Исследование аппаратов двухфазных потоков в ресурсосберегающих технологиях

Аппараты двухфазных потоков находят применение в самых разных отраслях народного хозяйства: нефтехимической и газовой промышленности, химии катализа, в процессах газогенерирования, сжигания твердого или жидкого топлива, в изучении особенностей фильтрации воды, нефти, газа или другого теплоносителя через слой грунта или засыпку из шаровых твэлов. Например, в контактных, фильтрующих аппаратах, каталитических реакторах, абсорберах, рукавных и зернистых фильтрах, шахтных известковых печах, основным элементом являются слои зернистых сыпучих тел в потоке газа или жидкости. Важность исследований аппаратов двухфазных потоков неоднократно подчеркивалась на Всесоюзных и Всероссийских форумах ученых и инженерно-технических работников академиками В. Е. Накоряковым и В. В. Струминским, где отмечались следующие генеральные направления, которые нуждались в срочной разработке, и отставание в которых тормозило развитие технического прогресса и могло привести к непоправимым экологическим бедствиям.

1. Методика и техника измерения параметров потока.

2. Управление потоками с целью ресурсосбережения и создание оптимальных режимов работы.

3. Решение проблем масштабного перехода от модели к натуре.

С ориентировкой на вышесказанное и была выполнена предлагаемая работа. Разработан достаточно крупный блок уникального измерительного инструментария параметров потоков, с помощью которого удалось получить новые данные о структуре однофазных и двухфазных потоков, что существенно прояснило картину подобных течений. Создан также новый класс установок, управляющих процессами переноса в движущихся потоках, в частности, аппараты по управлению распределением скорости по сечению аппарата, по управлению газогенерированием, сжиганием, шлакованием поверхностей нагрева или загрязнением нефтепроводов, по управлению и повышению нефтеотдачи действующих и временно остановленных скважин. Предложен ряд принципиально новых конструкций аппаратов двухфазных потоков.

Автор защищает:

1.Получение детальной картины полей скорости и давления фильтрационного течения жидкости в зернистых слоях, использующихся в химических и нефтехимических ресурсосберегающих технологиях. Впервые полученную методом бесконтактной лазерной анемометрии картину течения жидкости в хаотичной упаковке из шариков с определением связи локальной скорости в порах с соответствующей геометрией каналов и их влияние на процессы переноса и интенсивность химической реакции.

2.Результаты по полям скорости жидкости на моделях перспективных экологически безопасных и мало энергоемких ядерных реакторов на шаровых твэлах в виде правильной кубической упаковки, включающих в себя новые данные по полям скоростей, полученные с помощью лазерной анемометрии в диапазоне чисел Ие < 1000.

3.Новые конструктивные разработки охладителей, используемых при тушении пожаров или при аварийном перекрытии нефтепроводов быстродействующим клапаном, позволяющих увеличить выход полезного продукта, надежность перекрытия трубопровода и сократить время тушения пожара.

4.Создание нового направления в газогенераторах на гибридном топливе для получения экологически чистого топлива — водорода, реагенты, в котором выполнены в виде зернистой среды из правильных упаковок шариков, вид и структура которых определяется условиями стехиометрии гибридного топлива.

5.Методики измерения скорости и пористости внутри зернистого слоя с помощью лазерной анемометрии, методики измерения параметров двухфазного потока и расходных скоростей с использованием пьезочувствительных датчиков, стреляющего зонда, кипящего ферри-тового слоя и двойной спирали.

6.Физические модели для расчета переноса в упакованном слое и связанные с этим способы интенсификации химической реакции и увеличения эффективности использования химических реагентов при фильтрации.

7.Ресурсосберегающие технологии, основанные на новых методах управления тепломассообменными процессами в пористых и зернистых слоях, камерах сжигания пылеугольного топлива, газогенераторах и охладителях, разработанные на основании полученных экспериментальных данных о спектре собственных пульсаций и характерных временах в фильтрующихся и двухфазных потоках. В частности, методы интенсификации нефтедобычи, основанные на возбуждении вибрации, тепловых и ударных волн внутри нефтяного пласта, методы интенсификации сжигания угольной пыли при пульсирующей подаче первичного и вторичного воздуха, резонансные методы возбуждения вибрации для устранения шлакования и загрязнения поверхностей, методы управления и интенсификации процессами обмена в зернистых средах химических реакторов, основанные на детальном исследованном влиянии внешних пульсаций на распределение пристеночного давления внутри зернистого слоя.

8.Получение новых экологически — безопасных иммерсионных жидкостей. Их синтезирование и физико-химический анализ.

Некоторые исследования по гидродинамики и процессам переноса.

Отличительной чертой движения жидкости через зернистые слои является неравномерность распределения скоростей по сечению слоя. Подобная неоднородность потока приводит не только к снижению эффективности работы аппарата с зернистым слоем, но и часто к локальному перегреву и запеканию зерен слоя в горячем газовом потоке или к замораживанию отдельных участков рабочего элемента в теплообменниках, к усилению капельного уноса в фильтрующих аппаратах, что иногда вызывает полное нарушение рабочего цикла и выход аппарата из строя. Исследованию гидродинамики и переносу в зернистых слоях посвящено большое количество работ [1] - [34]. В работах Стру-минского с сотрудниками показано наличие крупномасштабных неод-нородностей в распределении скорости по сечению опытного участка и предложены некоторые методы устранения этих неоднородностей. С помощью визуализации Струминским и Павлихиной была зафиксирована неоднородность профиля скорости в зернистых слоях [4]. Следует отметить, что профиль скорости за упаковкой может отличаться от профиля скорости внутри ее. Так в работах Кириллова, Кузьмина и др. [6], Леру и Фромента [7] показано, что профиль скорости за пористой средой существенно зависит от ориентации и упаковки двух-трех последних слоев засыпки или от прогиба сетки, ограничивающей засыпку. Работ, посвященных измерению скорости внутри пористой средкц сравнительно мало, что объясняется сложностью проведения подобных экспериментов. Так известны две работы (Миклей, Смит, Корчак [9], Ван дер Мерве и Гаувин [8]) по измерению термоанемометром профиля скорости и интенсивности турбулентности потоков в правильных упаковках. Миклей и др. измеряли профиль локальной скорости, интенсивность турбулентности и спектр пульсаций скорости в ромбической упаковке для чисел Re, равных 4780 и 7110 при D/d=8, где D — ширина квадратного канала, d — диаметр шарика. В этой работе получено, что профили интенсивности турбулентности и локальной скорости становятся более пологими при увеличении числа Re, так отношения максимальных скоростей в ячейках к расходной скорости при числе Re=4780 и 7010 составляли 6,1 и 4,5 соответственно. Кроме того, скорость вблизи стенки упаковки оказалась на 10% выше скорости в центре, хотя были приняты меры по устранению неравномерности пористости у стенки, в которой крепились половинки сфер. Профиль средней скорости, полученный ими, имел два пика, в соответствии с количеством пропускных каналов для элементарной ячейки ромбической упаковки. Уменьшенное значение скорости между пиками соответствовало теневой области за шариком, в которой возможно образование возвратных течений, необнаруженных авторами. С увеличением числа Re максимальные значения скоростей в пиках сближаются, т. е. профиль становится более равномерным в отдельных ячейках упаковки. Результаты Ван дер Мерве и Гаувина по измерению интенсивности турбулентности на правильной кубической упаковке при числах Re = 2500, 5000, 10 000, 27 000 и D/d = 4 качественно совпадают с результатами Миклея и др., но в спектре пульсаций скорости, полученным Ван дер Мерве и Гаувином, имелись пики, тогда как в спектре, полученном Миклеем и др. пики отсутствовали. Кроме того, Ван дер Мерве и Гаувин отмечают увеличение крутизны профиля продольной скорости с увеличением числа 11е. Эти результаты расходятся с выводами работ Евсеева, Накорякова, Романова [10, 11], которые измеряли спектр пульсаций и профиль скорости внутри кубической и октаэдрической упаковок с помощью лазерного доплеров-ского анемометра. Известны еще две работы по измерению профиля скорости внутри хаотической упаковки электродиффузионным методом (Акехато и Сато [12], Кириллов, Кузьмин и др. [6]). Результаты этих двух работ в основном согласуются между собой, но отличаются от результатов Миклея и др. Принципы электродиффузионной диагностики подробно описаны в работе [3]. Акехато и Сато использовали электродиффузионные датчики в виде 5 концентрических колец, выполненных из платиновой проволоки диаметром 0,1 мм. Эти кольца располагались в одном сечении стеклянной трубы, заполненной шариками, диаметр которых варьировался от 1 до 7 мм. Кириллов, Кузьмин и др. использовали рабочий участок, диаметр которого был равен диаметру стеклянной трубы в экспериментах Акехато, Сато (50 мм). В рабочий участок загружались трех миллиметровые стеклянные шарики. В качестве электродиффузионных датчиков Кириллов, Кузьмин и др. так же как и Акехато, Сато использовали пять концентрических колец из никелевой проволоки диаметром 0,28 мм, расположенных в одном сечении рабочего участка на радиусах б, 11, 15, 20 и 24 мм. Кроме кольцевых датчиков Кириллов, Кузьмин и др. использовали никелевые шарики диаметром 3.8 мм и проволочные щупы диаметром 0.28 мм и длиной 0,5 — 1,5 мм. Профиль скорости, замеренный Акехато и Сато для чисел Яе= 0.4 — 140 и Б/с1= 16 — 54 и Кирилловым и Кузьминым для Яе= 20 — 600 и Б/с1=16, найден плоским. Но для отношения Б/с1=7.2 и 9.4 в экспериментах Акехато и Сато профиль скорости оказался выпукло-вогнутым у стенки ¿-¿-а расстоянии, близком к диаметру зерна. Как отмечают авторы область с минимальной средней скоростью у стенки соответствует области с минимальной пористостью, находящейся примерно на расстоянии радиуса зерна от стенки. При экспериментах с разными Б/с1 Акехато и Сато не меняли положение датчиков в трубе, поэтому, когда размер зерна становился меньше, чем расстояние до второго датчика от стенки, профиль скорости становился плоским, т. е. датчики не чувствовали изменение потока на первом зерне от стенки. В этом случае их результаты естественным образом совпадали с результатами работы Кириллова, Кузьмина и др., при использовании ими датчика величиной больше, чем диаметр зерна. В измерениях Кириллова, Кузьмина и др. проволочным щупом, длина которого меньше, чем диаметр зерна, скорость жидкости в центре упаковки оказалась несколько меньше скорости жидкости у стенки. Из этих двух работ следует, что если неравномерность профиля скорости у стенки и существует, то она невелика и, при усреднении по размеру зерна получается среднее значение скорости. Аналогичный результат, говорящий о том, что профиль в хаотичной упаковке плоский, получил Кубота [13]. Кубота измерял поле скоростей по теплообмену от единичной сферы диаметром 9,6 мм, в точности равном диаметру зерна засыпки. Он измерил поле скоростей на хаотичной упаковке в диапазоне чисел Ке= 7 — 173 в прямоугольном канале, поперечное сечение которого, отнесенное к квадрату диаметра зерна, составляло 9×26. Кубота отметил, что хотя локальные скорости жидкости в центре упаковки и у стенки равны, тем не менее, расход жидкости у стенки существенно выше, за счет большого количества пустот у стенки по сравнению с центром хаотичной упаковки. Рассмотрим несколько работ по бесконтактным методам определения скорости в зернистом слое. Так во времяпролетном методе Колесанова скорость газа определялась с помощью радиоактивной метки (радона), вводимой взрывным образом в некоторых участках доменной печи [15]. Хотя в работе не приводятся полные профили скорости по сечению зернистого слоя, тем не менее, представляет интерес исследование автором извилистости и проходного сечения для газа в зернистом слое из кускового материала. Колесанов отметил, что при низких числах Бе газ как бы «блуждает» по слою, «разыскивая» каналы с наибольшим проходным сечением. Чем меньше число 11е, тем по меньшему количеству каналов движется газ в зернистом слое. Это приводит к увеличению извилистости и уменьшению проходного сечения для газа в зернистом слое при понижении числа Яе. С увеличением расхода газа извилистость падает, а проходное сечение растет до определенного предела. Этот предельный расход газа может быть найден из условия перехода во взвешенный слой и соответствует прохождению газа практически по всем каналам в слое материала.

В работах Аэрова, Умника [25], Табунщикова [16] использовалась пропорциональность скоростей газа и фронта сорбции какой-либо примеси из газа. Визуальные наблюдения за движением фронта сорбции позволяли определять скорость газа для не слишком высоких чисел Яе, при которых еще фронт сорбции имеет отчетливые границы. Этим методом до чисел Яе < 40 Аэров, Умник получил, что скорость газа у стенки на 30−70% выше скорости газа в средних слоях. Табунщи-кову удалось применить этот метод для более высоких чисел Яе. Он установил, что 30% превышение скорости у стенки практически не изменяется при изменении числа Яе от 3 до 160. В работах Абаева, Попова, Смирновой и др. [17, 18] скорость газа определялась из однозначной связи между временем регенерации катализатора и количеством прошедшего через зернистый слой воздуха. Авторы получили рост крупномасштабных неоднородностей в профиле скорости с понижением числа Яе. Так при числах Яе= 150 и 3000 скорость газа у стенки превышала скорость газа в центре опытного участка в 6 и 2.5 раза соответственно. Известна также работа Каринса и Праузнит-ца [14], которые измеряли профиль скорости в хаотической упаковке для чисел Яе= 9 — 1700 и Б/с1=15.6. В этой работе использовалась времяпролетная методика. В начале упаковки впрыскивалась проводящая метка. Чувствительные электроды были вмонтированы в скрепленные между собой шарики, имеющие диаметр, близкий к диаметру зерна засыпки (3,2 мм). Конструкция чувствительного элемента не позволила Каринсу и Праузнитцу подойти к стенке ближе, чем на два диаметра зерна. В этих измерениях авторы получили плоский профиль скорости с незначительным увеличением скорости в центре упаковки, но значение скорости отличалось от расходной. Это отличие автора отнесли к влиянию пристенной части упаковки, в которой они не могли измерить скорость. Следовательно, в пристенной части упаковки скорость у них оказалась выше, чем в центре. Таким образом, во всех бесконтактных методах определения скорости в зернистом слое получено повышенное значение скорости у стенки по сравнению с центром опытного участка. Но для каждого метода определения скорости величина превышения скорости у стенки и зависимость этого превышения от числа Ле оказалась различной. Тем не менее, большинство исследователей утверждало, что с увеличением числа Яе профиль средней скорости становился более плоским по сечению упаковки. Так Карине, Праузнитц получили для чисел Ие < 1700 почти 20% превышение скорости у стенки, независящее от числа 11е. Аэров, Умник Табунщиков получили для чисел 11е < 160 30% превышение скорости у стенки, практически независящее от числа Ее, но для чисел Яе > 600 Аэров, Умник предполагали уменьшение неоднородности профиля скорости до 10 — 20%. Абаев, Попов, Смирнова и др. также получили, что с ростом числа Т1е профиль скорости становится более однородным. Хотя и при числах Ие—3000 скорость газа вблизи стенки у них оказалась на 150% выше скорости в центре опытного участка. Следует отметить, что хотя результаты Каринса, Праузнитца противоречат результатам Куботы, Акехато, Сато, Кириллова, Кузьмина и др., в работах которых для хаотичных упаковок получены плоские или почти плоские профили скорости, тем не менее, следует учесть, что времяпролетная методика имеет немаловажное отличие от методик определения скорости, основанных на тепломассообмене. Так времяпролетная методика Каринса, Праузнитца требует измерения проводимости между двумя электродами, расположенными на расстоянии 1 мм. Проводимость измеряется после прекращения подачи проводящей метки и зависит не только от локальной скорости жидкости, но и от скорости, усредненной по сечению потока между электродами. В диагностиках, основанных на измерениях диффузии тепла или массы через пограничный слой теплового или электродиффузионного датчиков, фактически определяется скорость его обтекания. Поэтому следует ожидать, что времяпролетные методики будут более чувствительны к изменению пористости или расходной скорости, чем методики, основанные на тепломассообмене. Далее принимая во внимание замечание Куботы об увеличенном значении расходной скорости у стенки упаковки по сравнению с центром, при равенстве локальных скоростей в центре и у стенки, можно частично объяснить противоречие отмеченных работ. Из приведенных работ можно заметить, что локальная структура потока в зернистых слоях недостаточна ясна и результаты некоторых работ противоречивы. Это связано с известными недостатками контактной методики такими, как искажение пористой среды и потока, зависимость показания датчиков от расстояния до твердой поверхности шариков или стенки канала, сложность в определении вектора локальной скорости потока. С другой стороны, возможно и влияние вида упаковки, геометрии рабочего участка, режима течения жидкости. Так, например, Миклей и др. изучали поле скоростей на правильной упаковке при достаточно высоких числах Яе > 4500, т. е. в турбулентной области, где они нашли, что локальная скорость вблизи стенки на 10% выше скорости в центре. Кириллов, Кузьмин и др. изучали поле скоростей в хаотичных упаковках при числах 11е < 600, а Акехато, Сато и Кубота при числах Ие < 200, т. е. ближе к ламинарному течению, и получили плоский или почти плоский профиль локальной скорости. Эти результаты не согласуются с результатами Каринса, Праузнитца, которые практически для всего диапазона чисел Яе= 9 — 1700 получили скорость у стенки на 20% выше скорости в центре упаковки, и противоречат результатам Ван дер Мерве, Гаувина, у которых с повышением числа Яе профиль скорости становится более крутым.

Если от гидродинамической картины течения внутри зернистого слоя перейти к соответствующим процессам переноса тепла и массы, то и здесь наблюдается достаточное количество несовпадений, как в области расчетных моделей, так и при экспериментальных исследованиях. В общем случае в коэффициенте дисперсии выделяются следующие составляющие [2]: где Юи = к Я2 и/481)1 — наличие пристенного эффекта аналогичного влиянию «тейлоровской диффузии» — /г-численный коэффициент- £>о = Ве/Т — коэффициент диффузии для зернистого слояе — пористостьТ- извилистостьИК = кщй — конвективная составляющая для дисперсиид, — диаметр зерна- - релаксационная составляющая дисперсии, для больших чисел 11е 1) р ~ щ<1, для малых Ир ~ и^/В- -Оф ~ Щ<1 ~ флуктуационная составляющая дисперсии.

Объединяя все составляющие в одну формулу, в первом приближении можно записать: где и некоторые константы.

Аналогичное выражение можно записать и для поперечного коэффициента дисперсии. Теоретическому обоснованию линейной зависимости коэффициента дисперсии от числа Ие посвящено достаточно.

Вьф — Д, + £>к + £>р + 4- £>ф,.

0.1).

Дэф/1)1 = к2 + кзИеБс,.

0.2) много исследований [25] - [34]. В основном все они базируются на двух различных подходах, обусловленных разной гидродинамикой внутреннего и внешнего обтекания. Так капиллярная модель связана с течением внутри капилляров и дисперсионные эффекты в ней объясняются различными пропускными способностями и ориентацией капилляров [27]. Как отмечено в работе [2], капиллярная модель применима больше к сцементированным грунтам, чем к зернистым средам. Насыпные слои, по всей видимости, ближе к ячеистой модели пористой среды, в которую входят такие признаки внешнего обтекания, как наличие неравнодоступных объемов или застойных зон, особенно вблизи точек контакта элементов среды [28] - [33]. Как видно из соотношений (0.1, 0.2) в эффективные коэффициенты переноса тепла и массы в зернистых средах могут одновременно входить несколько физических механизмов переноса, что затрудняет как разработку теоретических моделей, так и сравнение теории с экспериментом. Еще более усложняется картина в нестационарных зернистых слоях, разрушаемых в процессе течения жидкости или газа, например, в охладителях или газогенераторах при наличие в потоке частиц твердой фазы.

В заключение обзора по гидродинамике и переносу в зернистых слоях приведем известные данные по обтеканию одиночного шарика и укладки из шариков при различных числах Ие [19], [24], [25]. Для хаотичной укладки из шариков при числе Ие < 20 режим течения жидкости ламинарный, с плавным обтеканием жидкостью отдельных элементов. Механизмы переноса тепла и массы в основном молекулярные. Коэффициент продольной и поперечной теплопроводности при Ые < 10 равны друг другу. При числе Ие 10 — 20 за шариками появляются вихри, струи между шариками медленно изменяют свое направление. При числе Ые больше 20, но меньше 50 вихри то зарождаются, то исчезают.

При обтекании одиночного шарика стационарный кольцевой вихрь и турбулентный след образуется с числа Яе=24, но следует учесть, что для одиночного шарика число Яе строится по скорости на бесконечности, а для засыпки — по расходной скорости в пустом опытном участке, которая примерно в 2.5 раза меньше скорости фильтрации, равной расходной скорости деленной на пористость.

При числах Яе > 20 и примерно до числа Яе ~ 100 коэффициенты переноса тепла как вдоль, так и поперек потока в зернистом слое не зависят от числа Яе. В диапазоне чисел Яе 50−140 существует устойчивый ламинарно-вихревой режим, с четко очерченной транзитной струей, ограниченной вихревой структурой. При числе Яе = 115 — 140 происходит переход к турбулентному режиму течения.

За одиночным шариком вихревое кольцо увеличивается в размерах и начинает осциллировать при числе Яе=130. За кольцевым вихрем образуется ряд искаженных вихревых петель, несимметричных относительно оси.

При более высоких числах Яе > 400 в зернистом слое механизмы переноса тепла и массы становятся уже турбулентными с коэффициентами переноса, пропорциональными числу Яе. При этом наблюдается сильная пульсация струи и отсутствие четко выраженных линий тока.

Для одиночного шарика при числе Яе=500 осцилляции становятся периодическими, от кормовой области с определенной частотой, растущей с числом Яе, отрываются вихревые кольца и уходят вниз по потоку в виде вихревой дорожки Кармана. При числе Яе ~ 3 105 турбулизуется пограничный слой и уменьшается коэффициент сопротивления шарика.

Из приведенного описания видно, что картины обтекания одиночного шарика и засыпки из шариков имеют много сходных черт, что позволяет говорить о том, что, по крайней мере, для высоких чисел Яе внутри засыпки преобладает внешнее обтекание.

Анализ известных работ позволяет сформулировать цель исследований.

Восстановить картину и особенности течений внутри простейших аппаратов со стационарным зернистым слоем, использующихся в ресурсосберегающих технологиях химической, нефтехимической и атомной промышленности, разработав и выбрав соответствующий измерительный комплекс.

Экспериментально установить связи пористости и среднего профиля скорости, коэффициента дисперсии и поперечной скорости в зернистом слое.

Построить модель переноса в зернистом слое, с учетом крупных вихревых структур внутри него.

Распространить полученные результаты на нестационарные зернистые слои, с изменяемой геометрией в охладителях, газогенераторах, нефтяных пластах и на двухфазные среды, образующиеся в результате сжигания твердого или жидкого топлива.

Выводы.

Экспериментально подтверждено, что низкотемпературное шлакование связано с пластическим состоянием основной угольной массы.

Выявлены температурные интервалы наиболее активного шлакования для Кузнецкого, Березовского, Экибастузкого, Карагандинского углей.

При этом обнаруженная рыхлая структура первичного шлака позволила наметить ряд перспективных разработок, защищенных И патентами России, и основанных на вибрационных и тепловых методах воздействия на поверхности, загрязненными как шлаковыми, так и нефтяными отложениями.

1.15 Т/Т1.

1.10.

1.05.

— Г 1 — * 2- • 1.

— ^У.

1.00.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0.

Ь, кг/кг.

Рис. 6.1.

Относительная темепература воспламенения в зависимости от весового соотношения между топливом и воздухом. 1 и 2 — кузнецкий и березовский угли, фракции 63−100 мкм, Т1 — 1000 К и пыль фракции 90 мкм меньше 15%, Т1−810 К.

1200 Т, К.

1 — ж — 2- А 3- •.

10 f, Гц.

Рис. 6.2.

Темепература воспламенения в зависимости от частоты пульсаций расхода топлива. 1, 2 и 3 — кузнецкий, экибастузкий и березовский угли, фракции 63−100 мкм, избыток воздуха 1.2, фракции 100−160 мкмк, избыток воздуха 2.4 и пыль фракция 90 мкм меньше 15%, с недостатком воздуха 0.5.

Рис. 6.3.

Профили скорости и концентрации в запыленном потоке.

1 — вертикальная скорость, К 1=2, К2=5, КЗ=8 м/с;

2 — расходная концентрация, К1=0.2, К2= 0.5, К3=0.8 кг/м (-3 — счетная концентрация, N/N111, где Ы-разность между количеством частиц, двигающихся вверх и вниз, №п — ьаксимальное значение концентрации, К1=0.2, К2=0.5, К3=0.8.

5,.

ММ 1,2.

0,8.

0,4.

0 0,2 0,4 0,6 х, м.

Рис. 6.4.

Распределение среднего размера частиц пыли на разных высотах форсированного кипящего слоя. 1, 2, 3 — расстояния Ъ от диффузора равны 0.6, 1,.

1.8 м.

Рис. 6. 5.

Распределение скорости запыленного потока на разных высотах форсированного кипящего слоя. 1, 2, 3 — расходные массовые концентрации частиц равны О,.

0.5, 2 кг/кг.

Х5м.

Рис. 6.6.

Профили скорости воздушного потока, а и б — без пыли и с пылью. 1 — 03=0.345 м /с, 0⁰.034 м/с, 0.099 м1/с- 2- 0=0.45 м'/с, (2г=0.13 м'/с, 02=0;

3 и 4 — 02=0, О0″ =0.45 м'/си 0=0.58 м/с- 5 — 0 (Г 0.45 м/с, 0=0, 0=0.13 м'/с.

Рис.(6.7.

Установка для исследования низкотемпературного шлакования. 4.

Рис. 6. В.

Шлакование Карагандинского угля при температуре 1270 К. 1, 2 и 3, 4 — без дутья и с дутьем воздуха. 1, 3 и 2, 4 — расстояния от сопла 0.5 и 15 см.

Рис. 6.9.

Шлакование углей без дутья воздуха. 1, 2 — Кузнецкий уголь, Т=1070 К, расстояния от сопла 2.5 и 15 см. 3,4, и 5 -Карагандинский, Экибастузкий и Березовские угли при температурах 1070, 1020 и 820 К при расстояниях от сопла 1.5, 10 и 10 см.

Заключение

.

Подводя итог приведенной работе, кратко сформулируем основные выводы из нее.

1.Разработан широкий класс измерительных методик, для исследования потоков в ресурсосберегающих технологиях аппаратов двухфазных потоков. В частности разработаны методики определения скорости и пористости в хаотичной упаковке с помощью лазерного допле-ровского анемометра при подборе жидкости, с показателем преломления равным показателю преломления пористой среды.

2.Синтезированы новые экологически безопасные оптические плотные жидкости на основе йодидов металлов с высоким показателем преломления. Проведены из физико-химические исследования, включающие определение коэффициентов переноса, вязкости, электропроводности и показателя преломления и их зависимости от температуры.

3.Получена детальная картины фильтрационного течения жидкости на моделях, использующихся в химической и нефтехимической и атомной промышленности, в ресурсосберегающих технологий катализа и получения новых материалов.

Впервые получена методом бесконтактной лазерной анемометрии картина течения жидкости в упаковках из шариков и определена связь локальной скорости в порах с соответствующей геометрией каналов и ее влияние на процессы переноса.

Впервые получены бесконтактными измерениями в хаотичных засыпках профили скорости внутри различных упаковок из шариков и распределение пристенного перепада давления по длине засыпок из шариков и таблеток. Полученные результаты были использованы на моделях перспективных экологически безопасных и малоэнергоемких ядерных реакторов на шаровых твэлах в виде правильной кубической упаковки и включили в себя новые данные по полям скоростей, полученные с помощью лазерной анемометрии в диапазоне чисел Яе < 1000 и распределение пристеночного давления в хаотичных упаковках до чисел 11е=20 000. Экспериментально получено, что при числе Рейнольдса меньше 100 влияние входного эффекта на распределение пристеночного давления в хаотичной упаковке простиралось на расстояние, примерно равное 30 диаметрам элемента упаковки. При этом обнаружилось влияние низкочастотных акустических пульсаций (частотой меньше 100 Гц) на распределение пристеночного давления до не слишком высоких чисел 11е (меньше 1000), при которых амплитуды акустических пульсаций давления меньше амплитуды турбулентных пульсаций. Дискретная составляющая спектра внутри правильной кубической упаковки, соответствовала числу Струхаля 3.5, и была существенно выше, чем для обтекания одиночного шарика, что, по всей видимости, обусловлено меньшим размером вихрей из-за загромождения потока.

Предложены физические модели переноса в зернистом слое, удовлетворительно совпадающие с экспериментальными данными. Это позволило предложить ряд способов интенсификации и ресурсосбережения химических реагентов при фильтрации.

Выявлен вклад в коэффициент дисперсии пульсационной составляющей скорости, достигающий 30 процентов при числе 11е=62, полученный из сравнения поперечного коэффициента дисперсии с прямыми измерениями среднего значения поперечной компоненты скорости лазерным анемометром,.

4.Определена причина неполного использования материала засыпок из разрушающихся химических реагентов, которые, подвергаясь механическому разрушению, перекрывали каналы в упаковке и в дальнейшем крупными фракциями уносились потоком из зоны интенсивной химической реакции в теневые и пристеночные области, где скорость сублимации существенно ниже. В новых конструктивных разработках охладителей, применяемых при тушении пожаров или при аварийном перекрытии нефтепроводов быстродействующим клапаном, предложено использовать в качестве разбавителя разрушаемых таблеток инертной насадки, существенно уменьшающей критические пики давления в упаковке, увеличивающей полноту, время протекания химической реакции и устраняющей преждевременный вынос реагентов из упаковки.

Разработаны две модели конструкции газогенераторов гибридного топлива: с магнитной подачей и автоколебательный газогенератор. Проведены испытания газогенераторов водорода на порошках гидридов лития и воды, которые свидетельствовали об эффективности разработанных конструкций газогенераторов для получения экологически чистого топлива.

Предложено новое направление развития процессов газогенерирования, основанное на структуировании компонент топлива, заключенного в капсулы. Результаты конструктивных разработок газогенераторов защищены 8 патентами России. Новое направление в газогенераторах на гибридном топливе связано с получением экологически чистого топлива — водорода, реагенты в котором выполнены в виде зернистой среды из правильных упаковок из шариков, вид и структура которых определяется условиями стехиометрии химической реакции гибридного топлива.

5.Выявлены оптимальные частоты пульсации первичного воздуха с пылью Кузнецкого, Карагандинского, Березовского, Бикинского и Итатского углей, связанные с температурой воспламенения топливной смеси и временем ее прогрева. Получено уменьшение температуры воспламенения угольной пыли при ее пульсирующем расходе на 50−100 градусов. Разработаны конкретные устройства пульсаций первичного и вторичного воздуха, защищенные 7 патентами России, основанные на управлении, как средиерасходными характеристиками потока и температуры, так и на изменении пульсаций и профиля скорости первичного и вторичного воздушных потоков.

6.Разработаны методики измерения скорости и счетной концентрации запыленного потока, с помощью которых удалось зафиксировать в форсированном кипящем слое сильное расслоение частиц по фракционному составу: крупные частицы мигрировали к стенкам, а мелкие концентрировались по оси потока и подвергались значительному выносу из модели топки. Это приводило к жестким требованиям к вну-тритопочным уловителям циркулирующих частиц. Установлено, что увеличение массовой расходной концентрации циркулирующих частиц до 0,5 кг/кг, также как и боковой вдув, устраняли неоднородность профиля скорости воздушного потока, обусловленную эффектом Ко-анда. Дополнительный вдув через боковые решетки (до 20% от полного расхода) существенно увеличивал придонную циркуляцию частиц и практически не сказывался на равномерности профиля скорости в надслоевом пространстве модели. Полученные данные необходимы при реконструкции слоевых котлов (ДКВР) производительностью до.

10 т/ч.

7.Экспериментально подтверждено, что низкотемпературное шлакование связано с пластическим состоянием основной угольной массы.

Выявлены температурные интервалы наиболее активного шлакования для Кузнецкого, Березовского, Экибастузкого, Карагандинского углей. При этом обнаруженная рыхлая структура первичного шлака позволила наметить ряд перспективных разработок, защищенных.

11 патентами России, и основанных на вибрационных и тепловых методах воздействия на поверхности, загрязненными как шлаковыми, так и нефтяными отложениями.

Ресурсосберегающие технологии, основанные на новых методах управления тепломассообменными процессами в пористых и зернистых слоях, камерах сжигания пылеугольного топлива, газогенераторах и охладителях, разработаны на основании полученных экспериментальных данных о спектре собственных пульсаций и о характерных временах в потоках.

В частности, методы интенсификации нефтедобычи основаны на возбуждении вибрации, тепловых и ударных волн внутри нефтяного пласта. Методы управления и интенсификации процессов обмена в зернистых средах химических реакторов основаны на детально исследованном влиянии внешних пульсаций на распределение пристеночного давления внутри зернистого слоя. Методы борьбы со шлакованием также основаны как на использовании собственных частот поверхностей нагрева, так и на резонансном возбуждении пульсаций давления и скорости в потоках, омывающих эти поверхности.

Список условных обозначений.

Б — ширина квадратного канала или его диаметркоэффициент диффузии.

Я — радиус каналарадиус шарикапараметр. с! — диаметр шарика или таблетки, плотность жидкости.

Д ф — эффективный коэффициент дисперсии в зернистом слое. о, и, — расходная скорость в незаполненном опытном участке.

— коэффициент диффузии в жидкости. Ип — диффузия, с учетом пристенного эффекта аналогичного влиянию «тейлоровской диффузии». к — волновое числочисленный коэффициент, параметр. ки — численные коэффициенты.

Во — коэффициент диффузии для зернистого слоя.? — пористость.

Т — извилистостьпараметртемпература газа. ИК — конвективная составляющая для дисперсии. £)р — релаксационная составляющая дисперсии. Дф — флуктуационная составляющая дисперсии. 5с — число Шмидта.

А — константа, параметрмассовый расход частиц через лабиринтный золоуловительработа сил адгезии.

В — константа, параметрмассовый расход частиц через циклоны. С} - константа, параметр. аконстантадиаметр вихря. Ъ — константадиаметр вихря. с — константа, скорость звукатеплоемкость измерительной рамки датчикатеплоемкость кокса.

С — емкость измерительного прибора и измерительной линиикоэффициент проницаемости слоя.

II — напряжение на входе измерительного приборарасходная скорость в центральной ячейке кубической упаковкиэнергия, затрачиваемая на неупругую деформацию шлакующейся частицы.

М — масса частицы, ударившейся о поверхность датчикаусредненная масса частицыпараметр. V — скорость частицы.

— средняя плотность частицрасход воздуха через установку с кипящим слоем.

N — число частиц.

5 — активная площадь датчика, параметр. г — время цикла измерениякасательное напряжение вязких силвремя прогрева частицы.

Яе = щс1/р — число Рейнольдса. Аг — критерий Архимеда. д, 1>" р8 — ускорение свободного падения, кинематическая вязкость, плотность частиц. р, с1 — плотности жидкостичастицы. и, и* текущее и максимальное значение скоростей. щпристеночное значение скорости с учетом поправки. ьу — постоянная скорость подъема пузырька. их — продольная скорость жидкости. у — поперечная (продольная) координатыпараметр. х поперечная (продольная) координатыпараметр. 2 — поперечная (продольная) координатыпараметр. т — параметрмассы измерительных рамок датчиковотносительная расходная концентрация циркулирующих частиц- (мг/см3) массовая концентрация.

Ь — максимальное смещение пузырька по продольной координате или длина опытного участка (диаметр), параметр. и* - максимальное значение скорости жидкости. п — численное значение показателя степени для пуазейлевского профиля скорости, количество шариков, укладывающихся на одной из сторон опытного участка, показатель преломления, г — рефракция. w — радиус лазерного луча в измерительном объеме, гго = (n —nl)/n — относительное отличие показателей преломления стеклянных шариков и жидкости.

Re3 = 4и/иа — эквивалентное число Рейнольдсаа = ао (1 — s)+3/D — удельная поверхностьао = 6[2/3 + d/(SH)]/d — удельная поверхность таблетки.

Н — высота таблетки. экоэффициент сопротивления зернистого слоя. s — площадь центральной ячейки в узком сечении кубической упаковкипараметр.

Uuz — расходная скорость, приведенная к узкому сечению кубической упаковки.

U* - максимальное значение скорости в центральной ячейке кубической упаковки.

Ра — акустическое давление. Р — давление.

К — относительная мощность звука. и' -амплитуда пульсаций скорости. о — предельное значение акустической интенсивности. ой — циклическая частота пульсаций. t — время.

Ra — критерий Релея. — коэффициент теплового расширения жидкости.

AT — перепад температур.

Рг — критерий Прандтля.

Ra — критерий Релея для зернистого слоя.

Л — коэффициент теплопроводности жидкостигаза.

Ао — эффективный коэффициент теплопроводности жидкости.

I — динамическая вязкость жидкости. do — эквивалентный диаметр зернистого слоя. ф — минимальное относительное проходное сечение засыпки. щ, щ — скорости потока с двух сторон щели. и[, и'2 — скорости вихрей.

Z, h — ширина щели и толщина пластины.

Wi (l).W&(b) — силы трения на единицу длины I, Ь. pi, р2 — параметры. gi, q2 — параметры.

Gi (l).Gs{b) — диффузионный поток на единицу длины /, Ь.

Ci, С2 — концентрация в потоке с двух сторон щели. и[, и'2 — концентрация в вихрях.

3(1) — средний коэффициент массопереноса.

Re = ul/v] Re2 = U2I/V.

Jb hi h ~ потоки массы через соответствующие слои смешения. 0″ ъ ^г? — толщины турбулентных слоев смешения. Di, D2, D^ - эффективные коэффициенты турбулентной диффузии. Dr — эффективный коэффициент поперечной диффузии. Vot — относительная скорость, равная отношению измеренной скорости к расходной в незаполненном опытном участке. J — поток энтальпии.

F — площадь проходного сечения измерительной рамки датчика. То — температура потока на входе в датчикначальная температура выхода летучих из угольной частицы.

Ti — температура окончания выхода летучих. АТ — разность температур на входе и выходе потока из датчика. T’d — производная по времени от температуры измерительной рамки датчика.

6 — начальный размер частицы угольной пыли. N и — тепловой критерий Нуссельта.

Список условных обозначений к рисункам рис. 1.10, ХА и ВР — хромель-алюмель и вольфрам-рений, рис. 1.12, (?2 и (¿-орасход воздуха через боковые решетки и через центр аппарата. рис. 1.15, и мВ — напряжение на выходе пьезоэлемента, А — амплитуда сигнала, Т — длительность сигнала. рис. 1.18, N — количество ударов или отсчетов импульсов с пьезоэлемента в тысячахи — соответствующее напряжение на выходе в вольтах. рис. 1.21, С} (см3/с) — расход жидкости, / • 10~4 (Гц) — частота на выходе измерительного контура. рис. 1.22, 0 (см3/с) — расход жидкости, N — показания на шкале ротаметра РС-5. рис. 1.29, и/и* - отношение локальной скорости к максимальной в цилиндрической стеклянной трубе, у — поперечная координата, градиус трубы, п — показатель преломления жидкости, Ь — длина измерительного объема лазерного доплеровского анемометра, А — центр измерительного объема. рис. 1.30, Ь/с1 — локальный линейный просвет, отнесенный к диаметру шарикау — поперечная координата в хаотичной упаковке, диаметр которой в 7.5 раза больше диаметра шарика. рис. 1.34, V, V* - локальная и максимальные скорости в канале, х и Ь — продольное и максимальное смещения пузырьков по потоку, упоперечная координата, II — радиус канала. рис. 1.36, рис. 1.37, т/отн кинематическая вязкость раствора, отнесенная к вязкости воды. рис. 1.37, х — смещение лазерного луча, при попадании на поверхность шарика, у — соответствующая поперечная координата, II — радиус шарика. рис. 2.4г, Ат — амплитуда изменения перепада давления на расстоянии 2 см, отнесенная к среднему перепаду давления на этом расстоянии. рис. 2.9-рис.2.18, — продольная скорость, отнесенная к расходной, х, у — координаты в плоскости поперечной внешнему градиенту давления. рис. 2.19-рис.2.22, Усо! — поперечная скорость, отнесенная к расходной, х, у — координаты в плоскости поперечной внешнему градиенту давления. рис. 2.23-рис.2.32, Уо1 — продольная скорость, отнесенная к расходной в хаотичной упаковке, диаметр которой в 7.5 раза больше диаметра шарика. рис. 2.33, Усо! — поперечная скорость, отнесенная к расходной в кубической упаковке. рис. 2.34, Усо! — поперечная скорость, отнесенная к расходной в отдельных точках кубической упаковки, t — время измерения в минутах. рис. 2.35, относительные спектры продольных пульсаций скорости в правильных упаковках в зависимости от числа Струхаля, равному произведению частоты на диаметр шарика, поделенному на скорость потока в точке измерения. рис. 3.1, щ, и2 — скорости потока с двух сторон щели, и'1- и2 — скорости вихрей в щели, с, с2 — концентрации с двух сторон щели, с’ь с'2.

— концентрации внутри щелиа, Ь — размеры вихрей, 1, Ь — толщина пластины и длина щели. рис. 3.2, Б — коэффициент диффузии в жидкости, 11е и Эс — числа Рейнольдса и Шмидта. рис. 4.5−4.7, Уо1 — продольная скорость, отнесенная к расходной, Б.

— диаметр засыпки с таблетками. рис. 5.3, Н — магнитное поле на оси соленоида при разной коммутадии катушек, II — постоянное напряжение, II — сопротивление катушки. рис. 6.1, Ь, кг/кграсход топлива, приходящийся на единицу расхода воздуха. рис. 6.5, уг — вертикальная составляющая скорости запыленного потока. рис. 6.6, — обозначения приведены на рис. 1.12.