CC BY
68
гоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН, 2004. С.11-28.
УДК 66.047
В.В. Козляков, В.Б. Сажин, Е.А. Абдулина, М.Б. Доржиева, Е.Г. Баталов, М.Б. Сажина
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 лёгкой промышленности Московского государственного университета технологий и управления им. В.К. Разумовского, Москва, Россия
ВИХРЕВЫЕ РЕЖИМЫ В АППАРАТАХ С АКТИВНОЙ ГИДРОДИНАМИКОЙ
Vortical modes in devices with active hydrodynamics which are used for division of gases into cold and hot streams, and also pumping out (vacuum pumps) as dehumidifiers, separators the system of the equations in dimensionless variables Is etc. resulted are considered.
Рассмотрены вихревые режимы в аппаратах с активной гидродинамикой, которые используются для разделения газов на холодный и горячий потоки, а также вакуумирова-ния (вакуум-насосы), как осушители, сепараторы и т.д. Приведена система уравнений в безразмерных переменных.
Самым распространенным, сложным, важным и энергоемким процессом является сушка материалов [1]. Сушке подвергаются десятки тысяч разнообразных продуктов всех отраслей промышленности сельского хозяйства. Сушка является сложным технологическим процессом, зависящим от большого числа факторов. При сушке удаляется в виде пара или жидкости легколетучий компонент. Например, вода, органический растворитель или смесь.
В процессе сушки влажный материал стремится к фазовому равновесию, при котором наступает равенство химических потенциалов жидкости и ее пара. При достижении этого равновесия сушка прекращается. Сушка является неравновесным процессом, обусловленным разностью химических потенциалов.
Процесс переноса можно описать градиентным законом. Например, законы Фурье, Фика, Ньютона для вязких жидкостей. Суть такого закона состоит в том, что плотность переноса пропорциональна градиенту потенциала переноса. Термодинамические величины обычно разделяют на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные величины зависят от внутреннего состояния
вещества: температуры, давления и химического потенциала. Экстенсивными величинами называют величины, пропорциональные массе: внутренняя энергия, энтропия и термодинамический потенциал. В процессе сушки движущейся силой является интенсивная величина - химический потенциал, а координатной - экстенсивная величина - масса жидкости.
В соответствии с общими принципами тепло- и массообменных процессов скорость процесса прямо пропорциональна движущейся силе процесса и обратно пропорциональна его сопротивлению. Когда скорость движения жидкости или пара обуславливается разностью давления, то движущейся силой в этом случае является эта разность.
Подавляющее большинство течений в природе и технике являются вихревыми, в которых малые элементы (частицы) газа или жидкости перемещаются не только поступательно, но и вращаются вокруг мгновенной оси [2]. Закрученные потоки в технике формируются и поддерживаются за счет конструкции каналов и камер, входов и выходов из них. Например, в циклонах для пылеочистки и гидроциклонах для разделения суспензий.
Рис. 1. Схема вихревой трубы (а - вид с торца, б - вид сбоку)
Вихревой эффект расслоения в трубе расширяющегося закрученного высокоскоростного потока газа на «холодный» в центральной части и на «горячий» на периферии был открыт французским инженером Ж.Ж. Ранком. В настоящее время вихревой эффект широко используется не только для разделения газов на холодный и горячий потоки (термотрансформаторы), но и для вакуумирования (вакуум-насосы), как осушители, сепараторы, элементы контрольно-измерительных приборов и т.д. При всей своей простоте и легкости использования, вихревой эффект имеют существенный недостаток - низкий КПД.
Вихревая труба цилиндрической формы имеет два выхода. Вход газа в вихревую трубу реализуется обычно с помощью одного или двух сопел. На рис. 1 изображен вариант с одним соплом прямоугольного сечения. При втекании газа при повышенном давлении в сопло вихревой трубы образуется интенсивный закрученный поток. Приосевые слои газа (охлажденные) вытекают через диафрагму, а периферийные (подогретые) - через дроссель. Расходы потоков регулируются дросселем, который меняет величину выходного сечения. Эффекты охлаждения и подогрева оцениваются по разности полных температур на входе и выходах вихревой трубы.
Система уравнений в безразмерных переменных имеет вид:
Система не содержит давления. Для его вычисления используется соотношение, полученное из уравнения состояния в безразмерном виде. Решение задачи зависит от граничных условий и геометрических параметров расчетной области. Кроме того, решение задачи зависит от параметров, входящих в граничные условия на входе и выходах вихревой трубки.
Наиболее привлекательными энергетически являются процессы и устройства, в которых используются оба потока: холодный и горячий [3]. Соответственно, разработаны конструкции комбинированных холодильно-нагревательных устройств, термостатов и пр. Иногда горячий поток исполь-
зуется не только для нагрева, но и для эжекцнн. Например, в процессах сублимационной сушки сначала может требоваться холод для замораживания продукта, а затем нужен подвод тепла для возгонки льда. Иногда требуется охлаждать высушенный материал.
Рис. 2. Схема конвективно-сопловой тканевой сушилки с воздушным инжектором и вихревой трубой
Уже давно разрабатываются разные варианты «осциллирующей» сушки, с чередованием разных температур и других условий сушки ("Intermittent drying"). Однако для химических технологий, в большинстве случаев, характерны более высокие температуры сушки и более высокие производительности сушилок. Температуры могут достигать 140...220°С и выше, а производительность по испаряемой влаге - до 2...25 т/ч. При этом расходы воздуха на конвективную сушку могут достигать десятки тыс. м3/час. Особо высокие температуры встречаются при использовании сушки топочными газами при проведении высокотемпературной термообработки - до 500...600°С на входе и около 200.. ,250°С на выходе.
В технике пылеочистки и сушки широко известны аппараты со встречными закрученными потоками (ВЗП), разрабатывающиеся в России Б.С. Сажиным с сотрудниками. В них периферийный и центральный потоки подаются и закручиваются раздельно, сверху и снизу. Камеры достигают двухметровых диаметров. Используются обычные вентиляторы. Эффект температурного расслоения в камерах ВЗП невелик, в сушилках ВЗП для подогрева воздуха применяются отдельные калориферы. Основной эффект сушилок ВЗП это значительное увеличение эффективности сушки, которое достигается за счет присущих вихревым потокам активных гидродинамических режимов.
Рис. 3. Принципиальная схема КСОНО воздуха на базе вихревого аппарата: ВТ - вихревая труба; КМ - воздушный компрессор; ТО - теплообменник; Зс - сжатый воздух; Зг - горячий поток воздуха; Зх - охлажденный_поток воздуха
Конвективная сопловая сушилка для тканей с воздушным инжектором и вихревой трубой Т.Н. Бирюковой (ИвГХТУ) представлена на рис. 2. Давление свежего воздуха для струйного компрессора 0,12...0,35 МПа (подача из сети сжатого воздуха). Диаметр вихревой трубы 100 мм. Температуры циркулирующего воздуха: на выходе из сушилки 140°С, после вихревой трубы 150... 188 °С. В барабанной машине температура от 75 до 90... 130 °С
соответственно. Холодный поток может быть использован для охлаждения ткани после сушилки.
Комбинированная система охлаждения, нагрева, очистки воздуха от пыли и осушки (КСОНО) Л. А. Тарасовой (МГУИЭ) на базе вихревой трубы низкого напора представлена на рис. 3. Эксперименты проводились на малой вихревой трубе диаметром 6 мм, длиной 120 мм, при напоре до 0,18 МПа. Рекомендуется для разных применений:
- охлаждения промышленной электроники;
- создания воздушных завес и вентиляции тупиковых забоев;
- охлаждение песка в литейном производстве, зерна во временных хранилищах;
- охлаждения рабочих зон в кабинах;
- в производстве полиэтиленовой пленки;
- для малотоннажной перевозки фруктов и овощей и т.п.
В заключение отметим, что в исследовательской практике необходимо применять разработанные общие подходы в области энергосбережения и методологии исследования сушильных процессов на базе температурно-влажностных зависимостей материалов.
Библиографические ссылки
1. Сажин, Б.С. Научные основы техники сушки/ Б.С. Сажин, В.Б. Сажин. М.: Наука, 1997. 448 с.
2. Трунин, Е.Л. Вычислительные эксперименты для вихревой трубки Ран-ка-Хилша / Е.Л. Трунин, О.Н. Аликина. Труды Международной конференции ШЭАММ-2001. Том 6. Часть 2. Спец. выпуск, 2001. - С. 363-371.
3. Коновалов, В.И. Сушка и другие технологические процессы с вихревой трубкой Ранка-Хилша: возможности и экспериментальная техника/ В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Н.Ц. Гатапова// Вестник ТГТУ, 2010. Том 16. № 4. С. 803-825.
