Научен ръководител: проф дтн Серафим Влаев



страница1/3
Дата06.02.2017
Размер469.74 Kb.
#14358
  1   2   3

Б Ъ Л Г А Р С К А А К А Д Е М И Я Н А Н А У К И Т Е ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНА ХИМИЯ

Добрин Петров Георгиев

Числено изследване на енергоспестяващи разбъркващи устройства




А В Т О Р Е Ф Е Р А Т на дисертация за присъждане на образователна и научна степен „ДОКТОР” по научна специалност „Процеси и апарати в химичната и биохимичната технологии“, шифър 02.10.09


Научен ръководител: проф. дтн Серафим Влаев




София, 2011г.

Дисертационният труд е написан на 141 печатни страници и съдържа 80 фигури и 11 таблици. Цитирани са 130 литературни източника.

Дисертационният труд е обсъден на заседание от Колоквиума по Инженерна химия състояло се на 31.11.2011г. и предложен за защита пред Научно жури от Научния съвет на Института по електрохимия и енергийни системи при Българска академия на науките.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на ……………………….. г. от ………………ч. в залата на Института по Инженерна химия към Българска Академия на науките на открито заседание пред Научно жури в следния състав:

проф. дн Венко Бешков (ИИХ, БАН)…………….. - рецензент;

проф. дн Петър Станков (ТУ)…………….. - рецензент;

проф. дн Андрей Минчев… ( prof. emeritus).

проф. дн Румен Даракчиев …(prof. emeritus)……………..

проф. дн Серафим Влаев ……(ИИХ-БАН)……………..

проф. дтн Венко Бешков ………..- Председател на Научното жури.

Авторът изказва своята сърдечна благодарност на научния си ръководител проф. дтн Серафим Влаев и на ръководството на Национален военен университет „Васил Левски“.


Материалите по защитата са публикувани на интернет страницата на ИИХ-БАН: http://www.iche.bas.bg/

С Ъ Д Ъ Р Ж А Н И Е
Използвани означения …………………………………………………………..……...…...4

Въведение …………………………………………………………..………………………..5



  1. Литературен обзор и изводи….……………………………………...………………...…7

  2. Цели и задачи на дисертационния труд………...………………………..……….....…..9

  3. Използвани методи...……………………………….………………………….……...…10

  4. Основни резултати………………………………….…………………..………….……15

4.1. Прави лопатки……………………………………..………………………...............15

4.2. Наклонени лопатки………………………………………………..…….…………..27

4.2.1. Конструкции с две лопатки…………………………………………………..27

4.2.2. Конструкции с четири лопатки……………………………......…...………..32



  1. Заключение и изводи…...…………………………………………………………..……36

Списък на публикациите на докторанта……………………………………..…................39

ИЗПОЛЗВАНИ ОЗНАЧЕНИЯ



означение

физичен смисъл

SI

A

Повърхност

m2

Cp

коефициент на налягането




D

диаметър на разбъркващото устройство

m

ev

специфична мощност

W.dm-3

F

Сила

N

Fl

циркулационен коефициент




H

височина на слой течност

m

k

турбулентна кинетична енергия

m2.s-2

KL

коефициент на масопренос

m.s-1

N

ъглова скорост

s-1

Nb

брой лопатки




P0

критерий на мощност




p

статично налягане

Pa

Q

обемна скорост

m3.s-1

Т

диаметър на съда

m

Tq

момент на сила

N.m

t

Време

s

U

линейна скорост

m.s-1

ui

линейна скорост по компонента i

m.s-1



привидни турбулентни напрежения на деформация

N

V

Обем

m3

Re

критерий на Рейнлодс




ε

скорост на дисипация на турбулентната кинетична енергия

m2.s-3



скорост на тангенциална деформация

s-1

μ

динамичен вискозитет

Pa.s

μt

турбулентен привиден вискозитет

Pa.s

θ

време на хомогенизация

s

ρ

Плътност

kg.m3

CFD

изчислителна хидродинамика




MRF

модел на мулти-референтните рамки




RANS

усреднени Рейнолдсови уравнения на Навие - Стокс





ВЪВЕДЕНИЕ

Използването на съдове с разбъркване е широко застъпено в редица отрасли на химичната и биохимичната технологии. За да се анализира спецификата на процеса разбъркване в етапите на проектиране, контрол и оптимизация е нужно неговото детайлно познаване. От друга страна, поради сложният му характер е необходимо използването на гъвкави и прецизни методи за охарактеризирането му.

Разбъркването може да се дефинира като процес на редуциране на нехомогенността, с цел постигане на даден технологичен резултат. Нехомогенността може да бъде по отношение на концентрацията, фазовото разпределение или температурата. Ефекта от хомогенизирането обикновено дава отклик върху масообмена, химичната реакция или свойствата на разбъркваната система.

Лошото разбъркване често означава недостатъчна продукция, лошо качество или свойства на крайния продукт, излишно оскъпяване и дори неконкурентна способност при пазарни условия. Разходите при разрешаването на тези проблеми са неимоверно по-големи в сравнение с разходите за подобряване показателите на разбъркването. Например през 1998 загубите в резултат на лошо разбъркване само за химическата промишленост в САЩ възлизат между 1-10 билиона долара. Загубите като количество продукция в резултата на лошо разбъркване обикновено са около 5%. Подобно е положението и във фармацевтичната и целулозно-хартиената промишлености. За да се избегне това, трябва да се вземат под внимание редица фактори, като особености на процеса, физични свойства на разбъркваните среди, хидродинамични ефекти, стабилност на продуктите и не на последно място спецификата във формата на лопатките на разбъркващите устройства. Последната е основна предпоставка за ефективността на разбъркването в химичните реактори и като такава е важен обект за оптимизация.

На фона на последните тенденции по отношение на лимитирането на парниковите газове (GHG) и зачестилите напоследък, дебати във връзка с климатичните изменения, добрият дизайн на разбъркващите устройства е изключително важен фактор, влияещ върху техния потенциал да пестят енергия. От друга страна развитието на технологиите направи възможно изработването на устройства с все по сложен вид и отпадането на ограниченията във формата.

Формата на лопатките на разбъркващите устройства е обект на многобройни изследвания, някои от тях съвсем съвременни. Въпреки това, систематично описание на връзката между геометрията на бъркачката и характеристиките на разбъркване, които тя обуславя е оскъднo. Нужна е още информация, за да се разграничи, как измененията на формата ще повлияят върху ефективността на разбъркването.

Използвайки потенциала на съвременните локални методи за анализ, като например изчислителната хидродинамика (CFD), измененията в хидродинамичното поле причинени от различният дизайн на лопатките биха могли да се идентифицират и опишат в една по-подробна форма. Подобен анализ би трябвало да се съобрази с оформените вече типове разбъркващи устройства: такива с прави лопатки, наклонени лопатки, хидрообтекаеми (хидрофойлни) лопатки и т.н.

В хода на един първоначален опит на такава класификация на ефектите, породени от изменения във формата на лопатките, настоящият труд има за цел да разкрие основните характеристики на някои разбъркващи устройства с прави и наклонени лопатки при конструктивни изменения насочени към енергоспестяване.



.

  1. ЛИТЕРАТУРЕН ОБЗОР И ИЗВОДИ

В литературния обзор са проучени тенденциите в търсенето на подобрения в конструкциите на разбъркващите устройства. Установено е, че в повечето случаи стремежите са насочени към енергоспестяване при запазване на съществуващите нива на характеристиките на разбъркване (напр. коефициенти на мощност, коефициенти на циркулация и др.), чрез въздействие върху характера на потоците, вариации в ъгъла на атака, придаване на обтекаемост, огъване на лопатките, редуциране или разширяване на атакуващата повърхност и прочее. Обзорните данни подсказват актуалност на проблема, но трябва да бъде отчетена и известната хаотичност в търсенето на оптимизационни или иновативни решения, което свидетелства за нуждата от още приноси към познанието на природата на обекта.

Поради разнопосочността на съпротивленията и движещите сили е трудно да се даде предварителна оценка или да се предскаже коя форма ще създаде условия за по-висока ефективност (оценена, като запазване или подобряване на ефекта на разбъркване при запазване или намаляване разхода на енергия). Например, очакванията за подобряване на енергийната ефективност на бъркачките се основават на избиране на такава структура на потока, при която ще се намалят хидродинамичните загуби от явления на сепарация, характерни за течения около потопени тела. Това означава да се предвиди, каква форма би довела до поток, при който ротационните структури зад лопатката ще са с такова поведение и структура, че да не действат съпротивляващо на движението на турбината в следствие на обратните скоростни градиенти (респ. зони на ниско налягане по задната повърхност на лопатките), които създават. При неравномерно разпределение на налягането, не само се губи височина за полезна работа, но еднопосочно се явява възникване и формиране на кавитачни кухини (газови възглавници) зад лопатките, които отново в зависимост от формата на лопатката блокират работната ѝ повърхност, което се явява форма на патология на потока.

Във връзка с това може да се възприеме, че мерките за намаляване на разхода на енергия при разбъркване са еднопосочни с мерките за уравновесяване на налягането в посоката на изхвърляне.

В обзора са разгледани и съвременните методи за анализ на хидродинамиката в реакторите с разбъркване. Отчетени са редица предимства на локалните методи пред класическите интегрални методи с акцент върху изчислителната хидродинамика (CFD), като нов подход с големи възможности, чрез който една хидродинамична система може да бъде охарактеризирана при произволни условия на произволни нива, като по този начин се достига до точна предварителна информация с помощта на която се дава ориентация за следващите етапи при решаването на проблема.

Въз основа на направените проучвания се стигна до следните изводи:


  • Съвременното развитие на изследванията на разбъркващите устройства продължава да включва работи върху конструктивните форми и се концентрира върху усъвършенстване на работните елементи. В повечето случаи изследванията са насочени към енергоспестяване при запазване на съществуващите нива на характеристики на разбъркване;

  • Известни са опити за обосновка на работните характеристики на конструкциите от гл.т. на хидродинамиката на обтичане, но трудностите по определяне на хидродинамиката в близост до лопатките са затруднявали анализа на тяхната работа и не са позволили изясняване на закономерностите;

  • Влиянието върху характеристиките на разбъркващите устройства, чрез промяна на формата на течение, предизвикана от геометрията на лопатката, е разнопосочно, поради различното въздействие на съпротивленията и движещите сили; трудно е отнапред да се даде оценка или предскаже коя форма ще създаде условия за по-висока ефективност (напр. оценена като запазване или подобряване на ефекта на разбъркване при намаляване разхода на енергия). Поради това конструкциите се определят въз основа на по-общи, интуитивни съображения за очакваната хидродинамика и едва след това, чрез изследване се разкрива фактическата характеристика на хидродинамичното поле с помощта на експериментални методи.

  • Съвременното изследване на влиянието на геометричната форма върху хидродинамика на разбъркващите устройства предполага локално изследване на хидродинамиката на съставни елементи - например лопатките, техните повърхности, водещите ръбове, входните и изходните сектори на тези устройства и др. Достъпно и надеждно средство за изследване напоследък е изчислителната хидродинамика (CFD) върху изчислителна платформа, което се заключава в пряко моделиране на хидродинамиката, основано на точни геометрични модели на анализирания обект, съчетано с решаване на уравненията на движението на реален флуид.

  • От анализа на хидродинамичното поле около елементите на разбъркване може да се възприеме, че мерките за намаляване на разхода на енергия при разбъркване са еднопосочни с мерките за намаляване на хидравличните загуби, респ. мерките за уравновесяване на противоналягането (pressure recovery) в посоката на изхвърляне.

  1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

В рамките на общия проблем за енергоразхода на разбъркващите устройства и като се имат предвид изводите от литературния анализ, настоящия труд си поставя, като основна цел да изследва различни варианти на предполагаемо благоприятни, но и нови конструктивни изменения във формата на разбъркващи устройства, като разкрие закономерностите в тяхното поведение под формата на характеристики, корелирани с локалните изменения на хидродинамичните характеристики в близост до лопатките.

Задачите могат да се конкретизира, както следва:



  • Чрез методите на изчислителната хидродинамика (CFD) да се формулират и охарактеризират системи с механично разбъркване при различни конструкции разбъркващи устройства с последващо валидизиране на получените данни, чрез лабораторни експерименти;

  • Да се потърси връзка между геометричната специфика на разбъркващите елементи и характеристиките на хидродинамичното поле, като полета на скорост и налягане, енергийна ефективност, циркулация, време на хомогенизация, турбулентни характеристики, скорости на срязване, масопренос и др.

  • Да се направи опит за систематично описание на получените данни с акцент върху функцията на благоприятните хидродинамични ефекти от модифицирането на формата на конвенционалните разбъркващи устройства.

Разглеждайки информацията в литературата, отнесена към обезпечаване на варианти за енергоспестяване и като се има предвид липсата на отговори на редица въпроси, бяха предположени следните конструктивни изменения във формата на лопатките на разбъркващите устройства с очакване за подобрение:

  • повишаване на кинетичната енергия на потока зад лопатката, съпроводено с намаляване на обратния градиент на налягане – осъществимо чрез осигуряване на отвори, прорези и канали;

  • изменение на профила на работната повърхност – водещо до друг профил на течение и поле на скоростите и статичното налягане – чрез осигуряване на външна обтекаемост.

  • изменение на ъгъла на активната повърхност на лопатките.

Заедно с това бяха очертани следните очаквания от предлаганите конструктивни изменения, които бяха изведени като работна хипотеза, подлежаща на проверка: предполага се, че въведените конструктивни изменения водят до увеличаване на полезната мощност при намаляване на общата мощност, регистрирано чрез полезен ефект върху работата на бъркачките – запазване или усилване на хомогенизацията, запазване или подобряване на масообмена.

В резюме, дисертационният труд си поставя за цел да изследва влиянието на геометрията върху характеристиките на разбъркващи устройства, като по-специално изследва, как влияят перфорации, направляващи ребра, ъгъл на разполагане и овалност, приложени към лопатки на конвенционални турбинни бъркачки.

В контекста на една по-обща задача, а именно – да се създаде един експресен експериментално-методичен подход за синтез на разбъркващи устройства – си поставихме за цел, да се провери възможността за определяне на перспективност на дадена конструкция чрез експресно локализиране на разпределението на статичното налягане откъм “сянката на лопатките на ротора” /”следата на разбъркване”/.


  1. ИЗПОЛЗВАНИ МЕТОДИ

В настоящият дисертационен труд, поставените задачи бяха решени с използването на методи организирани в два изследователски етапа (еднотипни за всички анализирани модификации): първоначален етап на числен експеримент за придобиване на детайлна информация за хидродинамичното поле и неговите характеристики (на локално и глобално ниво); лабораторен етап с провеждането на реални експерименти с някои от демонстриралите подобрения разбъркващи устройства (за валидизиране на числения експеримент и за намиране на други характеристики на разбъркването).

Поставените цели и задачи бяха решавани, чрез числени експерименти за локално изследване на конструкциите с приложение на софтуерния пакет FLUENT (понастоящем разпространяван от ANSYS Inc.). Централният модул на FLUENT решава транспортните уравнения на Навие-Стокс (1) по зададени гранични условия и генерира информация за хидродинамичното поле в лицето на широк диапазон хидродинамични променливи за всяка клетка от анализирания обем.



(1)

За да се отчете наличието на турбулентност в горното уравнение, скоростта се представя, като сума от средната скорост и флуктуациите , като осредняването ги видоизменя в т.нар. осреднени уравнения на Навие-Стокс (RANS) (2).



(2)

Получените нови членове имат характер на привидни турбулентни напрежения на деформация (напрежения на Рейнолдс), отчитащи флуктуациите на скоростта. Новите неизвестни в уравнения (2) се определят чрез въвеждане на допълнителни уравнения, произтичащи от възприетия турбулентен модел.

В настоящия труд бе възприет т.нар. "k- ε" турбулентен модел, в неговата R (realizable) форма, както е мотивирано в пълния текст на труда. Допуска се (хипотеза на Босинеск), че напреженията на Рейнолдс могат да се изразят, чрез средните градиенти на скоростта (3).

, (3)

Константата се означава като турбулентен (привиден) вискозитет. При заместване на уравнение (3) в уравнение (2), членовете съдържащи частни диференциали се комбинират в нова величина - ефективен вискозитет, който може да се изрази като сума от динамичния и турбулентния вискозитет:



, (4)

Използвания Rk модел (realizable k-ε), имат вида:



(5)

CFD методиката за симулиране и анализ бе използвана за решаване на болшинството от задачите свързани с поставените цели, а именно изясняване зависимостта на хидродинамичното поле в съд с разбъркване от формата на разбъркващото устройство. Работната процедура включваше: /1/ изготвяне на точен геометричен макет на разбъркващото устройство и съда в който е поместено, /2/ дискретизация на обема посредством изчислителна мрежа от клетки, /3/ провеждане на изчислителна итерационна процедура за намиране променливите в транспортните уравнения, /4/ аналитична обработка на получената хидродинамична информация.

Наборът от хидродинамични характеристики, за които бе получавана информация след итерациите е представен в таблица 1. За пълния 3D-анализ на реактора с разбъркващото устройство в нашите изследвания бе прилаган модела на мулти-референтните рамки (MRF): обекта бе разделян на ротираща и стационарна зона.

Фиг. 1 Разделяне обема на съда на референтни рамки (зони).

Таблица 1 Характеристики на хидродинамичното поле, отнасящи се до разбъркването.

Хидродинамична величина

Описание

Циркулационен коефициент



Коефициент на налягането

Безизмерна величина дефинирана с отношението:

;;

Осева скорост

Компонент на скоростта в осево направление

Радиална скорост

Компонент на скоростта в радиално направление

Тангенциална скорост

Компонент на скоростта в тангенциално направление

Турбулентна кинетична енергия

Турбулентната кинетична енергия дефинирана за единица маса:

; m2/s2

Дисипацията на турбулентната кинетична енергия

В случая на възприетия турбулентен модел:



Скорост на тангенциална деформация (скорост на срязване, скорост на ъглова деформация).

Отношението на напрежението на тангенциална деформация и вискозитета. За триизмерно декартово пространство FLUENT изчислява скоростта на срязване по израза:



При втория етап на лабораторен експеримент, разбъркващите устройства, обект на анализа бяха изработени в работилницата на института от стоманени плоскости по точно зададен размер и пропорции с възможност за монтиране към вал. Използваният диаметър за всички конструкции бе D = T / 3, където Т = H. Всички модификации бяха изследвани при Re > 104 при ъглова скорост N = 600 rpm за изчисленията и при скорости 300, 400, 500 и 600 rpm за лабораторният експеримент.

Лабораторният съд в който бяха проведени експериментите представляваше прозрачен цилиндричен съд с надлъжни прегради (фиг.2), работен обем 0,05m3, 0,4m височина и 0,4m диаметър. Работният флуид използван по време на експериментите бе вода при нормални условия.

Параметрите на разбъркването, които бяха определяни лабораторно са:


  • Мощност: За експерименталното определяне на мощността бе използвана автоматизираната измервателна система Electroinvent. Тя се базира на телеметрично сензорно отчитане на момента на силата в съчетание с електронно управление. Числото на мощността бе определяно посредством зависимостта:

, (6)

където Tq е момента на силата на въртене на вала.



  • Време на хомогенизация: Този параметър бе определян кондуктометрично по трейсерния метод, като време от момента на инжектиране на трейсер (концентрирана HCl) до момента на достигане на равновесие. Сондата бе поставена в долната 1/3 на съда в близост до стената. Трейсерът бе добавян на повърхността на флуида в средата на радиалния отсег.

  • Масообменен коефициент KLa: Използван бе динамичния метод. Концентрацията на разтваряния по време на експеримента кислород, бе измервана с кислородна сонда Ingold. Първоначално работният флуид бе продухван с CO2 с цел изгонване на наличният разтворен О2. След това с помощта на вентили бе подаван въздух – стъпаловидно с рязко превключване.Динамичната реакция в течната фаза бе оценявана посредством модела идеално смесване на двете фази - MM модел: DR = (Rt-R0)/(Rs-R0), където R е реакцията на сондата при равновесие (Rs), при t=0 (R0) и към момент t (Rt). Масообменният коефициент KLa бе определян като ъглов коефициент на зависимостта ln (1- DR) спрямо t. Средна грешка при определянето на KLa – 8,5%.

canvas 130

Фиг. 2 Схема на работната инсталация за измерване на KLa: : 1 - кислородна сонда; 2 - О2 метър; 3 - лабораторен съд за разбъркване с разбъркващо устройство – 4; 5 – електромотор с регулатор и 6 – газови потоци идващи от газова бутилка с въглероден диоксид и компресор нагнетяващ въздух.





  1. Сподели с приятели:
  1   2   3




©obuch.info 2022
отнасят до администрацията

    Начална страница