расчет как обычных вентиляторных градирен с регулярной насадкой, так и вакуумных водоохладителей. В существующих подходах выбора градирен не учитываются характеристические параметры работы аппарата, поточные показатели воздуха и воды, а также место расположения градирни по отношению к уровню моря и параметрам влажности воздуха.

Литература

1. Калатузов В.А. Расчетные зависимости тепломассообмена по результатам натурных испытаний градирен. Промышленная энергетика. Выпуск 8. М., 2006.

2. Курылев Е.С., Герасимов A.A. Холодильные установки: Учебник для студентов вузов 3-е изд. Перераб. и дополн. - Л.: Машиностроение, 1980.

3. Маринюк Б.Т. Теплообменные аппараты ТНТ, конструктивные схемы и расчет. М.: Энер-гоатомиздат, 2009.

Математическое и программное обеспечение расчета сильфонных

компенсаторов на прочность

д.т.н. проф. Луганцев Л.Д., Трубаева И..Ю.

Университет машиностроения 8(499)267-16-33

Аннотация. Изложены метод и алгоритм численного анализа напряженно-деформированного состояния компенсаторов сильфонного типа с его реализацией в виде программного обеспечения для ЭВМ. Приведен пример расчета и оптимального проектирования сильфонного компенсатора.

Ключевые слова: силъфонный компенсатор, малоцикловая прочность, метод конечных элементов

Сильфонные компенсаторы (рисунок 1) находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Их применение для компенсации температурных деформаций элементов конструкций дает возможность повысить рабочие параметры оборудования, упростить структуру производственных объектов, сократить габариты, получить в результате существенный технический и экономический эффект.

Рисунок 1 - Сильфонные компенсаторы