CC BY
13УДК 536.8:536.49 В.В. Елфимов1, П.В. Елфимов2, Г.В. Григорян3 ,
А.Р. Аветисян4, В.В. Богданов5
ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ В РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫХ АППАРАТАХ
Федеральное государственное унитарное предприятие «Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт синтетического каучука имени академика С.В.Лебедева»
198035, Санкт-Петербург, ул. Гапсальская, д. 1.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Рассмотрены перспективы применения роторно-пульсационных аппаратов как теплогенерирующих устройств. Определены условия эффективного протекания процессов тепловыделения в различных жидкостях (водные растворы спиртов — глицерин, этиленгликоль; азот-со-держащие вещества — пиридин, мочевина; кислоты— перекись водорода; щелочи — гидроксид калия; углеводы — сахароза; соли— жидкое мыло, натрий хлор, сульфат меди) и др. Установлено, что КПД данных теплогенерирующих устройств превышает КПД многих из известных аппаратов.
Ключевые слова: роторно-пульсационый аппарат, теплогенерирую-щее устройство, массобменный аппарат.
Роторно-пульсационные аппараты (РПА) широко используются в химической промышленности для: деструкции жидких каучуков и каучуков в растворах, гомогенизации и диспергировании в системах «жидкость-жидкость», тонкого диспергирования воды в циклосилоксане при получении силоксанового каучука, интенсификации массообменных процессов, растворении каучуков и др. [1]. В то же время они могут быть использованы и в качестве эффективных теплогенераторов при нагреве жидкостей. Конструкция такого аппарата (аппарат Джеймса Л. Григгса) представлена на рисунке 1 [2].
Рисунок 1. Аппарат Джеймса Л. Григгса (пояснения в тексте).
Аппарат имеет цилиндрический ротор (определенной геометрии), вращаемый электродвигателем со ско-
ростью ~ 3500 об/мин. Корпус снабжен входным и выходным отверстиями для рабочей жидкости. Жидкость, например вода, движется по спирали между ротором и корпусом, величина зазора между которыми составляет 0,1 дюйм (0,254 см). Глухие отверстия на роторе играют роль инициаторов кавитационных пузырьков, поскольку при высоких скоростях вращения ротора столб воды в отверстиях отбрасывается к статору и у самого дна конического отверстия происходит разрыв сплошности жидкости с образованием кавитационной полости. На выходе аппарата наблюдается повышение температуры жидкости вплоть до 100 °С.
Данная конструкция может быть принята за основу при создании теплогенераторов и массобменных аппаратов для проведения процессов химической технологии, и, в первую очередь, нагрева различных жидкостей.
Известно, что механическое воздействие на жидкость в замкнутом объеме приводит к ее нагреву (данный закон еще в 1840-х гг. открыли Р. Джоуль и Р. Ю. Майер). Полтора века спустя, было установлено, что в тепло может быть превращена не только механическая работа привода, но и - в режиме кавитации - внутренняя энергия жидкости. На основе этих эффектов были созданы вихревые нагреватели жидкости (ВНЖ) [3-5]. Первые конструкции гидродинамических генераторов тепла, работающие на основе вихревого эффекта и кавитации, появились в 90-х годах прошлого века. В настоящее время в России ВНЖ производятся рядом фирм Московского региона, Ижевска, Твери, Пензы, Новосибирска и Перми. ВНЖ отличаются высокой эф-
1 Елфимов Владимир Владимирович, канд.хим.наук, зав.лаб. 26 ФГУП «НИИСК» им.С.В.Лебедева,е-mail: info@ae-ro.ru
2 Елфимов Павел Владимирович, ст.науч.сотр. лаб. 26 ФГУП «НИИСК», е-г^к : info@ae-ro.ru
3 Григорян Галина Викторовна, канд. хим. наук, директор ФГУП «НИИСК», е-г^к mgp@vniisk.cplus.ru
4 Аветисян Армен Рудикович, инженер 1-ой категории лаб.26 ФГУП «НИИСК», е-г^к : info@ae-ro.ru
5 Богданов Валерий Владимирович, д-р.техн. наук, проф. ,зав. каф. оборудования и робототехники переработки пластмасс СПбГТИ(ТУ),е-г^к rosbvv@mail.ru
Дата поступления 20 мая 2010 года
фективностью - отношением производимой теплоты к потребляемой энергии [6].
КПД ВНЖ может быть весьма высоким, поскольку затраты электрической энергии полностью идут на нагрев рабочего тела. По заключению Ракетно-космической корпорации «Энергия» №77-6/33 от 01.12.1994г. ВНЖ имеет средний условный коэффициент преобразования энергии на 23% выше по сравнению с электродными теплогенераторами и на 42% выше по сравнению с ТЭНовыми. С помощью ВНЖ можно нагревать практически любые жидкости, в то время как ТЭНы весьма требовательны к качеству подогреваемой воды. К тому же гидродинамические нагреватели безопаснее в эксплуатации из-за отсутствия прямого контакта жидкости с источниками электричества.
Согласно существующим представлениям нагрев жидкости в аппарате происходит за счет появления ударной волны в самой жидкости, вследствие чего некоторая часть энергии, находящаяся в ней, генерируется в виде тепла. Данный процесс реализуется в узком зазоре между ротором и статором благодаря существованию гидродинамической и акустической кавитации. Несмотря на проведенные в последнее время исследования анализ происходящих в кавитационных установках процессов до конца не выяснен, оценка эффективности их конструкций отсутствует, а имеющиеся экспериментальные данные ограничиваются изучением процессов, происходящих только при нагреве воды. Рассмотрение данных вопросов и явилось целью настоящего исследования.
Экспериментальные исследования
В ходе проведенных исследований были изучены различные конструкции роторов (сплошной, с отверстиями в виде цилиндров и плоским дном, коническими отверстиями по периферии, дисковый).
Последняя конструкция (рисунок 2) явилась наиболее удачной, т.к. позволяла существенно снизить пусковые токи в момент раскрутки ротора в жидкости и энергозатраты на преодоление гидродинамического сопротивления во время вращения. Разборная конструкция ротора позволяла изменять геометрические параметры установки и изучать их влияние на тепловые эффекты. В ходе экспериментов устанавливали зависимость КПД установки от: количества используемых в роторе дисков; расстояния между ними, зазора между дисками и корпусом; толщины и геометрии дисков.
Рисунок 2. Дисковый ротор
Принципиальная схема кавитационной установки приведена на рисунке 3. На первом этапе исследования проводили на воде. После заполнения рабочей камеры водой включали электродвигатель, который при помощи клиноременной передачи приводил во вращение дисковый ротор в рабочей камере. Количество оборотов дискового ротора составляло - 8300 об/мин, линейные скорости на периферии дисков - 45 м/с. По-
скольку входной патрубок для воды на камере располагался близко к оси вращения дискового ротора, а выходной — на периферии, первый находился в зоне разрежения (-0,4 атм), а второй в зоне избыточного давления (5,5 атм). В результате происходила эффективная циркуляция воды по контуру «ресивер - рабочая камера - ресивер» с расходом 4 л/мин и перемешиванием внутри ресивера. Ресивер представлял стеклянный цилиндр, что позволяло наблюдать за характером кавитационных процессов.
Рисунок 3. Схема кавитационной установки: 1 - электродвигатель; 2 - кавитационная камера с дисковым ротором; 3 - ресивер; 4 - тахометр;
5 - электрический счетчик; 6,7 — термометры
В ходе исследования оценивали эффективность установки по коэффициенту полезного действия (КПД), вычисляемому из зависимости:
= ( 2/ Е )• КПД ПЕР П КПД дВ
где КПДпер=0,80 - КПД клиноременной передачи; КПДдв=0,81 - КПД электродвигателя; Е - электрическая мощность, затрачиваемая электродвигателем на вращение ротора установки, Вт; р - количество тепла, вырабатываемое в установке, Вт.
Величины КПДпер и КПДдв находили экспериментально, определяя расход энергии при работе двигателя ''в холостую''.
Вычисление количества тепла, вырабатываемое в установке, производили из зависимости:
(4200-М,-ЛТ,) (500-М2-ЛТ2)
2=к--1-— +-2-—
^ г г
Здесь 4200 - удельная теплоемкость воды, Дж/кг; 500 - удельная теплоемкость стали, Дж/кг; М - масса воды в замкнутой системе, кг; М2 - масса металла установки, кг; Л 71- прирост температуры воды в системе за время работы установки, °С; Л 72 - прирост температуры металлической части установки, °С; Ь - время работы установки, с; к = 1,26 - коэффициент тепловых потерь установки.
Для установки с тремя дисками на валу при нагреве воды в системе общей емкостью 9,25 литра, от 11 до 40 градусов за 17 мин. КПД составил 1,58.
КПД показывает отношение тепловой энергии, которая выделяется при работе установки, к механической энергии, затраченной на вращение ротора установки.
Анализ результатов экспериментального исследования.
Влияние количества дисков в роторе на КПД.
По результатам экспериментов построена обобщенная кривая зависимости КПД от числа дисков на роторе (рисунок 4). Следует отметить, что наличие двух экстремумов на данной кривой позволяет проектировать установки с одинаковым КПД, но рассчитанными на
разных энергопотребителей. Например, при ограниченном энергопотреблении целесообразно проектировать установки с ротором из трех дисков, а при отсутствии ограничений по энергопотреблению — с ротором, состоящим из семи дисков.
Л Ь 0,736
< ► о,7: \ 4 ► 0,72
> ► 0,704
4 ► 0,61 5
\ А п
п к- ?
♦ 0 5" 2
т
1 2 3 6 7 9 10 14 15 Количество дисков, шт.
Рисунок 4. Зависимость КПД от количества дисков в роторе.
Обе установки работают с одинаковой эффективностью, но с различной продолжительностью периода начального прогрева воды в отопительной системе, в первом случае он будет больше, а во втором соответственно меньше.
Геометрия и толщина дисков также оказывают заметное влияние на КПД установки: чем меньше толщина дисков - тем больше КПД.
Влияние зазора между ротором и статором на КПД Изменение зазора (между периферийной частью дисков ротора и внутренней цилиндрической поверхностью статора) в диапазоне от 0,25 до 0,5 мм не приводит к изменению КПД установки, дальнейшее увеличение зазора ведет к уменьшению тепловыделения, энергозатрат на вращение и общего КПД.
Процессы, приводящие к выделению тепла в водной среде. При механическом преобразовании химической энергии жидкостей в тепловую вероятны следующие процессы:
1. Квазикристаллизация - фазовый переход первого рода.
2. Процесс «ионизации» воды в центробежном поле и обратный процесс гидратации протона с соответствующим тепловыделением.
3. Кавитация - передача энергии, выделяющейся при схлопывании пузырька, как основной процесс, в результате которого может происходить: адиабатический нагрев газа, аккумуляция энергии при разрыве межмолекулярных связей.
Использование в качестве рабочей жидкости различных химических веществ. В качестве рабочих жидкостей были выбраны водные растворы следующих химических веществ: спиртов — глицерин, эти-ленгликоль; азот-содержащих веществ — пиридин, мочевина; кислот— перекись водорода; щелочей — гид-роксид калия; углеводов — сахароза (сахар свекольный и тростниковый); солей— жидкое мыло, натрий хлор, сульфат меди. Анализировали также нагрев трансформаторного масла
Результаты влияние жидкостей различной природы на теплогенерирующие характеристики РПА приведены в таблице
Таблица. Влияние жидкостей различной природы на теплогенерирующие характеристики РПА
Вязкость, мПа-с Концентрац ия % КПД установки
Вода 1 100 0,83
Спирты
Глицерин 1500 20 0,73
Этиленгликоль 19,83 90 0,84
81 0,798
73 0,78
65,6 0,816
59 0,799
53 0,780
Азотсодержащие вещества
Пиридин - 5 0,689
Мочевина - 5 -
25 -
Перекись водорода 1 2 -
Щелочи
Гидроксид калия 1,2 5 0,697
Углеводы
Сахароза 1000 5 0,81
10 0,82
Соли
Мыло жидкое 5 1 0,68
Хлорид натрия 1,2 3 0,71
Сульфат меди - 3 0,74
5 0,74
Масла
Масло трансформаторное «ТКп» 1600 0,75
Каучук кремнийорганич.
СКТН - А 1830 Прим. 45% (толуол) -
Однако, сахарные растворы непригодны в качестве рабочих жидкостей из-за брожения и засахаривания. Трансформаторное масло, несмотря на хороший КПД, трудно было рассматривать как теплогенерирующую жидкость ввиду его пожароопасное™.
Таким образом, в качестве основного вещества, которое может быть использовано в комбинации с водой при теплогенерирующих процессах в кавитационной установке выступает этиленгликоль, показавший самую высокую эффективность преобразования химической энергии в тепловую. При прочих равных условиях наиболее перспективно применение - воды, глицерина, этиленгликоля, масла, раствора сахарозы.
Выводы
1. РПА являются перспективными теплогенерирую-щими устройствами при использовании в качестве рабочего тела жидкостей с показателем динамической вязкости 1-2000 мПа-с.
2. В основе процессов, приводящих к генерации тепла в жидкостях при их обработке в РПА, лежит комплекс различных физико-химических процессов.
3. Для инициирования процессов тепловыделения в жидкости при их обработке в РПА необходимо выполнение следующих условий: а) осуществить движение жидкости с линейной скоростью не менее 40 м/с - это обеспечивается вращением ротора в РПА диаметром не менее 100 мм с частотой не менее 8000 об/мин; б) обеспечить движение жидкости с указанной скоростью в узком зазоре между ротором и статором, причем величина зазора не должна превышать 0,5 мм.
4. Коэффициент полезного действия кавитацион-ных теплогенераторов на базе РПА большой мощности (не менее 30 кВт) близок к 100%.
5. Применение РПА в качестве теплогенерирующих устройств экономически эффективно из-за высокого КПД и возможности автоматического регулирования температуры.
Литература
1. Богданов В.В., Христофоров Е.И., Клоцунг Б.А.. Эффективные малообъемные смесители. Л.: «Химия», 1989. 224 с.
2. Патент США № 5188090 1992.
3. Нагревательное устройство: пат. 2096695 Рос. Федерация № 97101764/06 заявл. 12.02.1997; опубл. 20.11.97.
4. Теплогенератор и устройство для нагрева жидко-
сти: пат. 2132517 Рос. Федерация. № 97114262/06 заявл. 20.08.1997; опубл. 27.07.1999.
5. Устройство для нагрева жидких и газовых сред: пат. 2231003 Рос. Федерация. № 2002123994/06 заявл. 10.09.2002; опубл. 20.06.2004.
6. Геллер С.В. Как повысить эффективность вихревых нагревателей жидкости / Энергетика и промышленность [Электронный ресурс]. ии_: www.eprussia.ru/ tech/articles/89.htm (Дата обращения 12.03.2006)
