CC BY
63
УДК 66.047
Б.С. Сажин, В.Б. Сажин, М.П. Тюрин, М.Б. Сажина, М.В. Сошенко, Е.В. Отрубянников
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, Москва, Россия
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СУШИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ С АКТИВНЫМИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ
Рассмотрены основные особенности активных гидродинамических режимов. Предложен метод количественной оценки активности гидродинамических режимов на основе подхода Фоккера-Планка и эксергетического коэффициента полезного действия.
На основании гипотезы Буссинеска получено математическое описание турбулентного движения в струйном аппарате. С использованием к-Б модели турбулентности проведено моделирование турбулентных процессов в струйном аппарате.
Рассмотрены научные.и практические аспекты использования аппаратов с вихревыми и встреч-но-закрученными потоками.
Интенсивность тепломассообмена в большинстве технологических процессов во многом определяется гидродинамической обстановкой в аппарате. При оптимальном применении гидродинамические режимы получили название активных гидродинамических режимов. Они являются эффективными режимами, то есть сочетают интенсивность с экономичностью и высоким качеством готового продукта. Сам термин «активные гидродинамические режимы» введен нами (проф. Б.С. Сажин) еще в 1961 году.
Ярким примером влияния активизации гидродинамики на эффективность процесса может служить производство напалма (Б.С. Сажин был одним из основных исполнителей при разработке технологии и пуске в 1961 г. промышленного производства напалма в СССР). Сушка и поликонденсация нафтеновых кислот - основа производства напалма, осуществлялась в фильтрующем слое при температуре 40-45 С, т.к. при большей температуре происходило так называемое «стеклование», что по технологическим условиям недопустимо. В результате применения активных гидродинамических режимов процесс стал осуществляться в двухступенчатом агрегате со взвешенным слоем в открытых в процессе исследований режимах проходящего кипящего слоя и свободного фонтанирования, что сократило продолжительность процесса с 70 часов до 40 секунд, т.е. в несколько тысяч раз (рис. 1). При этом оказалось возможным из-за кратковременного воздействия применять без потери качества температуры до 230°С.
Одним из признаков активных гидродинамических режимов является уровень относительных скоростей взаимодействующих фаз. Однако необходимо отметить, что высокий уровень относительных скоростей взаимодействующих фаз еще не обеспечивает высокую эффективность процесса, если гидродинамический режим не соответствует технологической задаче для данного материала. В качестве примера можно взять две задачи по сушке дисперсных материалов. Первая - широкопористый материал с большим влагосодержанием. Можно показать, что активным гидродинамическим режимом здесь будет пневмотранспорт, обеспечивающий за счет больших скоростей газа достаточное количество тепла и в то же время - достаточное время обработки материала в аппарате (несколько секунд). Но этот режим не будет активным для второй задачи - сушки микропористых материалов с небольшой начальной влажностью, т.к. он, во- первых, не обеспечивает требуемого времени обработки материала (несколько минут) и во-вторых, количество теплоносителя (и следовательно и его скорость) избыточны для данного случая и большая часть тепла будет буквальным образом «выбрасываться» в трубу.
Рис. 1. Реализация промышленного производства отечественного напалма в СССР (пояснения в тексте)
Активным гидродинамическим режимом для второй задачи будет виброкипящий слой, в то время как для первой задачи он таковым не является. Активный гидродинамический режим должен обеспечить высокую эффективность процесса, то есть сочетание интенсивности, экономичности и качества получаемого продукта с учетом затрат (не только по основному аппарату, но и всей установке, включая вспомогательное оборудование).
Нами разработан метод сравнительной оценки активности гидродинамических режимов (с использованием эксергетического анализа) по величине эксергетических коэффициентов полезного действия. Этот метод позволяет правильно выбрать оптимальный гидродинамический режим проведения тепломассообменного процесса.
Выражение для расчета эксергетического хсоэффициента полезногоЛ действия можно получить (рис. 2) исходя из балансовых соотношений (1, 2) по теплу и массе. Используя закон аддитивности (соотношение 3), можно из (1 -3) получить уравнение (4), а вводя безразмерные комплексы (5), связанные с кинетическими коэффициентами (X и /?, из соотношения (4) получим (6) и далее выражение (7) для эксергетического КПД (детальный вывод эксергетического КПД опублшсован в журнале ТОХТ).
Необходимо сопоставлять полезный эффект, получаемый в результате использования активных гидродинамических режимов, с затратами на их реализацию. В качестве показателя, характеризующего термодинамическую эффективность используемых методов активизации гидродинамической обстановки в аппарате, целесообразно использовать отношение эксергетических коэффициентов полезного действия до и после применения указанных методов или для альтернативных технических решений различных авторов. В этом случае активным, (применительно к конкретному материалу и аппаратурному оформлению) следует считать гидродинамический режим, для которого указанный показатель достигает наибольшего значения.
Исходя из балансовых соотношений (1 и 2):
(1)
ОмДим-рРАхвр.
используя закон аддитивности
ДЬс=сД1е+ЬмДхс из (1—3) можно получить с сВ
ДЪ =СМДЬМ---Н—!-Дхг._Ьп+Лх„Ь_
бар 5а
Введя безразмерные комплексы
а
(2)
(3),
(4)
(5)
(Дх
ср.
из(4)получим
ДЬ „ Ь. дЬм +(!+Ь. )Дх Ьп Ял 5
(6)
Д1,
средняя движущая сила процесса массопереноса, и далее выражение (7) для эксергетического КПД.
Дег
1-ЬсАем
Де,. 1+Ь,
(7)
-Ах.,
Рис. 2. Вывод эксергетического коэффициента полезного действия (пояснения в тексте)
Эксергетический КПД также может служить комплексным показателем для оценки гидродинамического режима и степени загрязнения окружающей среды тепловыми выбросами, которые характеризуют экологическую чистоту промышленной установки. Например, в сушильной установке с активным гидродинамическим режимом наибольшим изменениям подвергается термическая составляющая эксергии взаимодействующих потоков, поэтому можно воспользоваться эксергетической температурной функцией для перехода от тепловых характеристик этих потоков к эксергетиче-ским.
Для более полной характеристики сушильной установки необходимо (рис. 3) ввести в эксергетический КПД Г}е составляющую, учитывающую гидравлическое сопротивление аппарата и энергозатраты, обусловленные выделением высушенного продукта из газовой фазы или на пылеочистку, независимо от того, проводится это процесс непосредственно в сушильном аппарате или вне его (соотношения 8-10).
Коэффициенты ты кх и кг характеризуют относительный уровень ущерба окружающей среде тепловыми и пылевидными загрязнениями.
Рис. 3. Расчет эксергетического КПД сушильной установки (пояснения в тексте)
Результаты эксергетического анализа показывают, что активные гидродинамические режимы являются ресурсосберегающими не только в отношении металла и производственных площадей (за счет малых размеров аппаратов), но и в отношении удельного расхода энергии. Разработанный метод оценки активности гидродинамических режимов позволяет среди альтернативных технических решений выбрать объективно наиболее эффективное. Пример - сушилки для ПВХ (работы НИИХИММАШ, МИХМ, МГТУ, Рос ЗИТЛП). Модернизированная установка на основе трубы-сушилки, включающая 8 основных аппаратов (рис. 4) была успешно заменена сушилкой вихревого типа, являющейся аппаратом с активным для данного материала гидродинамическим режимом. Установка (рис. 5) включает всего 2 основных аппарата и к тому же обеспечивает санитарную очистку отходящего газа.
В МГТУ им. А.Н. Косыгина проведены исследования процессов тепло - и массо-обмена в вихревых многофункциональных аппаратах с активной гидродинамикой, которые позволили сделать вывод о перспективности использования вихревого многофункционального аппарата (ВМФА) на базе аппарата со встречными закрученными потоками (ВЗП) с целью утилизации теплоты паровоздушных выбросов.
В таком аппарате (рис. 6) обеспечиваются высокие скорости потока (5-25 м/с) газа без снижения эффективности улавливания влаги. Одним из основных преимуществ вихревого аппарата является наличие в рабочем объеме аппарата высокоразвитой поверхности теплообмена, включающей в себя капельную, пленочную и пенную поверхности раздела фаз, и возможность регулировать их соотношение путем управления кратностью расходов охлаждаемого газа.
В связи со сложным характером протекающих в таком аппарате процессов аналитические и экспериментальные исследования проводились в направлении получения критериального уравнения с целью разработки инженерных методов расчета аппаратов.
Рис. 4. Модернизированная сушильная установка в отделении сушки поливинилхлорида на базе трубы-сушилки ТС-2-600:1 — циклон-промыватель СИОТ 115Ф006; 2 - -масляный фильтр; 3 — паровой калорифер; 4— дымосос Д-8; 5 — вентилятор ВВД- 11; 6
— воздухоподогреватель; 7 — вентилятор ЦП-40 № 8; 8 — бункер исходного продукта; 9
— тарельчатый питатель; 10 — фильтр; И — циклон ЦН-15 диаметром 1410 мм; 12 — двойной затвор; 13 — труба-сушилка первой ступени; 14 — бункер подсушенного продукта; 15 — циклон ЦН-15 диаметром 550 мм; 16 — труба-сушилка второй ступени; 17
— циклон ЦН-15 диаметром 900 мм; 18 — циклон ЦН-15 диаметром 400 мм; 19 — циклон-промыватель СИОТ 113Ф006.
Рис. 5. Сушильная установка с активным гидродинамическим режимом в отделении сушки поливинилхлорида на базе многофункционального аппарата со встречными закрученными потоками; 1 - подвод горячего газа; 2 - шнековый питатель; 3 - калорифер; 4 - вентиляторы нагнетательные и отсасывающий; 5 - санитарная очистка отходящих газов; 6 - бункер для высушенного продукта; 7 - завихритель;
8 - сушилка ВЗП; 9 - ввод горячего газа
( >5 4 Г
Рис. 6. Вихревой аппарат модифицированной конструкции: 1 - подвод выбросного воздуха; 2 - рукав для нисходящего потока; 3 - рукав для восходящего потока; 4 - патрубок для отвода воздуха; 5 - устройство подвода жидкости
с распылительной форсункой; 6 - отвод обработанной жидкости; 7, 8 - верхний и _нижний пегулипуюшие шибепы._
Основой для описания процессов переноса теплоты и массы в материальной среде служили дифференциальные уравнения неразрывности, движения, теплопроводности, диффузии и др. Для описания конкретного процесса передачи теплоты и массы к указанным уравнениям добавлены соответствующие граничные условия.
Решение системы дифференциальных уравнений проводилось численным методом (метод Рунге-Кутта). Полученные результаты оказались в хорошем соответствии с экспериментальными данными. На основании теоретических и экспериментальных данных получены критериальные зависимости для проведения инженерных расчетов вихревых аппаратов с активной гидродинамикой.
Решалась также задача разделения устойчивых эмульсий нефтепродуктов, в частности мазутных и масляных. На основании теоретических исследований разработана конструкция струйного аппарата с активной гидродинамикой для разрушения и разделения устойчивых эмульсий с целью использования мазута в качестве топлива.
Основной функциональной задачей разрабатываемого струйного аппарата является создание в нём гидродинамических режимов, обеспечивающих разрушения устойчивых эмульсий с последующей коалесценцией входящих в них компонентов.
Базовыми уравнениями модели турбулентных потоков были уравнения Навъе-Стокса.
При моделировании процессов, происходящих в разработанном струйном аппарате, использовалось осреднение по Рейнольдсу. Для количественного описания развитого турбулентного движения параметры в уравнениях Навье-Стокса разделялись на осредненные и пульсационные составляющие. Принималось, что в развитом турбулентном движении пульсации малы по сравнению со средними скоростями потока.
На основании гипотезы Буссинеска получено математическое описание турбулентного движения в струйном аппарате для уравнений сохранения импульса (в осе-симметричном случае), которое дополнено уравнением неразрывности (рис. 7).
Исходя из гипотезы Буссинеска, связывающей турбулентные напряжения с осредненными градиентами скоростей турбулентного потока, получено матописание турбулентного движения для осесимметричного случая, дополненное уравнением неразрывности для неустановившегося движения (система уравнений 1):
JL(pVr)+^-pKK) ^J(pKK) =
дт х гдх гдг
dx гдх
д(рУг) , 5
• 8V
+-
[-
дх J гдг L
. J ..3VX dVr~ dr or
, + ~ (rpVxVr) + -~(rpVrVx) = - 4" ct rox ror dr rax
dV 8V ox or
4-
rdr dp
v(JJ+Pt)2
dVr dr
- 2/J-jt t
dr
v divpv =0
(1)
Принятые ограничения: осредненная угловая скорость V =0 (отсутствует вращение потока вокруг оси х), кавитация также отсутствует. Граничные условия: скорости потоков на стенке равны 0.
Скорость устойчивой эмульсии на входе в камеру смешения постоянна ( V = const); скорость воды при выходе из сопла также постоянна (У„ ~ const).
Рис. 7. Математическое описание турбулентного движения в струйном аппарате: постановка задачи
Полученные уравнения описывают движение смеси: устойчивой эмульсии, воды и конечного продукта, а также компоненты, получаемой в результате смешения этих веществ.
Система уравнений дополнена следующими граничными условиями: постоянство задаваемой схсорости пассивного потока (устойчивая загрязнённая эмульсия) на входе в камеру смешения;
постоянство задаваемой скорости активного потока (вода) при выходе из сопла; равенство нулю скоростей активного, пассивного потоков и смеси на стенке струйного устройства по всей его длине (эффект прилипапия).
При моделировании турбулентных процессов в струйном аппарате (рис. 8), применялась стандартная к-в модель, для описания которой использовались два дополнительных уравнения переноса: для определения к - турбулентной кинетической энергии и 8 - турбулентной энергии диссипации.
Определение основных характеристик аппарата производились численным методом в узловых точках расчётных сеток.
Полученные результаты расчетов позволили определить основные геометрические характеристики аппарата и хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.
Для моделирования турбулентности использовалась К - £ модель турбулентности (2) и (3) (значения компонент скоростей Ух и У , а также давления получались из системы уравнений 1). Уравнение кинетической энергии:
~(рУгк)+А (рКк)=4-\пл + Мт +
а г ог Эх гог [_
а~
дх
С"+ /*/•)—.
дх_
+ вК + Ов ~ ре + Ум
(2)
Уравнение скорости диссипации энергии:
от ог дх гог
д£ дг
+-
о дх
(М + Мг)
д£ дх
(3)
с?,
производство турбулентной кинетической энергии, вызванное градиентами
осредненного потока; Ов - производство турбулентной кинетической энергии, вызванное плавучестью; Ум - параметр, характеризующий пульсации, вызванные расширением е турбулентных потоках; С1€>С2с ,С3с - эмпирические константы модели.
Коэффициент турбулентной вязкости вычислялся по формуле Колмогорова - Прандтля:
(4)
Принято:
1. Изотропность турбулентной вязкости.
2. Процесс является результатом структурной реакции (образование конечного продукта в результате механического воздействия исходных веществ): Ууэ + У, — Укп — стехиометрические коэффициенты структурной
(устойчивая (вода) (конечный продукт эмульсия) -снссь)
реакции (задаются в зависимости от долей компонент, подаваемых й струйный анпарат),
Матмодель гидродинамических течений и взаимодействий в струйном аппарате позволила получить распределение давлений и скоростей, изменений скоростей турбулентных пульсаций и турбулентной вязкости в струйном аппарате, векторы скоростей и изменения статического давления по длине аппарата.
Рис. 8. Математическое описание турбулентного движения в струйном аппарате: к-е модель турбулентности с использованием дополнительных уравнения переноса: для определения к - турбулентной кинетической энергии И Е - турбулентной энергии диссипации
В НИИХИММАШ. МГТУ и МГУИЭ разработаны многофункциональные безуносные аппараты со встречными закрученными потоками и управляемой гидродинамикой (ВЗП), которые реализуют активные гидродинамические режимы при сушке дисперсных материалов с критическим диаметром пор 6 нанометров (рис. 9).
Рис. 9. Аппарат со встречными закрученными потоками (ВЗП): эскиз аппарата
ВЗП, аппарат с расширяющимся конусом (ВЗП РК) и схема потоков в нем. Для ВЗП РК: 1-конический, расширяющийся к низу корпус аппарата; 2-верхний периферийный тангенциальный ввод запыленного газа; 3-патрубок выхода очищенного газа; 4-нижний центральный тангенциальный ввод запыленного газа; 5-вытеснитель; 6-бункер уловленного материала; 7-отбойная шайба
В последнее время благодаря исследованиям МГТУ, РХТУ и Рос ЗИТЛП удалось за счет нового гидродинамического режима - вращающегося кольцевого слоя увеличить время пребывания высушиваемого материала в аппарате ВЗП в 5 - 6 раз, что позволило на несколько тысяч наименований расширить ассортимент материалов, высушиваемых в встречных закрученных потоках. Примером широкого распространения аппаратов с активной гидродинамикой могут служить пылеуловители ВЗП, превосходящие по своим показателям не только осадительные камеры, но и циклоны всех систем. Они отличаются значительно более высоким уровнем скоростей. Пылеуловители получили широкое распространение в ряде отраслей промышленности. Только для хлопкозаводов их было изготовлено и установлено более 8 тыс., что позволило буквально спасти предприятия от закрытия, которое им угрожало вследствие вредных выбросов хлопковой пыли, которая не могла улавливаться существующими техническими средствами.
Пример очевидной эффективности активизации гидродинамической обстановки в промышленном процессе - термическая обработка волокнита. Ленточные аппараты с продуваемым движущимся слоем были заменены на дисковые вихревые аппараты с вращающимся слоем, что позволило сократить время обработки в десятки раз, в сотни раз сократит!» занимаемые оборудованием площади производственных помещений и почти в 100 раз уменьшить расход металла на изготовление аппаратов.
В настоящее время активные гидродинамические режимы нашли широкое применение в ряде технологических процессов химической, пищевой и текстильной отраслей промышленности, в частности в красильно-отделочных производствах для процессов тепло-влажностной обработки, промывки, пропитки и др. (работы МГТУ им. А.Н. Косыгина). За процессами с активной гидродинамикой большое будущее.
г
Г
