Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование аппаратов двухфазных потоков в ресурсосберегающих технологиях

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Исследование аппаратов двухфазных потоков в ресурсосберегающих технологиях"

РТБ ОЛ о, ^ кзг

На правах рукописи

Волков Валерий Иванович

Исследование

аппаратов двухфазных потоков в ресурсосберегающих технологиях

Специальности 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул - 1998

Работа выполнена и Алтайском государственном университете Научные консультанты: Академик В.Е.Накоряков, доктор фи

зико - математических наук, нрофессо] Сагалаков A.M.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук

профессор Левченко В.Я. Доктор технических паук, нрофессо] Матиевскнй Д.Д.

Доктор технических наук, нрофессо] Петрик П.Т.

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН

Защита диссертации состоится "18" "сентября" 1998 г. в 12- час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 004.45.02 но защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Алтайском государственном университете. (Барнаул, ул. Димитрова, С6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета. Автореферат разослан "_" "августа" 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор

С.А. Безнослок.

Актуальность исследований. Аппараты двухфазных потоков входят применение в самых разных отраслях народного хозяйства: фтехимической и газовой промышленности, химии катализа, в пропсах газогенерирования, сжигания твердого или жидкого топлива, изучении особенностей фильтрации воды, нефти, газа или другого ¡плоносителя через слой грунта или засыпку из шаровых твэлов. В жтактных, фильтрующих аппаратах, в каталитических реакторах, абсорберах, в рукавных и зернистых фильтрах, в шахтных извест-эвых печах основным элементом являются слои зернистых сыпучих ;л. Важность исследований аппаратов двухфазных потоков неодно-ратно подчеркивалась на Всесоюзных и Всероссийских форумах уче-ых и инженерно-технических работников, где были сформулированы яд первостепенных задач, которые нуждались в срочной разработке без решения которых тормозилось развитие технического прогрес-а, резко возрастали потери невозобновляемых ресурсов и возникали грьезные экологические проблемы.

1. Методика и техника измерения параметров потока.

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

3. Решение проблем масштабного перехода от модели к натуре.

Состояние проблемы. Отличительной чертой движения жидко-ти через зернистые слои является неравномерность распределения коростей по сечению слоя. Подобная неоднородность потока при-;одит не только к снижению эффективности работы аппарата с зер-шстым слоем, но и часто к локальному перегреву и запеканию зе-)ен слоя в горячем газовом потоке или к замораживанию отдельных участков рабочего элемента в теплообменниках, к усилению капель-юго уноса в фильтрующих аппаратах, что иногда вызывает полное нарушение рабочего цикла и выход аппарата из строя. В экспериментальных работах можно заметить, что локальная структура потока в зернистых слоях недостаточна ясна и результаты некоторых

работ противоречивы. Частично этб 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 определение вектора локальной скорости потока. С другой стороны, возможно v. влияние вида упаковки, геометрии рабочего участка, режима течение жидкости. Так, например, Миклей с сотрудниками изучали поле скоростей на правильной упаковке при достаточно высоких числах Ш > 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 пр! числах Ле < 600, а Акехато, Сато и Кубота при числах,Яе < 200, т.е ближе к ламинарному течению, и получили плоский или почти плос кий профиль локальной скорости. Эти результаты не согласуются < результатами Каринса, Праузнитца, которые практически для всегс диапазона чисел Ые= 9 - 1700 получили скорость у стенки на 20% вы ше скорости в центре упаковки, и противоречат результатам Ван де| Мерве, Гаувина, у которых с повышением числа 11е профиль скоросп становится более крутым.

Если от гидродинамической картины течения внутри зернистоп слоя перейти к соответствующим процессам переноса тепла и массы то и здесь наблюдается достаточное количество несовпадений, как 1 области расчетных моделей, так и при экспериментальных исследо ваниях. Объединяя конвективную, релаксационную, флуктуацион ную составляющие дисперсии в одну формулу, в первом приближени] можно записать: .

/Лф/1) = а + ЬЕеЗс,

где а и 6 некоторые константы. Аналогичное выражение можно запи сать и для поперечного коэффициента дисперсии. Теоретическому об основанию линейной зависимости коэффициента дисперсии от числ Ие посвящено достаточно много исследований. В основном они базиру

ются на двух различных подходах, обусловленных разной гидродинамикой внутреннего и внешнего обтекания. 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. 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, а также при наличии в потоке частиц твердой фазы, для которых практически отсутствует экспериментальная база по физическим картинам течения, необходимая для построения адекватных моделей описания.

Цель исследования. - Анализ приведенных работ позволяет сформулировать цель исследований.

Восстановить физическую картину и особенности течений внутри простейших аппаратов двухфазных потоков, содержащих стационарный зернистый слой, использующихся в ресурсосберегающих технологиях химической, нефтехимической и атомной промышленности, выбрав и разработав соответствующий измерительный комплекс.

Экспериментально установить связи пористости и среднего профиля скорости, коэффициента дисперсии и поперечной скорости в зернистом слое и построить модели переноса через систему взаимодействующих вихрей, позволяющие предсказать и оптимизировать работу аппаратов двухфазных потоков.

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

Научная новизна. Научная новизна исследования заключается

в следующем.

Впервые методом бесконтактной лазерной анемометрии получена картина течения жидкости в хаотичной упаковке из шариков, с определением связи локальной скорости в порах с соответствующей геометрией каналов и с процессами переноса.

Впервые определена детальная картина полей давления фильтрационного течения жидкости вдоль зернистых слоев шариков и таблеток, использующихся в химических и нефтехимических ресурсосберегающих технологиях. Обнаружено влияние на распределение пристеночного давления в засыпке низкочастотных акустических пульсаций.

Впервые получены с помощью лазерного анемометра данные по нолям скоростей в диапазоне чисел Ее < 1000, на моделях перспективных экологически безопасных и малоэнергоемких ядерных реакторов на шаровых твэлах в виде правильной кубической упаковки.

Разработаны новые конструкции 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.

Создано новое направление в газогенераторах на гибридном топливе для получения экологически чистого топлива - водорода, реагенты в которых выполнены в виде зернистой среды из правильных упаковок шариков, вид и структура которых определяются условиями стехиометрии гибридного топлива.

Разработаны новые методики измерения скорости и пористости внутри зернистого слоя с помощью лазерной анемометрии, методики измерения параметров двухфазного потока и расходных скоростей.

Впервые построена и экспериментально подтверждена модель для расчета переноса через два вихря в упакованном слое.

Синтезированы новые экологически безопасные иммерсионные жидкости, имеющие высокий показатель преломления.

Созданы новые ресурсосберегающие технологии тепломассообмен-

1ыми процессами в пористых и зернистых слоях, камерах сжигания 1ылеугольного топлива, газогенераторах й охладителях.

Практическая ценность. Новые данные по полям скорости в фавильных кубических и хаотических упаковках нашли применение 1ри разработке новых химических газогенераторов и атомных реакторов На шаровых твэлах. Ресурсосберегающие технологии управления :епломассообменными процессами использованы в пористых и зерни-:тых упаковках, камерах сжигания пылеугольного топлива, газогене-, шторах и охладителях, в частности: вибрационные и тепловые методы интенсификации нефтедобычи, методы интенсификации сжигания угольной пыли при пульсирующем расходе первичного и вторичного юздуха, резонансные методы возбуждения вибрации для устранения илакования и загрязнения'поверхностей. - -

Разработанные новые исследовательские методики применимы не только в зернистых средах, а могу т быть-использованы в тех областях лромышленностн и науки, где, наряду с управлением потоками тепла ,1 массы, требуется определение средних и локальных скоростей движения жидкости и газа и соответствующих коэффициентов переноса.

Результаты исследований были использованы па предприятиях Алтайского кран и Новосибирской области, а также при написании ряда учебных пособий для студентов Алтайского государственного университета и в учебном процессе аспирантами и магистрами физического факультета.

Достоверность. Во всем комплексе проведенных исследований определялась точность используемых методик как из нахождения экспериментальной погрешности при тарировочных испытаниях, так и из сравнения с результатами работ других авторов в близких областях исходных параметров. Были изготовлены действующие модели аппаратов, которые подтвердили заложенные в них принципы ресурсосбережения.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 76 работ, из них 39 патентов России, и одна монография.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на всесоюзной конференции "Сжигание топлив с минимальными вредными выбросами" (Таллин, ТПИ, 1978), Всесоюзном семинаре "Лазерная доплеровская анемометрия и ее применение" (Новосибирск 1980), на II всесоюзном семинаре "Теплофизика гидроохла-ждаемых реакторов" (Москва, институт Атомной энергии им. Курчатова и МВТУ им. Баумана, 1980), на 2-ой научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, ЛГУ, 1981), на V всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981), на всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986), на региональной научно-технической конференции "Порошковые материалы и покрытия" (Барнаул, 1990), на всероссийской научно-технической конференции "Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред" (Барнаул, 1996), на международной конференции "Transport phenomena in twophase flow" (Varna'97), на V-международном семинаре "Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей" (Новосибирск, 1998), на всероссийской конференции "Акустика неоднородных сред - V" (Новосибирск, 1998).

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся

1. Получение детальной картины полей скорости и давления фильтрационного течения жидкости в зернистых слоях различной структуры, использующихся в химических, нефтехимических и энергетических 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 ее влияние на процессы переноса и интенсивность химической реакции.

2. Новые конструктивные разработки охладителей и газогенераторов, используемые при тушении пожаров или при аварийном пе-

рекрытии нефтепроводов быстродействующим клапаном, позволяющие увеличить выход полезного продукта, надежность перекрытия трубопровода и сократить время тушения пожара.

3. 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, структура которых определяется условиями стехиометрии гибридного топлива.

4. Методики измерения скорости и пористости внутри зернистого . слоя с помощью лазерной анемометрии, новые методики измерения параметров двухфазного потока и расходных скоростей.

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

6. 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 периодах в фильтрующихся и двухфазных потоках. В частности, методы интенсификации нефтедобычи, основанные на возбуждении вибрации, на тепловых и ударных волнах 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 детально изученном влиянии внешних пульсаций на распределение присте-

ночного давления внутри зернистого слоя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 265 страниц машинописного текста, включающего в себя список литературы из 139 наименований и 71 страницу рисунков.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическое значение, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена описанию большинства разработанных и изготовленных автором экспериментальных установок и методик исследования двухфазных потоков. Виды засыпок, используемых в экспериментах по исследованию гидродинамики и процессов обмена в упакованных зернистых слоях приведены на рис.1. В экспериментах использовались шарики диаметрами 0.3, 1, 2 и 4 см и таблетки диаметрами 1, 2 см и толщиной 0.29, 2 см соответственно. В зависимости от вида исследуемых засыпок выбирались конструктивные параметры опытных участков и соответствующих гидродинамических контуров. Для хаотичной упаковки шариков диаметром 1.83 см использовалась цилиндрическая стеклянная колба диаметром 0.137 м и длиной 0.5 м. Для крупных элементов в виде таблеток, высота которых (2 см) равна диаметру, и шариков диаметром 4 см применялся опытный участок с квадратным сечением 0.2x0.2 м и длиной 0.6 м.

Фотография опытного участка для исследования давления внутри упаковки представлена на рис.2. Давление измерялось за; и перед упаковкой, а также в девяти сечениях внутри упаковки, расположенных на расстоянии 2 см друг от друга по длине опытного участка, имеющего диаметр 5 см. В каждом сечении опытного участка стояло четыре медицинские иголки диаметром 0.5 мм, равноудаленные по окружности. Для отбора статической, части давления концы иголок размещались в узких щелях шириной 1 мм и глубиной 1 мм, вырезанных

ю периметру внутренней поверхности опытного участка. Точность [змерения перепада давления составляла 10 Па.

Для определения счетной концентрации использован пьезоэлектрический датчик на основе цирконата - титаната свинца, который наполнялся в неподвижном варианте или подвижном - в виде зонда, исстреливаемого перпендикулярно двухфазному потоку пружиной.

Для доплеровских измерений использовалась оптическая схема с торным пучком и ячейкой Брэгга, сигнал обрабатывался следящей :истемой, выполненной В.И.Титковым. Параболический профиль ско->ости, замеренный лазерным анемометром, отличался от теоретиче-:кого не более, чем на 5%. Точность измерения скорости жидкости шутри упаковок была несколько ниже. Хотя потенциальная точность 1азерной анемометрии составляет доли процента, тем не менее в экс-гериментах удалось получить совпадение расходной скорости с изме->енной среднеинтегральной в пределах 7-10%.

Оптическая прозрачность слоя шариков и жидкости позволила наблюдать картину течения внутри слоя стеклянных шариков. Для зизуализации структуры течения лазерный луч разворачивался стеклянным стержнем в световой "нож". Плотность частиц не суще-:твсппо отличалась от плотности жидкости, поэтому внутри пористой :реды в стационарном случае траектории частиц соответствовали линиям тока жидкости. Так как показатели преломления жидкости и париков не отличались, то визуальные наблюдения за потоком можно зыло проводить в любой плоскости в глубине упаковки из стеклянных париков. На рис.3, 4 приведены характерные картины течения для чисел Рейнольдса 50 и 400 на расстоянии от стенки, примерно равном диаметру шарика. При аналогичных исследованиях на таблетках обнаружилось отличие формы вихрей, срывающихся с острых граней габлеток. Если в теневой области за гладкой шаровой поверхностью яри низких числах Рейнольдса возникали циркуляционные течения : траекториями жидких частиц близкими к окружностям, то внутри упаковки из таблеток, кроме циркуляционных течений в теневых

областях, за острыми гранями таблеток могли возникать вихревые образования типа "смерчей".

Для оптических измерений были получены несколько оптически плотных растворов йодидов кальция, натрия, калия, кадмия и цинка. Некоторые из этих растворов были экологически безопасны. Но растворяя практически безвредный йодид кальция в воде, нельзя получить показатель преломления раствора больше 1.55 для желтой линии натрия. Среди всех простых йодидов металлов йодид цинка имеет максимальную растворимость в воде - 81,2 процента при 18°С, и его раствор можно получить непосредственным синтезом из цинка и йода в водной среде. Насыщенный раствор йодида цинка представляет собой прозрачную жидкость с показателем преломления п=1,638 при 14°С. Зависимость показателя' преломления от плотности описывалась линейным уравнением п ~ 0.26. + 1.2, где знгдение плотности берется в системе СГС. Из приведенной зависимости можно сделать вывод, что рефракция раствора (г) йодида цинка, как в области насыщения, так и при малых плотностях отличается от простых эмпирических зависимостей для растворов, предложенных Гладстоном, Далем: п—1+г<1, так и от более сложных выражений Эйкмана и классической формулы Лорентц-Лоренца.

Во второй главе приведено исследование пристеночного давления и скорости внутри упакованных слоев. Переход давления от нелинейной зависимости к линейному распределению по длине приходился на диапазон чисел 11е от 100 до 300. Причем в отличие от шариков, на таблетках этот переход начинался с более низких эквивалентных чисел 11е. Далее приводится оценка коэффициентов гидравлического сопротивления исследуемых упаковок. Для оценки сопротивления использованы зависимости Аэрова, Тодеса и Боришанского. Из рис.5 можно заметить, что приведенные экспериментальные значения находятся достаточно близко к известным зависимостям.

На рис.7 приведены типичные профили скорости в кубических упаковках шариков. Из этих рисунков видно, что поток жидкости в куби-

ческой упаковке движется в виде ряда струек, разделенныхзастойны-ми зонами, образующимися в теневых областях за шариками. Сравнивая профили скорости для чисел Ие 22 и 500 в четырех сечениях упаковки, замечаем, что для числа Не=500 профиль скорости от сечения к сечению менялся незначительно, так что поля скоростей в узком и широком сечениях упаковки отличались только наличием областей, занятых возвратными течениями в широком сечении. Далее, усредняя все найденные значения модулей относительной поперечной компоненты скорости по 5 измерительным сечениям, расположенным на разных высотах шарика вдоль по потоку и по. б линиям измерения на каждой высоте, получим для всего диапазона чисел 11е от 22 до 500 среднее значение 0.039. Следует отметить, что зависимость среднего значения модуля поперечной компоненты относительной скорости от 11,е достаточно слабая. Так при увеличении числа 11е в 23 раза средние значения модуля относительной поперечной компоненты скорости уменьшаются от 0.047 до 0.033 - всего в 1.4 раза.

Картины течения жидкости в хаотичной упаковке шариков отличаются большим многообразием, по сравнению с кубической упаковкой. Если у стенки формируется главным образом кубическая укладка шариков, то вдали от стенки, по крайней мере на расстоянии нескольких диаметров шариков от нее, также возможно образование некоторых кластеров, содержащих преимущественно тот или иной вид упаковки. Средний профиль скорости в хаотичной упаковке шариков приведен на рис.8.

Как показали исследования низкочастотных неустойчивостей пульсаций давления при разных числах 11е на засыпках из шариков и таблеток их относительная амплитуды существенно падала с повышением числа Яе и с уменьшением размера элемента засыпки. Для исследования более полного набора возможных реализаций распределения давления вдоль упаковки были проведены специальные эксперименты, в которых при неизменном числе Ие изменялось число оборотов двигателя центробежного насоса, подающего жидкость в рабочий кон-

тур. При этом, пьезодатчик, установленный заподлицо со стенкой канала с упаковкой, фиксировал пульсации давления с частотой от 20 до 130 Гц, которая в точности разнялась лопастной частоте насоса. Для лопастной частоты был оценен диапазон чисел Ые, начиная с которого уровень турбулентных пульсации начинал превышать относительную амплитуду акустических пульсаций, соответствующих лопастной частоте. Для шариков 3 мм и 2 см эти числа Рейнольдса, найденные экспериментально, равнялись соответственно 200 и 3000, что достаточно близко к теоретической оценке. Таким образом, акустическое воздействие на упакованный слой, имеющий сложную систему взаимодействующих вихрей, приводило к изменению гидродинамической обстановки внутри засыпки. Особенно заметны особенности этого влияния при сравнении экспериментов по изменению распределения пристеночного давления при включенном и выключенном насосе, когда течение жидкости поддерживалось за счет напора жидкости из бака, стоящего на высоте 2.5 м от опытного участка с засыпкой. Влияние акустики на пристеночное давление позволяло ввести элементы управления на процессы пристеночного переноса в зернистом слое.

Спектр продольной составляющей скорости по оси центральной ячейки в широком сечении кубической упаковки, измеренный ЛДА, приведен на рис.6. На рис.6 обращает на себя внимание наличие дискретной составляющей на графике спектральной плотности при числе 11е=20. Для области вблизи нуля частот значения спектральной плотности для числа Яе=20 изменялось незначительно, но по мере увеличения частоты амплитудное значение спектральной плотности сначала уменьшалось на 15 Дб, а затем имелся некоторый пик, с максимальным значением вблизи числа Струхаля 3.5. Естественно предположить, что пространственная модуляция потока при прохождении максимального и минимального сечения правильной кубической упаковки приводила к соответствующему временному изменению волнового поля — кх). В этом случае на диаметре шарика поток дважды испытывал одинаковое воздействие, проходя через максимальные или

минимальные сечения между рядами упаковки. Сдвиг- характерного числа Струхаля в область более высоких частот по сравнению с обтеканием одиночного шарика связан, по всей видимости, с большей загроможденностью потока в засыпках и соответствующему уменьшению размеров вихрей, образующихся в теневой области за шариком. Для числа Пе=500 на графике наблюдался один основной пик с максимальным значением примерно при числе Струхаля 0.25 и два пика меньшей амплитуды примерно при числах Струхаля 2.4 и 3, т.е. вблизи того же. числа Струхаля 3.5, при котором наблюдалось максимальное значение спектральной плотности для числа 11е=20. Эта зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса говорит о гидродинамическом характере обнаруженной дискретности спектра.

В третьей главе приведены математические модели переноса в зернистом слое. Для построения модели переноса используется система уравнений, описывающих движение двух вихрей, возникающих в щели на плоской пластине, обтекаемой с двух сторон потоками с разными скоростями. Далее приводится расчет поперечного переноса в зернистом слое на модели переноса через систему двух вихрей, образующихся в щели. Находится средний коэффициент массопереноса:

от геометрии щели. Следовательно, в ламинарном режиме течения коэффициент переноса через два вихря приблизительно на полпорядка меньше, чем через слой смешения. Разберем аналогичную задачу для турбулентной области смешения. В этом случае учитываем зависимость вихревой вязкости от скорости в слоях смешения с потоком вне пластины. Слой смешения для вихрей примем ламинарным. Выпишем окончательно эффективный коэффициент поперечной дисперсии:

с -О щРг

(1)

Численное значение коэффициента А изменяется от 5.3 до 6 и зависит

0.18мгг

у/(1 .+ £Яе}/3)Яе1Рг + 71.7^1+ тДе|/3 15

В заключении отметим, что основная цель приведенной оценки выявить влияние циркуляционных течений на эффективный коэффициент поперечной дисперсии. За шариками в зернистых слоях образуются циркуляционные течения, имеющие вид, близкий к вихрям щели. Эти вихри до возникновения турбулентности приводят к увеличению поперечного переноса. Турбулизация слоя смешения двух вихрей приведет к усилению поперечного переноса и, следовательно, к более сильной зависимости коэффициента поперечной дисперсии от числа 11е, чем это следует из выражения (2). Оценим, как изменится коэффициент поперечной дисперсии при турбулизации слоя смешения двух вихрей. В этом случае расчет эффективного коэффициента поперечной диффузии приводит к зависимости:

. _ Щ(С, - Сг) 3 ~ I где Дф = 0.1 и^. (3)

Таким образом, приведенные оценки показывают, что конвективные потоки в крупномасштабных вихрях могут существенно влиять на поперечный перенос, приводя к увеличению эффективного коэффициента дисперсии.-

В четвертой главе приведено исследование гидродинамики в разрушаемых упаковках при растворении зернистого слоя в воде или под действием высокотемпературного газового потока на упаковки в охладителях. В качестве наполнителя растворимой упаковки использовались таблетки: валидола, гексолина. Распределения давления и скорости регистрировалось через 3, б и 10 минут. В покоящейся жидкости, как показали эксперименты подобные таблетки растворялись примерно за 30 минут. Давление было существенно неравномерно распределено как по длине, так и по сечению упаковки, в отличие от нерастворимой упаковки, где распределение пристеночного давления по длине было достаточно линейно, и в одном сечении отличалось большей равномерностью. В первых экспериментах по измерению давления в полностью растворимой засыпке обнаружился эффект за-

пирания пор упаковки материалом разрушенных, но неуспевших раствориться таблеток. Исследования формы таблеток в зависимости от времени растворения показали, что края таблеток округляются и сами они деформируются в элементы разного размера и конфигурации и через три, четыре минуты от начала эксперимента разрушенные, но не успевшие полностью раствориться первые слои таблеток внедрялись в поры последующих слоев, полностью перекрывая проходное сечение канала. Засыпка превращалась в сплошной липкий комок, прижатый потоком к ограничивающей решетке. Попадание жидкости внутрь комка исключалось и происходило лишь достаточно медленное растворение и размывание его поверхности. В виду крайней неравномерности распределения давления в полностью растворимой упаковке, была сделана попытка уменьшить эту неравномерность, за счет разбавления растворимой упаковки инертными, нерастворимыми таблетками размера, близкого к растворимым. Одну половину частично растворимой засыпки составляли нерастворимые пластмассовые таблетки (диаметр х толщина, 10x3 мм), а вторую - растворимые таблетки валидола, эквивалентный диаметр которых был примерно в 1.5 раза больше нерастворимых таблеток, и которые были равномерно перемешаны с нерастворимыми по всему объему горизонтального опытного участка, имеющего длину 20 см и диаметр 5 см. Распределение перепада давления по длине упаковки, состоящей из смеси растворимых и нерастворимых таблеток, в зависимости от времени изменялось достаточно плавно. Можно сказать, что разбавление растворимых таблеток нерастворимыми, как бы увеличивало время растворения, но с другой стороны, в упаковках с полностью растворимыми таблетками образовывались крупные конгломераты, разрушение и растворение которых происходило еще более медленней, чем с инертным наполнителем. Другими словами, добавление в растворимые упаковки таблеток нерастворимых элементов, близких к размеру растворимых таблеток, позволяло, если не устранить, то существенно уменьшить комкообразование, сохраняя и обеспечивая внутри упаков-

ки множество связанных каналов, которые и обуславливают повышенные коэффициенты дисперсии в зернистых средах.

Для тепловых измерений в охладителях был использован метод "тонкой стенки". Только применительно к двухфазному потоку активная поверхность датчика потока энтальпии перегораживалась медной проволочной сеткой с шагом 1 мм и диаметром проволочек 0.2 мм. Сетка устанавливалась наклонно и служила для задержки частиц твердой фазы. Температура потока на входе и выходе из датчика измерялась двумя вольфрам-рениевыми термопарами, включенными дифференциально. Температура самого датчика контролировалась хромель-алюмелевой термопарой. Тарировочные эксперименты датчика энтальпии проводились в пламени гексановой горелки при температуре 1200 К. Измеренные с помощью датчика теплоемкости газового факела с точностък>,15 процентов совпали с известнь.ми литературными данными. Теоретическая оценка всех неточностей нестационарного метода измерения потока энтальпии находилась в пределах 30 процентов; Эквивалентное число Рейнольдса, оцененное по условиям на входе в охладитель составляло ~1000. Эксперименты по измерению потока энтальпии в двухфазных потоках на газогенераторах и охладителях в диапазоне температур от 200 градусов до 1500 градусов Цельсия показали, что температура газа после охладителя уменьшалась с 1500 К до 600 К, а максимальная плотность.теплового потока после охладителя уменьшалась почти в 5 раз. Из сравнения экспериментальных зависимостей потоков энтальпии, полученные датчиком энтальпии с сеткой и без сетки, обнаружено наличие в продуктах реакции после охладителя значительное количество непрореагировавшего вещества, которое, задерживаясь на сетке, уменьшало измеряемый тепловой поток. Следовательно, упаковка охладителя не полностью участвовала в эндотермической реакции, некоторая часть ее могла выноситься из зоны реакции на стенки канала, где полнота и скорость реакции разложения охладителя существенно занижены.

В пятой главе приведены исследования трех разных типов газоге-

нераторов, разработанных для получения водорода. Первый тип: генератор для дозированного смешения порошка и жидкости в разных пропорциях при лабораторной отработки новых составов, например, гидрида лития и воды. Газогенераторы второго типа были разработаны применительно к получению больших объемов водорода и смешение происходило в автоколебательном режиме за счет частичного использования энергии газообразного продукта. И в последнем типе газогенераторов реагирующие химические компоненты помещались в шаровые капсулы, размещаемые в виде правильных упаковок. Вид правильной упаковки определялся стехиометрией химической реакции реагентов. Для первого типа было опробовано два варианта конструкции и выбрана оптимальная модель, для второго типа были проведены лабораторные испытания. Представлены экспериментальные данные в виде зависимости давления в камере смешения от времени из которых видно, что приведенная конструкция газогенератора работала в автоколебательном режиме с дозированной подачей газа в широком диапазоне процентных соотношений смешиваемых твердого и жидкого реагентов. В последнем типе газогенераторов каждая капсула с одним из реагентов окружалась таким количеством другого реагента, размещенного в порах или заключенного в другие капсулы, которое ближе всего соответствовало стехиометрической пропорции. Для компонентов, реагирующих очень бурно, с разлетом и разбрызгиванием не успевшего вступить в реакцию реагента, добиться оптимального смешения с помощью обычного впрыска достаточно проблематично.

Шестая глава посвящена ресурсосберегающим технологиям в большой энергетике и связана с исследованием шлакования и сжигания угольной пыли. На рис.9 приведены экспериментальные зависимости температур воспламенения от частоты пульсации расхода топлива для трех углей: Кузнецкого (фракции 63-100 мкм, при избытке воздуха 1.2), Экибастузкого (фракции 100-160 мкм, при избытке воздуха 2.4) и Березовского (пыль, фракция 90 мкм меньше 15 процентов,

при недостатке воздуха 0.5). На всех графиках видно, что температура воспламенения имеет минимальное значение при определенных частотах пульсации, определяемых размером частиц и сортом топлива. Поэтому для сокращения периода воспламенения крупных фракций (больше 100 мкм) полидисперсной угольной пыли, концентрацию угольной пыли в аэросмеси необходимо периодически менять в интервале от 0,5 до 2 кг на 1 кг воздуха с частотой 3-20 Гц. Полученное уменьшение температуры воспламенения угольной пыли при ее пульсирующем расходе на 50-100 градусов связано, по всей видимости, с большим количеством активных радикалов, образующихся при пульсирующей подаче угольной пыли в зону горения в режиме недостатка окислителя. Выявлены оптимальные частоты пульсации первичного воздуха с пылью Кузнецкого, Карагандинского, Березовского, Бикин-ского и Итатского углей.

Для топки с форсированным кипящим слоем были разработаны и опробованы методики измерения скорости и счетной концентрации пыли пьезодатчиком в области нулевых и малых скоростей потока. В области больших скоростей полученные значения счетной концентрации удовлетворительно совпали с измерениями расходной концентрации изокинетическим методом. Измерения на разных высотах в модели топки обнаружили необнородность профилей концентрации и скорости по сечению канала, обусловленную эффектом Коанда. Эта неоднородность устранялась повышенным содержанием пыли на опасных участках раскрытия струи.

Для исследования низкотемпературного шлакования поверхностей использовались Экибастузкий, Карагандинский и Кузнецкий угли фра ции 65 - 100 мкм и Березовская угольная пыль (фракция 90 мкм составляла меньше 15 процентов). Шлакование плавно увеличивалось с ростом температуры. Большие размеры частиц шлака (рис.10) подтверждают высказанное предположение о преимущественном низкотемпературном шлаковании крупными частицами. Таким образом, выявлено, что низкотемпературное шлакование связано с пластиче-

ским состоянием основной угольной массы и происходит при температурах ниже температуры плавления золы. При этом обнаруженная рыхлая структура первичного шлака позволила наметить ряд перспективных разработок для борьбы с подобными загрязнениями.

Используя явление резонанса можно существенно повысить эффективность вибрационного очистки поверхности нагрева. Для этого достаточно возбуждать вибрацию поверхности нагрева в резонансных точках. Для практики иногда требуется получить значительные амплитуды вибрации. Например, при вибрациях нефтяных скважин, с целью очистки скважины и призабойной зоны от парафинов и асфаль-тенов, или при кратковременной вибрации поверхности нагрева для сброса закоксовавшегося шлака. Мощное вибрационное возбуждение можно осуществить воздушными пробками в жидкости, иными словами, снарядным режимом течения жидкости. Другое направление повышения эффективности очистки загрязняющихся поверхностей, связано с одновременным тепловым и вибрационным воздействием на них. Эффективность вибрационного воздействия на пористую среду существенно возрастает при одновременном импульсном воздействии тепловыми ударами, например, с помощью паровой струи. Тепловая неоднородность или тепловые удары на стенке трубы способствуют растрескиванию и разрушению отложений. Так, давление в импульсе при схлопывании паровых пузырей может достигать десятков атмосфер, что приводит к гидравлическим ударам даже в покоящейся жидкости. Аналогичные решения могут быть использованы для повышения нефтедобычи. . , .

В заключении кратко сформулированы результаты работы.

Основные результаты представленной работы состоят в следующем.

1. Разработан широкий класс измерительных методик для исследования двухфазных потоков в ресурсосберегающих технологиях. В частности, впервые разработаны методики определения скорости и пористости а упаковках без нарушения структуры зернистого слоя

с помощью лазерного доплеровского анемометра при использовании жидкости с показателем преломления, равным показателю преломления зернистой среды. Кроме того разработана методика измерения локального гидравлического сопротивления внутри зернистого слоя.

При использовании этих измерительных методик было установлено, что при низких числах Яе зернистая среда работала в режиме, практически, независимых параллельных каналов, разделяемых циркуляционными течениями с крупными вихревыми структурами. Основной поток жидкости шел по каналам с наибольшим "живым" сечением. При повышении числа Ее происходило перераспределение потока по сечению упаковки так, что при числах Рейнольдса больше 500 поток двигался от слоя к слою по всему сечению засыпки, независимо от проходного сечения каналов. Иными словами, режимы течения жидкости по всем каналам становились близки.

Впервые получены подробные экспериментальные данные о влиянии низкочастотных акустических пульсаций (частотой меньше 100 Гц) на распределение пристеночного давления в засыпках разной геометрии для чисел Ее меньше 1000, при которых амплитуды акустических пульсаций давления меньше амплитуды турбулентных пульсаций. Эти данные позволили обосновать метод управления распределением пристеночного давления, с помощью которого удалось изменять длину участка с нелинейным изменением давления по длине засыпки.

Предложенные физические модели расчета массообмена в зернистом слое, основанные на переносе через два вихря, удовлетворительно совпали с экспериментальными данными. При этом, выявлен вклад в коэффициент дисперсии пульсационной составляющей скорости, достигающий 30 процентов при числе 11е=62, полученный из сравнения поперечного коэффициента дисперсии с прямыми измерениями лазерным анемометром среднего значения поперечной компоненты скорости.

Для ресурсосбережения техническим результатом исследования гидродинамики в зернистых слоях является возможность конструиро-

вания аппаратов химических производств или аппаратов на шаровых тепловыделяющих элементах с равномерным распределением коэффициентов переноса по объему зернистого слоя, что позволяет уменьшить объем подобных аппаратов, увеличить их срок службы, за счет лучшего выполнения условия равнодоступности объемов, участвующих в тепломассообменных процессах. Это позволило предложить и осуществить ряд способов интенсификации процессов переноса и ресурсосбережения химических реагентов при фильтрации.

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

3. Предложено новое направление в конструктивном развитии аппаратов на гибридном топливе и охладителей, в которых химические реагенты заключены в упаковки. Вид и структура зернистого слоя в этих аппаратах определялась условиями стехиометрии xu.hu-ческой реакции гибридного топлива или полнотой разложения материала охладителя.

Выявлена 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 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 и скорость протекания химической реакции и устраняющей преждевременный вынос реагентов из упаковки. - •

4. Обнаружено, что пульсации первичного воздуха в топках па-

рогенераторов позволяют управлять стадийностью химической реакции, уменьшая температуру воспламенения исследуемой угольной пыли на 50-100 градусов.

Выявлены оптимальные частоты пульсаций первичного воздуха с пылью Кузнецкого, Карагандинского, Березовского, Бакинского и Итатского углей, связанные с температурой воспламенения топливной смеси и временем ее прогрева. Разработаны и проверены на полупромышленной установке конкретные устройства пульсаций первичного и вторичного воздуха, основанные на управлении, как среднерасход-ными характеристиками потока и температуры, так и на изменении пульсаций и профиля скорости первичного и вторичного воздушных потоков.

5. С помощью разработанных методик измерения скорости и счетной концентрации запыленного потока 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.

6. Выяснено, что частицы шлака в процессе низкотемпературного шлакования можно отнести к системам с переменной пористостью. При выходе летучих основную роль в низкотемпературном шлаковании играет диффузия смолистых веществ из центра к поверхности частицы, и на начальном этапе шлак на поверхности нагрева имеет пористую структуру, упрочняющуюся с течением времени.

Выявлены температурные интервалы наиболее активного шлакования для Кузнецкого, Березовского, Экибастузкого, Карагандинского углей. При этом обнаруженная рыхлая структура первичного шлака позволила наметить ряд перспективных разработок, основанных на вибрационных и тепловых методах воздействия на поверхности, загрязненные как шлаковыми, так и нефтяными отложениями.

В частности, предложены методы интенсификации нефтедобычи, основанные на возбуждении вибрационных, тепловых и ударных волн

внутри нефтяного пласта, методы управления и интенсификации процессами обмена в зернистых средах химических реакторов, методы борьбы со шлакованием, которые основаны как на использовании собственных частот упругих колебаний поверхностей нагрева, так и на резонансном возбуждении пульсаций давления и скорости в потоках, омывающих эти поверхности.

Основные публикации автора, наиболее полно передающие концепцию и результаты представленной диссертации, перечислены ниже.

Основные публикации

[1] Волков В.И., Мухин В.А., Накоряков В.Е. Исследование структуры течения в пористой среде. ЖПХ,1981,том 34, N4,c.838-842.

[2] Волков В.И., Колмогоров А.И., Кисляк С.М. Прибор для определения параметров двухфазного потока. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1998, том 64, N 2, с.39-40.

[3] Волков В. И. Изобретательские задачи в процессах переноса. Барнаул. :Изд. ЛГУ, 1997, -150 с.

[4] Волков В.И., Волков М.Ю., Кисляк С.М. Измеритель скорости запыленного потока. Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1997, том 4, с.10-12.

[5] Волков В.И., Волков М.Ю., Максимова С.Н. Устройство для измерения концентрации твердой фазы двухфазного потока. Пат.2059223, 1996, бюлл.12.

[6] Волков В.И., Колмогоров А.И., Соболев М.А. Устройство для определения характеристик двухфазного потока. Пат.2059222, 1996, бюлл.12.

[7] Волков В.И., Колмогоров А.И. Калибратор скорости частиц. Пат. 2082175, 1997, бюлл.17.

[8] Волков В.И., Колмогоров А.И., Кисляк С.М. Определение параметров твердой фазы. Сб. трудов Всероссийской научно-

технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1998, том 1, с.66-69. .

[9] Волков В.И., Волков М.Ю., Славская Е.Г. Ротаметр. А.С.1682793, 1991, бюлл.37.

[10] Волков В.И., Волков М.Ю., Губенко С.М., Утемесов М.А. Электромагнитный объемный насос. А.С.1536035, 1990, бюлл.2.

[11] Волков В.И., Волков М.Ю. Электромагнитные преобразователи линейных перемещений. Сб. тезисов докладов Региональной научно-технической конференции: Порошковые материалы и покрытия. Изд. АГУ, Барнаул, 1990, с.104-106.

[12] Волков В.И. Расходомер. Пат. 2104496, 1998, бюлл.4.

[13] Волков В. И. Изотермическое течение жидкости в упаковке их сфер. ИФЖ, 1985, т.ХЫХ, N5 с.827-833.

[14] Волков В.И., Мухин В.А., Титков В.И. Измерение пористости хаотичной упаковки с помощью ЛДИС. Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1998, том 1, с.69-71.

[15] Волков В.И., Мухин В.А. Жидкость для оптических исследований. А.С.948994, 1982, бюлл.29.

[16] Анисимов К.Г., Анисимова Е.А., Волков В.И. Экспериментальное исследование показателя и характеристики переноса тяжелых жидкостей. Известия АГУ, N 1, 1997, с.58-59.

[17] Волков В.И., Анисимов К.Г., Перов Э.И. Исследование гидролиза высокопреломляющих сред. Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы

, б физике структурно-неоднородных сред. Изд. ЛГУ, Барнаул, 1998, том 1, с.71-74.

[18] Волков В.И., Волков М.Ю., и др. Иммерсионная жидкость. Пат. 2051940, 1996, бюлл.1.

[19] Анисимов К.Г., Волков В.И. Экспериментальное исследование пристеночного перепада давления при переходе к турбулентности. Сб. трудов V Международного семинара: Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей, часть I, 1998, с. 11-15.

[20] Волков В.И., Волков М.Ю. Исследование перепада давления в зернистом слое. ЖПХ. Деп. N5651-1988, 1988 .

[21] Анисимов К.Г., Волков В.И. Экспериментальное исследование перепада давления для системы связанных вихрей в зернистых средах. Известия АГУ, N 1, 1998, с.65- 67.

[22| Волков В. И. Исследование гидродинамики и процессов переноса в пористых средах: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1982. -21 с.

[23] Волков В.И., Мухин В.А., Накоряков В.Е, и др. Исследование гидродинамики пристенного слоя на модели кубической упаковки.. ПМТФ, 1980, N6, с.58 - 64.

[24] Волков В.И., Накоряков В.Е., Мухин В.А. Исследование поля скоростей в кубической упаковке с помощью лазерного до-плеровского анемометра. -В сб.тезисов докладов 2-го Всесоюзного семинара "Теплофизика гидроохлаждаемых реакторов." МВТУ им. Баумана и ин-т Атомной энергии им. Курчатова. Москва, 1980, с.7.

[25] Волков В. И. Исследование гидродинамики в пористой среде с помощью ЛДИС. -В сб.: Физическая гидродинамика и тепловые процессы. Новосибирск, 1980, с.5-9.

[26] Волков В.И., Накоряков В.Е., Мухин В.А. Исследование гидродинамики на модели пористого пласта с помощью лазерной анемометрии. -В сб.тезисов докладов 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики". ЛГУ. Ленинград 1981, с.И.

[27] Волков В.И., Накоряков В.Е. Экспериментальное исследование поля скоростей в неподвижном зернистом слое. -В сб. трудов: Процессы переноса в аппаратах энергохимических производств. Институт Теплофизики, Новосибирск, 1985, с.15-23.

[28] Волков В.И., Мухин В.А., Титков В.И., Томсонс Я.Я. Исследование поля скоростей в пористой среде с помощью ЛДИС. Автометрия, 1982, N3, с.82-86.

[29] Волков В.И., Мухин В.А. Исследование структуры течения в пористой среде с помощью лазерной анемометрии. -В сб.: Аннотация докладов V Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. Алма-Ата, 1981, с.96.

[30] Волков В.И., Мухин В.А., Титков В.И. Неустойчивость течения жидкости в засыпках. Сб. трудов V Международного семинара: Устойчивость гомогенных и гетерогенных жидкостей, часть I, 1998, с.43-49.

[31] Волков В.И., Волков М.Ю. Способ управления тепломассооб-менным аппаратом. A.C. 1286265, 1987, бюлл.4.

[32] Волков В.И., Волков М.Ю. Способ управления тепломассооб-менным аппаратом. A.C.1567261, 1990, бюлл.20.

[33] Волков В.И., Сеначин П.К., Утемесов М.А., Потапов М.Г., Лушев В.П., Хрусталев Ю.В. Исследование теплофизиче-ских параметров двухфазного потока методом тонкой стенки. Сб.трудов Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", Изд. ОГУ, Одесса, 1986, т.2, с.23.

[34] Voîkov V.I, Pressure, drop distribution and redistribution in packed columns. Workshop, Transport phenomena in twophase ilow.1997. c.37. ■ . :.....

[35] Волков В.И., Хрусталев Ю.В. Исследование теплового потока в разрушающихся упаковках. Теплофизика и аэромеханика. 1998, том 5, N 1, с.125-128.

[36] Волков М.Ю., Сакович Г.Г., Волков В.И., Шандаков В.А. Генератор газа. А.С.1517997, 1989, бюлл.40. '

[37] Волков В.И, Волков М.Ю., Шандаков В.А. Генератор газа. А.С.304337, 1989, бюлл.Т.

[38] Волков В.И., Волков М.Ю., Губенко С.М., Утемесов М.А. Генератор газа. А.С.1498548, 1989, бюлл.29.

[39] Волков В.И., Волков М.Ю. Устройство для получения газа. А.С.1637865, 1991, бюлл.12.

[40] Волков В.И., Волков М.Ю., Утемесов М.А., Бобырь П.Н. Устройство для получения газа. А.С.1538051, 1990, бюлл.З.

[41] Волков В.И., Волков М.Ю., Утемесов М.А., Шандаков В.А., Сакович Г.Г. Газогенератор газа. А.С.1524912, 1989, бшлл.44.

[42] Волков В.И., Волков М.Ю. Газогенератор. А.С.1674975, 1991, бюлл.ЗЗ.

[43] Волков В.И., Виноградский В.В., Потапов М.Г., Лушев В.П., Хрусталев Ю.В., Кисляк С.М. Устройство для измерения массы. А.С.1352232, 1987, бюлл.42.

[44] Волков В.И. Упругий элемент. А.С.1435861, 1988, бюлл.4.

[45] Волков М.Ю., Волков В.И., Шечков Г.Т. Применение микро-капсулирование в химических генераторах газа. Сб. трудов

Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1997, том 4, с.12-14.

[46] Сеначин П.К.,Волков В.И., Утемесов М.А. Влияние пульсаций воздуха на горение пыли натурального твердого топлива. Тезисы докладов II всесоюзного научно-технического семинара "Сжигание топлив с минимальными вредными выбросами". Таллин, 1978, с.42.

[47] Волков В.И., Сеначин П. К. Управление процессами зажигания и горения пылевидного твердого топлива в парогенераторах. Отчет по научно - исследовательской работе. АГУ, N 77076475, ИНВ.Б680292, 1978, 76 с.

[48] Мальцев A.A., Бажов В.И., Павлов В.В., Пилягин В.Ф., Лити-нецкий В.Я., Шингилъ И.А., Волков В.И., Сеначин U.K., Утемесов М.А. Способ сжигания твердого топлива. A.C. 868256, 30.09. 1981, бюлл. 36.

[49] Волков В.И., Накоряков В.Е. Способ термического воздействия на нефтяной пласт. А.С.928858, 1982, бюлл.18.

[50] Волков В.И. Топливная форсунка. А.С.2075347, 1997, бюлл.8.

[51] Мальцев A.A., Бажов В.И., Павлов Н.В., Пилягин В.Ф., Лити-нецкий В.Я., Шингилъ И.А., Гордеев В.Г., Сеначин П.К., Волков В.И., Утемесов М.А. Устройство для сжиганий топлива. А.С.857642, 1981, бюлл.31.

[52] Волков В.И., Волков М.Ю. Пульсатор потока тепломассообмен-ного аппарата. A.C. 1182249, 1985, бюлл. 36.

[53] Волков В.И., Волков М.Ю., Губенко С.М., Утемесов М.А. Теплообменник с регулируемым теплосъемом. А.С.1483234, 1989, бюлл.20.

[54] Волков В.И., Бобыръ П.Н., Кисляк С.М., Потапов М.Г., Лушев В.П. Хрусталев Ю.В. Коллектор теплообменника. А.С.1276901, 1986, бюлл.46.

[55] Волков В.И., Волков М.Ю., Кисляк С.М. Исследование аэродинамики в кипящем слое. Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1997, том 4, с.8-10.

[56] Волков В.И., Кисляк С.М. Моделирование аэродинамики топочных устройств с развитой внутритопочной циркуляцией частиц. Известия АГУ, 1997, N 1, с.44-46.

[57] Волков В.И., Кисляк С.М., Колмогоров А.И. Экспериментальное исследование двухфазного потока в циркулирующем кипящем слое. Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1997, том 4, с.5-7.

[58] Волков В.И., Рунг В.Ю. Управление теплообменом в кипящем зернистом слое. Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции: Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред. Изд. АГУ, Барнаул, 1997, том 4, с.58-60.

[59] Бухман C.B., Волков В.И., Сеначин П.К. Исследование возможности шлакования поверхностей в камере сгорания при низких температурах. -Отчет по научно - исследовательской работе. АГУ, N 75034409, инв.Б616172, 1977, 45 с.

[60] Гординов H.A., Волков В.И. Складной стержень. А.С.616438. 1978, бюлл.23.

[61] Волков В.И. Способ очистки поверхности нагрева. А.С.634080 1978, бюлл.43.

[62] Волков В.И., Сеначин П. К. Устройство для сброса шлаковых отложений с поверхности нагрева. А.С.642599, 1979, бюлл.2.

[63] Волков В.И., Сеначин П.К. Способ удаления шлака с поверхности нагрева. А.С.652430, 1979, бюлл.10.

[64] Волков В. И. Устройство для вибрационной очистки труб котло-агрегатов. А.С.798473, 1981, бюлл.З.

[65] Волков В. И. Устройство для воздействия на нефтяной пласт. А.С.733333, 1980, бюлл.9.

[66] Волков В.И. Способ обработки нефтяного пласта. А.С.753188, 1980, бюлл.З.

[67] Волков В.И., Накоряков В.Е., Шрейбер И. Р., Мукук К.В. Устройство для воздействие на нефтяной пласт. А.С.972891, 1982, бюлл.20.

[68] Волков В.И., Накоряков В.Е. Способ и устройство для обработки нефтяных скважин. А.С.927983, 1982, бюлл.18.

[69] Волков В.И., Накоряков В.Е. Способ термического воздействия на нефтяной пласт. А.С.928858, 1982, бюлл.Т.

[70] Балаклеевский В.И., Волков В.И., Накоряков В.Е., Шрейбер И.Р. Способ обработки нефтяной скважины. А.С.979261, 1983, бюлл.17.

[71] Волков В.И., Накоряков В.Е., Шрейбер И.Р. Способ очистки внутренней поверхности трубопровода. А.С.918773, 1982, бюлл.13.

[72] Волков В.И., Накоряков В.Е., Шрейбер И.Р., Мукук К.В., Кузнецов В.В. Устройство для вибрационной очистки труб. А.С.926509, 1982, бюлл.17.

Рис.1 Элементы упаковок. Опытный участок

для исследования давления.

Рис.3 Рис.4

Картины течения в хаотичной упаковке из шариков при разных числах Ке. Яе=50. Ке=400.

2-1

Г а

1.086

4 -

2-

0.1/

Г I I I

6

Г~

100

I I I

ГЦ' 81000

Яе.

Рис.5 Коэффициент гидравлического сопротивления, рассчитанный по перепаду пристеночного давления. 1,3- кривые, построенные по зависимостям Аэрова, Тодеса для низких и высоких чисел Ие. 2 -экспериментальная кривая, 4 - кривая для формулы Боришанского (шарики 3.1 мм).

0.1

1.0

га/и

Рис.6

Спектр пульсаций скорости, нормированный на максимальное значение спектральной плотности, замеренный ЛДА по оси центральной ячейки широкого сечения кубической упаковки 3x3 шарика. 1 - Яе=20 (и= 1.3 см/с), 2- Яе=500 (и= 18см/с), 3 и 4 - зависимости от частоты в степенях -5/3 и -2.

Распределение продольной скорости, отнесенной к расходной, в зависимости от поперечной координаты, отнесенной к диаметру шарика. Измерения в широком сечении после 10 слоя кубической упаковки шариков, а и б -линия изеренвя на расстоянии 18.3 мм от правой стенки участков 3x3 и 3x6 шариков в сечении, в и г - линия измерения в том же сечении на расстоянии 36.6 мм от правой стенки.

а1, в1 и 61, г1- замеры скорости по тем же линиям измерения без шариков в диапазонах чисел 11е от 60 до 700 (3x3 шариков в сечении) и от 30 до 360 (3x6 шариков в сечени). 1,2,3,4, 5 (для а, в) - Яе=22, 60,110,260,500. 1,2, 3,4, 5 (для б, г) -1^=30, 80,130,200, 360.

Профили скорости для хаотичной упаковки в зависимости от поперечной координаты, отнесенной к диаметру шарика. А, Б и В-перед, внутри и за упаковкой. 1-Яе=13,2-Яе=54,3-11е=100, 4-квадрат отношения линейного просвета к диаметру шарика (8).

1200 Т,К

1100

1000

900

800

-

-

1- ^ - 2- А 3- •

0

10

1ГЦ

Рис.9

Темепература воспламенения в зависимости от частоты пульсаций расхода топлива. 1, 2 и 3 - кузнецкий, экибастузкий и березовский углк

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 <

Рис.10

Шлакование углей с недостатком окислителя. 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.

Подписано в печать 3.08.98

Формат 60х90/1(

Печать офсетная

Печатных листов 2__Уч.-изд. листов 2_

Тираж 100 ___ Заказ

Издательство Алтайского государственного университета 656099, Барнаул, Димитрова, 66.

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Волков, Валерий Иванович, Барнаул



. 'j jr..........;

- ' "7 " V / ■< ' У ¿¿'%

, * Алтайский государственный университет

Г) ^ % л /Д^ На правах рукописи

' ' л .

, ' ' БоЛкоВ^Ш^терий-Жййфич

' "^ V : . ; РОССИИ

Исследование аппаратов двухфазных

потоков

в ресурсосберегающих технологиях

Специальности: 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты - академик Накоряков В.Е., доктор физико - математических наук, профессор Сагалаков A.M.

Барнаул - 1998

Оглавление

Введение 4

Некоторые исследования по гидродинамики и процессам

переноса 7

1 Аппаратура для исследования двухфазных потоков 18

1.1 Установки для гидродинамических исследований .... 18

1.2 Измерительные схемы ..........................22

1.2.1 Контактные методы измерения скорости и концентрации ..............................................22

1.2.2 Оптические методы исследования..................33

1.3 Физико-химический анализ иммерсионных жидкостей . 44

2 Исследования гидродинамики в стационарных упаковках 64

2.1 Распределение давления в упаковках................64

2.2 Лазерная анемометрия структуры течения..............70

2.2.1 Измерения в кубической упаковке .............70

2.2.2 Поле скоростей в хаотичной упаковке............76

2.3 Неустойчивость течения жидкости в засыпках..........79

2.3.1 Нестационарность пристеночного давления ... 80

2.3.2 Нестационарность при измерениях скорости жидкости ..................................................86

2.3.3 Свободноконвективная неустойчивость в засыпках 91

2.4 Гидродинамическая обстановка в стационарных упаковках ...............................

3 Математические модели фильтрации и переноса 134

3.1 Некоторые модели течения..................................135

3.2 Расчет модели переноса......................................139

3.3 . Сравнение теоретических и экспериментальных иссле-

дований ........................................................149

4 Исследование разрушающихся упаковок 156

4.1 Исследование распределения давления и скорости . . . 157

4.1.1 Измерение давления.........................158

4.1.2 Измерения скорости за упаковкой..................161

4.2 Тепловые исследования разрушаемых упаковок..........165

5 Газогенераторы 180

5.1 Газогенераторы с магнитной подачей..............183

5.2 Газогенерирование больших объемов......................187

6 Рациональное использование природного топлива 200

6.1 Сжигание угольной пыли....................................200

6.2 Исследование топок с кипящим слоем....................208

6.3 Исследование процессов шлакования и методы воздействия на пористую среду....................................215

Заключение 236

Примечание 248

Литература 249

Введение

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 то-

пливе 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, 10000, 27000 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 профи-

ля 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 по-

ристостью, 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 х 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 ин-

терес 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 бы