Исследование процессов переноса в вихревой камере с центробежным слоем частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Лукашов Владимир Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В ВИХРЕВОИ КАМЕРЕ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЛОЕМ ЧАСТИЦ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005545609

Новосибирск - 2013

005545609

Работа выполнена в Федеральном Государственном Бюджетном Учреждении Науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор, академик РАН

Волчков Эдуард Петрович

Официальные оппоненты:

Баев Владимир Константинович - д.т.н., ИТПМ СО РАН, г.н.с.

Тарасевич Станислав Эдуардович - д.т.н., профессор Национального исследовательского Казанского технического университета

Ведущая организация Национальный Исследовательский Университет «Московский Энергетический Институт»

Защита состоится 11 декабря 2013 г. в 11:00 на заседании совета по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук Д 003.053.01, на базе ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН по адресу г. Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТ СО РАН. Автореферат разослан « /У » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д. ф.-м. н.

Владимир Васильевич Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из перспективных путей развития тепломассообменных аппаратов может стать разработка устройств с центробежным псевдоожиженным слоем частиц зернистого материала в вихревой камере с неподвижными стенками. Особенностью этого класса течений является большие (10...30 м/с) значения скоростей обтекания частицы потоком газа, что обеспечивает высокую интенсивность тепло- и массообмена. В отличие от аппаратов с вращающимися стенками вихревые камеры привлекают простотой конструкции и отсутствием подвижных частей.

Влияние вращения на инертные и химически активные течения изучается на протяжении длительного времени. Закрутка потока может приводить к воздействию на все параметры течения, в том числе и на процессы переноса тепла и вещества. Наряду с изучением аэродинамики большое значение имеют исследования процессов переноса тепла и вещества в ограниченных закрученных течениях с фазовыми и химическими превращениями. Даже «простейшие» (стационарные, ламинарные) типы таких течений не всегда могут быть с достаточной точностью рассчитаны численными методами. Задача ещё более усложняется при введении в поток твёрдых частиц при организации центробежного псевдоожиженного слоя. Развитие вихревых тепло массообменных технологий сдерживается недостаточной экспериментальной информацией о течении в вихревых двухфазных потоках. В литературе почти полностью отсутствуют данные о характеристиках вращающегося слоя частиц в условиях горения.

Цель диссертационной работы экспериментально исследовать закрученные течения в вихревых камерах с центробежным псевдоожиженным слоем твёрдых частиц, в том числе при горении. Разработать рекомендации для определения конструктивных и режимных условий, позволяющие увеличить стабильность слоя при сохранении высокой интенсивности тепло- и массообменных процессов.

Основные задачи работы.

1. Исследовать характеристики аэродинамики и турбулентного переноса в однофазных и газодисперсных потоках в вихревых аппаратах, предназначенных для удержания закрученного псевдоожиженного слоя. Определить характерные изменения в аэродинамике и турбулентных характеристиках потока при внесении в поток дисперсной фазы.

2. Определить конструктивные и режимные характеристики вихревых аппаратов, при которых увеличивается время удержания слоя, а механический износ удерживаемого материала минимален.

3. Исследовать факторы, влияющие на гидравлическое сопротивление рассматриваемых вихревых камер.

4. Определить условия, при которых возможна организация автотермического горения в рассматриваемых типах камер.

5. Получить экспериментальные данные о характеристиках горения углеводородов в вихревой камере с центробежным псевдожиженным слоем зернистого материала.

Научная новизна.

1. Показано, что в диафрагмированной вихревой камере максимальная интенсивность пульсаций скорости наблюдается в приосевой области течения в зоне квазитвёрдого вращения.

2. Показано, что в случае больших углов раскрытия образующей закручивающего аппарата, комбинированное воздействие центробежных сил на частицы псевдоожиженного слоя и силы тяжести приводит к повышению стабильности и времени удержания слоя, а износ зернистого материала снижается. При этом сохраняется высокая интенсивность тепломассообмена.

3. Показано, что в диапазоне исследованных параметров потери давления линейно зависят от величины скоростного напора. Предложено соотношение для оценки гидравлических потерь в вихревой камере.

5. Определены условия организации горения углеводородного топлива в центробежном псевдоожиженном слое инертных или каталитически активных частиц.

Практическая значимость.

Полученные экспериментальные данные о течении в вихревой камере с центробежным псевдоожиженным слоем зернистого материала являются достаточными для верификации и для развития современных подходов моделирования закрученных двухфазных потоков течений.

Установлены режимы горения углеводородного топлива в зависимости от вида горючего и степени закрутки потока. Разработаны и экспериментально проверены конструкции вихревых камер в которых были реализованы как каталитическое окисление сверхбедных смесей углеводородов, так и фильтрационное горение газа в широком диапазоне соотношения топлива и окислителя.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертации обоснована использованием отработанного метода экспериментальных исследований. Для использованного экспериментального метода диагностики скорости проведён детальный анализ погрешности измерения в условиях больших градиентов концентрации трассеров в закрученном потоке. Результаты работы хорошо согласуются с данными известных экспериментальных и теоретических исследований.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования динамических характеристик однофазного изотермического течения в диафрагмированной вихревой камере.

2. Опытные данные по влиянию частиц центробежного псевдоожиженного слоя на аэродинамику вихревой камеры

3. Результаты исследования влияния тепловыделения в вихревой камере на условия формирования вращающегося слоя частиц.

4. Результаты экспериментального исследования характеристик псевдоожиженного слоя в вихревом аппарате с завихрителем, угол раскрытия образующей которого изменялся в широком диапазоне от 0 до 90 градусов относительно вертикали.

Личный вклад. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной работе. Интерпретация полученных данных проведена автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.

Апробация работы: результаты работы докладывались на международных конференциях: 6-th World Conf. Experimental Heat Transf., Dubrovnik, 1992.; Минский Международный Форум 2004; Russian -Korean Int. Symp. On Science and Tech. KORUS-99; XIICMAR Conf., 2002; 13th Int. Conf. on the Methods of Aerophysics Research, Novosibirsk, 2007; ICMAR XIV, Novosibirsk, 2008.; Ill межд. конф. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках, 2123.10.08 Москва; а так же российских: XIII Школы - семинара А.И.Леонтьева. 2001. Санкт-Петербург; РНКТ-3, 2002.; II Росс. Конф. Тепломассообмен в закрученных потоках 2005, Москва,

Публикации: основные результаты диссертации изложены в 30 печатных работах, включая 14 журнальных статей (ВАК) и 2 патента РФ.

Структура и объём работы: диссертации состоит из пяти глав и заключения, содержит 130 страниц текста, 87 рисунков, список литературы содержит 110 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится анализ имеющихся в литературе результатов исследований закрученных потоков, характеристик центробежного псевдоожиженного слоя. Изложены особенности аппаратов, используемых для создания устойчиво вращающегося слоя твёрдых частиц. Рассмотрены как устройства с вращающимися газопроницаемыми стенками (рис. 1А), так и вихревые

Рис. 1. Принципиальная схема аппарата с центробежным кипящим слоем: А-вращающиеся стенки; Б- вихревая камера с неподвижным корпусом.

камеры с неподвижным корпусом (рис. 1Б). Достоинством устройств с подвижными стенками является возможность организации псевдоожижения в широком диапазоне скоростей вращения. Это позволяет управлять соотношением топливо окислитель при сжигании топлив с различными свойствами. По-видимому, сложность конструкции и большие потери давления газа-носителя ограничивают практическое применение таких аппаратов.

Известно, что между центробежным слоем и обычным, кипящим в поле силы тяжести, имеются существенные различия в режимах псевдоожижения. Порозность центробежного слоя в вихревой камере при увеличении расхода газа- носителя уменьшается в отличие от обычного псевдоожиженно-го слоя. Особенностью вращения частицы в вихревой камере является существование равновесной орбиты. При этом в окружном направлении частица будет двигаться со скоростью газового потока. Условия устойчивости частиц в слое исследовались в работах М.А. Гольдштика (1981, 1984, 1990). В частности было получено, что в закрученном потоке при условии постоянства циркуляции по радиусу Г = const вращение частицы слоя устойчиво.

Течение в вихревой камере при наличии вращающегося слоя твёрдых частиц рассмотрено в работе С.С. Кутателадзе, Э.П. Волчков, В.И. Терехов (1987). Было показано, что для условий экспериментов с центробежным псев-доожиженным слоем зернистого материала в вихревых камерах, частицы движутся по орбитам существенно меньших равновесным, а избыток момента количества движения гасится за счёт их взаимодействия со стенками. Аналитические решения, позволяющие получить оценки скорости вращения слоя зернистого материала в зависимости от массы слоя и скорости воздуха в щелях закручивающего аппарата, предложены в работах Э.П. Волчкова, А.Н. Дворникова и А.Н. Ядыкина (1993, 2000). В частности, отмечается, что центробежный слой далёк от псевдоожижения за счёт аэродинамического взаи-

модействия частиц и потока газа. Определённый вклад может внести ожижение в окрестности струй, истекающих из щелей закручивающего аппарата.

Высокая интенсивность тепломассообменных процессов в центробежном кипящем слое позволяет поднять теплонапряжённость до 100 мВт/мЗ, что на порядок выше, чем в аппаратах с обычным «гравитационным» псевдо-ожиженным слоем. Однако, применение такого класса устройств ограничивается рядом проблем. В частности существованием неконтролируемого выноса частиц из слоя. Кроме того, как отмечается в работах И.И. Смульского (1978, 1992), масса устойчивого слоя в вихревой камере не может быть увеличена сверх некоторой величины, зависящей от особенностей конструкции и свойств зернистого материала.

В главе 2 описана методика измерений. Приводятся результаты метрологического исследования основных характеристик использованного в опытах ла-зерно - доплеровского анемометра при измерении турбулентных и средних характеристик газового потока. Проведённое тестирование показало эффективность работы измерительной аппаратуры в условиях большого градиента концентрации светорассеивающих частиц в закрученном потоке. Известно, что прецессия оси вихря может оказывать существенное влияние на измеряемые величины характеристик турбулентности закрученного потока. С помощью спектрального метода «тройного разложения» (Brereton G.J. 1992), не требующего априорной информации о периоде и фазе периодической компоненты, были проведены оценки вклада квазипериодического движения потока на измеряемые величины интенсивности пульсаций скорости. Показано, в исследованной вихревой камере влиянием прецессии можно пренебречь.

Описана методика исследования тепломассообмена между частицами слоя и газовым потоком. При этом был использован оригинальный подход к анализу подобия между тепло- и массообменном в системах переменного состава. В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований аэродинамики однофазного закрученного потока в диафрагмированной вихревой камере. Описано влияние различных вариантов подвода и вывода потока воздуха в вихревой камере

г, мм

Рис. 2. Влияние пневматического датчика на течение в осевом направлении. 1- без введения зонда; 2- по диаметру вихревой камеры протянута проволока 1 мм; 3- Э.П. Волчков и др. (1985).

на характеристики течения, влияния радиального смещения выходной диафрагмы, ее размера. Сравнение наших измерений с данными Э.П. Волчкова и др. (1985) показали, что наличие датчика в закрученном потоке способно изменить характер течения (рис. 2.). Известны методики учёта воздействия зонда на окружную компоненту скорости. Столь значительное влияние зонда на осевую компоненты скорости в литературе не отмечено. Проведенные эксперименты показали, что осевые и тангенциальные скорости в разных сечениях камеры близки к автомодельным, если их нормировать на свои максимальные значения.

0,8 Ъг

0,4

0,0

а О 1 V 2 О з

% ■ § ч

О о я о ^ О

0,0

0,2

0,4

°'6 г/Рк°'8

°'6 г/Вк°'8

Рис. 3. Безразмерные распределения осевой (а) и окружной компонент скорости (б) в вихревой камере при различных способах подачи струи через глухой торец: 1 - без вдува; 2 - круглая струя; 3 - кольцевая струя.

На рис. За и рис. 36 нанесены данные, полученные для вихревой камеры (схематично показанной на рис. 6 С) с подачей приосевой струи через кольцевое или круглое отверстие и при отсутствии приосевого вдува. Как видно, для всех трех вариантов граничных условий на глухом торце, нормированные распределения скоростей практически одинаковы. Распределение по радиусу степени турбулентности потока показано на рис.4. В нижнем сечении камеры (г/Н=0.3, Рис. 4.а) максимальное значение параметра

имеет место на оси камеры. В основном объеме при г/Я>0.2 уровень пульсаций практически постоянный. Если сравнить значения ТиМАХ в двух приведённых сечениях, то можно отметить уменьшение степени турбулентности на оси камеры при удалении от сечения ввода струи. Так, максимальное значение 7имах в сечении гГИ-О.Ъ (точки 1, рис. 4а) составляет —30%, а в сечении г/Н=0.8 (точки 1, рис. 4в) степень турбулентности на оси меньше 10% при этом на периферии вблизи стенок камеры Ти ~ 10%. Минимальные значения степени турбулентности при г/Н=0.3 и

Рис. 4. Распределение степени турбулентности по высоте диафрагмированной вихревой камеры. Условия на глухом торце: 1- без вдува; 2- круглая струя; 3-кольцевая струя.

г/Н=0.8 находятся вблизи внешней границы центральной струи. Распределения степени турбулентности при вдуве через кольцевое сопло (точки 1, рис. 4.), при вдуве круглой струи (точки 3, рис. 4.) и без дополнительной подачи воздуха (точки 2, рис. 4.) качественно не меняются.

При отсутствии вдува приосевой струи (отсутствие возмущающего фактора) на оси камеры все равно возникает максимум турбулентности. Объяснение этому явлению дают измеренные профили скорости в торцевом пограничном слое. Они показали, что основная часть радиального расхода проходит через торцевой пограничный слой и профиль радиальной скорости имеет струйный характер. Стекаясь к центру камеры, смешиваясь там, они, по-видимому, и дают пик турбулентности на оси. Тот факт, что течение в исследованной камере является непроточным в радиальном направлении, согласуется с известными оценками, согласно которым такой характер течения

должен быть при выполнении условия: /?о1,25 < 2.38 ■(!-/;,). Поскольку

основной расход воздуха, входящего в вихревую камеру, поступает в торцевые пограничные слои, уровень радиальной компоненты скорости на удалении от пристенной области мал. При взаимодействии закрученного потока с поверхностью глухого торца возникают вторичные потоки и пристенное течение приобретает сложный пространственный характер.

В главе 4 рассмотрены вопросы аэродинамики вихревой камеры с центробежным кипящим слоем.

Рис. 5. Вихревые камеры: А - цилиндрическая, Кк = 100 тш, с! = 60 шт, Н = 100 тш; В - коническая, Як = 174 тт, с! = 60 тт; С - Як=50 тш, Н = 150 шт. 1 -щелевой завихритель, 2- корпус камеры, 3- слой частиц.

Для организации слоя частиц могут быть использованы различные типы вихревых камер. Одним из основных конструктивных факторов, определяющих характеристики течения, является угол наклона образующей завихрителя относительно вертикали. В данной работе рассматривались три варианта организации потока (рис.5.) с углом в 0, 45 и 90 градусов относительно геометрической оси камеры.

Важной характеристикой поведения слоя является неконтролируемый вынос частиц из вихревой камеры потоком газа. Для повышения устойчивости слоя рекомендуется использовать не плоскую, а профилированную торцевую поверхность. Проведённые исследования показали, что использование криволинейной торцевой поверхности не позволяет полностью исключить вынос материала в цилиндрической камере. Переход к конической конструкции (рис.5В) позволяет снизить неконтролируемый вынос материала.

Так при вращении слоя гранул керамзита после 10 минут работы масса слоя изменилась с М = 0.390 кг до 0.384 кг. В случае использования частиц А1203 диаметром 0=1.5 мм неконтролируемый вынос зернистого материала зафиксирован на уровне погрешности измерения: изменение количества зернистого материала с начальной массой 0.7 кг после 1 часа работы не превысило 1 г. В камере с торцевым завих-

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

Горение ^ «/и

/ Коническая.

камера а=45°

/ ев

Цилиндр, камера

-"о ^ \ й&

ф ГВайёёГ А.1 .

100

200 0„

300

400

500

, м /час

ВОЗДУХА1

Рис. 6. Зависимость массы слоя от расхода воздуха.

рителем (рис.5С) неконтролируемый вынос частиц из слоя не превышал 7% от начальной массы за 3 часа. В ходе экспериментов было обнаружено, что слой частиц в камере «С» остаётся устойчивым и при сокращении высоты камеры практически до высоты вращающегося слоя.

Связь величины расхода воздуха с массой центробежного слоя показана на рис. 6. Вне зависимости от типа камеры масса слоя увеличивается пропорционально расходу воздуха. Удельные затраты воздуха в конической камере могут быть в несколько раз снижены по сравнению с цилиндрическим аппаратом.

Важной характеристикой тепломассообменного аппарата является зависимость потерь давления АР от расхода газа. АР в эксперименте определялся как разница давления между окружающей атмосферой и газом перед завихрителем. Для оценки гидравлических потерь была рассмотрена простая модель, учитывающая факторы, влияющие на гидравлические потери. Потери давления в камере принимаются равными сумме потерь давления на завихри-теле, потерь при прохождении газом зоны от боковой стенки до радиуса выхлопного отверстия и потерь внутри зоны, ограниченной радиусом выхлопного отверстия. Суммируя составляющие потери давления:

На основании опытных данных было получено для конической камеры а, =0.38, для цилиндрической а, -0.32. Неравномерность профилей скорости в щелях в первом приближении не учитывалась, а2 = 1. Результаты измерений и расчетов по формулам, полученным ниже, приведены на рис. 7. Ли-

ниями нанесен расчет.

6000

Эксперимент Расчет

Как видно из представленных данных в камерах различного типа зависимость перепада давления от рУд / 2 скоростного напора воздуха в щелях закручивающего аппарата имеет линейный характер.

го с

А 0=20 тт

• —о— 0=56 тт ■ — 0=76 тт

—л— 0=20 тт —о- 0=56 тт

О.

<1

* Коническая камера

4000

2000

В конической камере «В» получены оценки коэффициентов теплоотдачи между потоком воздуха и частичками слоя. Для этого был использован стационарный

200 400 600 800 1000 1200

р\/0г/2, Па

Рис. 7. Сопротивление на цилиндрической камере типа «С» при различных диаметрах выхлопного отверстия и на конической камере типа «В».

метод, основанный на определении тепломассообмена при испарении воды из слоя. Во вращающийся слой частиц подавался фиксированный расход воды, такой чтобы испарение происходило равномерно с поверхности всех частичек слоя без образования капель жидкости. Измерения тепловых характеристик вихревого аппарата позволило получить оценку интенсивности теплоотдачи. Максимальные значения коэффициента теплоотдачи при скорости фильтрации 0.8 м/с зафиксированы на уровне а = 500 Вт/м2К. Слой состоял из частичек А12Оз, с эффективным диаметром 3 мм. Насыпная плотность материала 880 кг/м3. Масса слоя 900 гр. По данным Н.И. Сыромятникова (1967) при числе Рейнольдса Re=160, построенному по скорости фильтрации и эффективному диаметру частиц, для обычного псевдоожиженного слоя а~140 Вт/м2К. В экспериментальном исследовании Э.П. Волчкова (1993) нестационарного тепломасообмена в цилиндрической вихревой камере с центробежным псевдоожиженным слоем частиц при испарении воды величины коэффициента теплоотдачи изменялись в диапазоне от 450 до 150 Вт/м2К. Таким образом, можно сделать вывод, что при сочетании центробежных сил и силы

Е 4

з 3 2 1 0 -1 -2

Б V : v ^ v

j V

V V V V ; область слоя

VV ?

0.0 0,2 0,4 0,6 r/R 0,8 1.0

Рис. 8. Распределения окружной и осевой компонент скорости. А и Б- воздушного потока над слоем частиц; В и Г - скорость движения частиц слоя.

тяжести интенсивность тепломассообмена сохраняется такой же, как и камере типа «А» с в цилиндрическим завихрителем.

Используя ЛДА, проведены измерения как скорости газа над слоем частиц так и скорости движения самих частиц внутри слоя в вихревой камере с торцевым завихрителем (рис.5С). Как видно из распределений тангенциальной II и осевой иг компонент скорости частиц в слое (рис. 8 В и Г), траектории их движения имеют винтовой характер. Вблизи боковой поверхности при г>43 мм частички движутся вверх Ш>0. При г<43 мм частицы, напротив, движутся вниз иг<0. Скорость вращения частиц (рис. 8В) на высоте 30 мм падает в 3-4 раза. Значения окружной компоненты скорости при прохождении через слой снижаются со значения 40 м/с на выходе из щелей завихрителя до значений меньших 3.. .4 м/с.

Наличие слоя частиц в вихревой камере приводит к снижению величины момента количества движения газового потока (рис.9). Характер распределения безразмерной циркуляции (отнесённой на его значение при г= Як) в вихревой камере с торцевым завихрителем (С) отличен от закономерностей камеры с боковым цилиндрическим завихрителем (А). В камере с боковым цилиндрическим завихрителем значение безразмерной циркуляции в области 0.2<г/Як<0.9 остаётся практически постоянным. При использовании торцевого завихрителя (С) безразмерная циркуляция имеет максимум в области, удаленной от боковой стенки. Изменение диаметра выходного отверстия вихревой камеры с торцевым завихрителем от 6=20 тш до (1=100 мм слабо меняет распределения циркуляции по радиусу. Распределение циркуляции в рассматриваемом случае, в отличие от известных данных для камер с боковым вводом воздуха, имеет максимум при г/Кк=0.5 вне зависимости от диаметра выхлопного отверстия. По-видимому, условия устойчивости центробежного кипящего слоя в аппарате с торцевым завихрителем существенно отличаются от вихревых камер с боковым вводом газа, для которых известно, что двухфазное течение устойчиво при постоянстве циркуляции по радиусу.

В главе 5 представлены результаты исследований вихревой камеры с горением. В опытах

1Е-3

абг/Нк°'8

Рис. 9. Распределение безразмерной циркуляции в цилиндрической камере. 1- А, однофазное течение; 2- «С» - однофазный поток; 3- А, масса частиц 50 г; 4- камера С, масса частиц 140 г, с1=20 шш.

использовалось несколько типов вихревых камер. Камера с цилиндрическим боковым завихрителем схематично показана на рис.5.А. Боковые стенки камеры сгорания образованы завихрителем внутренним диаметром 0=200 мм. В качестве зернистого материала использовался крупнодисперсный речной песок 1...3 мм, с насыпной плотностью 1400 кг/м3. В предварительных "холодных" запусках были выбраны расходные режимы, обеспечивающие формирование устойчивого слоя массой М=0.05...0.25 кг. Расход воздуха при этом составлял 0вход=0.05...0.16 кг/с. В изотермическом случае для образования слоя массой М=0.1 кг требовался расход воздуха С=0.08...0.1 кг/с. При однофазном горении пропан-бутана (50% пропана и 50% бутана) в этом диапазоне расходов воздуха пламя выходила за пределы реактора. Когда в опытах раскрутка слоя была произведена одновременно с поджогом топливо-воздушной смеси, то оказалось, что формирование слоя происходит при существенно меньших (в 1.5-2 раза) расходах воздуха. Так для образования слоя массой М=0.1 кг при горении требуется расход воздуха 0=0.04...0.05 кг/с. Коэффициент избытка воздуха при этом составлял а = 1.8. Уровень температур газового потока на выходе из камеры сгорания не превышал 1300 °С. По-розность инертного слоя при горении пропан- бутана в воздухе составила е = 0.7, что может быть классифицировано как рыхлый слой.

Из-за особенностей конструкции вихревой камеры измерения скорости потока были выполнены на расстоянии 85 мм от глухого торца камеры через оптическое окно, установленное в цилиндрической поверхности над

Е 93 0,8

0,4

0,0

I

л

*

г/Я,

иф

0.3-

Ти

0.2-

-О- 1

-Л- 2

в

' \ > \ ,» Л

0.2

0.4

0.6

гЖк°-8

Рис. 10. Распределение окружной компоненты по радиусу вихревой камеры: 1 - САЖ=20 г/с, М0=0 г; 2 -Саш=20 г/с, М0=90 г; 3 - СА[К=20 г/с, М0=0 г; 4 - САж=57 г/с, М0=50; 5 -Оаж=16 г/с, Св.рО=0.5 г/с, М0=0 г.

Рис. 11. Интенсивность пульсаций скорости 1 - Сл[к=20 г/с, М0=0 г; 2 -0АШ=20 г/с, М0=90 г; 3 - СЛ1К=20 г/с, М0=0 г; 4 - 0А1К=57 г/с, М0=50 г.5 -0А1К=16 г/с, 0В.РО=0.5 г/с, М0=0 г.

завихрителем. Измерения проводились в однофазном потоке воздуха, в двухфазном потоке и при однофазном сжигании пропан-бутана. Измерения про-

водились в однофазном потоке воздуха, в двухфазном потоке и при однофазном сжигании пропан-бутана. Влияние второй фазы проявляется только лишь на уровне окружных скоростей, величина которых примерно в 2 раза меньше чем в случае с однофазным потоком. При горении внутри камеры (точки 5 на рис. 10), величина тангенциальной компоненты зависит от соотношения топливо-окислитель, с его ростом, растёт и величина тангенциальной компоненты. При этом положение максимума тоже реагирует на это соотношение топливо-окислитель, с его ростом, максимум смещается к оси камеры. Тем не менее распределения безразмерной тангенциальной скорости обобщаются (рис. 10.), если для нормировки использовать на величину максимума скорость и её координату.

Интенсивность турбулентности (рис. 11.) при горении возрастает на периферии камеры в ~2 раза. Вблизи геометрической оси уровень пульсаций сохраняется таким же, как и в изотермическом потоке.

В вихревой камере «В» с углом наклона образующей щелевого за-вихрителя с осью камеры 45° был реализован процесс каталитического окисления пропан-бутана в потоке воздуха. Для того, что реакция на данном катализаторе началась необходимо предварительно разогреть вращающийся слой частиц до температуры 350...400 С. После достижения начального уровня температуры осуществлялась подача пропан-бутана в слой. Диапа зон изменения расхода топлива подбирался таким образом, что бы температура вращающегося слоя поддерживалась на постоянном уровне не выше 1170К.

При этом важно обеспечить равномерное перемешивание топлива с воздухом. В противном случае в слое катализатора могут возникнуть области локального перегрева, что приводит к разрушению частиц носителя катализатора (пористые сферы А1203 диаметром 1.5 мм). Такая ситуация возможна,

например, если подавать струи пропан бутана непосредственно в кипящий слой. Измерения показали отсутствие заметных количеств СО и Н2 в продуктах реакции. Распределения объёмных концентраций веществ в выходном сечении конической вихревой камере типа «В» показаны на рис.12. Масса каталитического материала 1000 г. В слое КаТаЛИЗа-

20 18 16

^о 14 о 12

а

х ю х8 8

10

15

X

й-

О

-О- С02 -О- 02 -О- Н20

I Й

$

§

о

50 48 46

44 N0,

42 РР11

40

38

36

34

32

30

10 15 20 25 30 г, тт

Рис. 12. Состав продуктов реакции при каталитическом горении пропан-бутана в потоке воздуха.

Рис. 13. Два режима горения пропана в воздухе.

тора при псевдоожижении в поле силы тяжести уровень выбросов N0 находится в диапазоне 50... 150 ррт.

Опыты с горением показали, что в зависимости от условий проведения запуска возможно два разных типа процесса. Если при достижении устойчивого вращения слоя зернистого материала и уровня температур под торцевым завихрителем 420...450 °С подать пропан- бутан в распределительную систему, и при этом обеспечить в реакторе богатую смесь а=0.7-0.8, то горение будет происходить непосредственно в слое частиц без образования пламени в газовой фазе (рис. 13 а). В этом режиме необходимо контролировать температуру в слое и при необходимости снизить расход топлива (тем самым увеличить избыток воздуха), в противном случае высока вероятность разрушения элементов конструкции. После чего подогрев основного потока воздуха прекращался, при этом температура реакционной смеси перед завихрителем снижалась до 100...150 °С. Горение в смесительной полости под торцевым завихрителем в таких условиях не происходит. Если же слой частиц не был предварительно разогрет или в результате изменения режимов работы реактора пламя «вышло» из слоя в газовую фазу (рис.13 б), то возврат к беспламенному горению в слое частиц может оказаться невозможным. В случае использования метана начальную температуру необходимо поднять выше до уровня 520-560 °С. По-видимому, начальный уровень температур соответствует температуре воспламенения топлива в воздухе.

2000-

О

1600-

1200

РГЧОРАМЕ \А//У2

да о 8

^ - \ о 3,7

~ - -\> А 0,6

О

- ^ \ " 1

\ о1

! \ 1 1

* ! 1 1 \ 1

' 1 --.-,-«--ц- --т-

0,5

1,0

1,5

а

2,0

2,5

На рис. 14 показана зависимость температуры в зоне реакции от коэффициента избытка топлива а для бесфакельного режима горения. Температуры измерялись пирометром ОПИР-017. Масса слоя составляла М =0.1 кг. Суммарный массовый расход воздуха в опытах поддерживался в диапазоне 8-9 г/с. Сплош-

Рис. 14. Зависимость температуры слоя частиц от ко эффициента избытка воздуха.

ной линией обозначена оценка адиабатной температуры сгорания пропана в воздухе. Таким образом, на графике видно, что при сжигании пропан- бутана в воздухе применение центробежного псевдоожиженного слоя позволяет получать сверх адиабатные температуры. Заметим, что по мере уменьшения степени закрутки (ир / и г), диапазон а, в котором возможно реализовать

бесфакельный режим горения сужается.

В режиме бесфакельного горения содержание N0 в восходящем газовом потоке оказывается достаточно низким (рис.15) несмотря на высокий

уровень температур в псев-доожиженном слое. По-видимому, низкое содержание связано с тем, что для образования теплового N0 время пребывания реакционной смеси в области реакции должно быть не менее одной секунды. В наших опытах в исследованном диапазоне расходных параметров время пребывания смеси в высокотемпературной области не превышало 0.4 с.

Е о.

40

О

Завихрнтель №3

Завихритель №1

О «> О < Б> > > & >

в 0,72

в 0,9

О 1,97

> 2,2

О о 0 о

О О

> > > & > о

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 г, тт

Рис. 15. Распределение N0 в выходном сечении реактора.

Основные выводы работы

1. В приосевой области вихревой камеры имеется локальный максимум интенсивности пульсаций, что связано с влиянием торцевого течения. Наличие дисперсной фазы в закрученном потоке значительно снижает уровень тангенциальной скорости газа, и соответственно сопротивление камеры, при незначительном влиянии на уровень турбулентных пульсаций в вихревой камере.

2. Определены конструктивные и режимные условия, при которых значительно увеличивается время удержания слоя и уменьшается износ материала, в том числе при горении, при сохранении высокой интенсивности тепло и массообменных процессов. Показано, что в камере с углом раскрытия завих-рителя от 45 до 90 в результате сочетания воздействия центробежных сил и сил тяжести значительно возрастает стабильность слоя.

3. Получены экспериментальные данные о распределениях скорости частиц как в газовой фазе вне слоя, так и скорости самих частиц внутри центробежного псевдоожиженного слоя. Показано, что частицы слоя совершают сложное винтовое движение. Вместе с тем оценки скорости вращения цилиндрического псевдоожиженного слоя могут быть использованы и для анализа тороидального слоя.

4. Экспериментальные исследования показали, что в вихревом реакторе с центробежным слоем инертных частиц можно реализовать два разных режима горения углеводородного топлива: с образованием факела над слоем частиц и без образования пламени с горением в слое. С увеличением интенсивности закрутки расширяется диапазон параметров, обеспечивающих существование «беспламенного» горения. Уровень выбросов NO в режиме беспламенного горения может быть снижен до 10 ррт.

Обозначения

Uv Up Ur - осевая, тангенциальная и радиальная компоненты скорости, м/с; Vo - скорость воздуха в щелях завихрителя, м/с; Tu - степень турбулентности; г - расстояние от геометрической оси камеры, м; RK - радиус камеры, м; Q -объёмный расход воздуха, мЗ/час; H - высота вихревой камеры, м; M - масса слоя, кг.

Основное содержание работы изложено в следующих работах:

1. C.B. Семенов, С.В.Попов, Лукашов В.В. Анализ результатов исследований теплообмена закрученной и незакрученной импактных струйН Известия СО АН СССР, сер. техн. наук, вып.6, 1989,- С. 133-142. (из перечня ВАК)

2. C.B. Семенов, Лукашов В.В. Влияние закрутки на аэродинамику импакт-ной струи!! Сибирский тех. Журнал.- вып.З.- 1992.-С.50-56. (из перечня ВАК)

3. С.Ю. Спотарь, И.А. Чохар, Д.С.Прозоров, Лукашов В.В. Способ локальной вытяжной вентиляции и устройство для его осуществления// патент № 2056256

4. Лукашов В.В. К определению температуры поверхности испаряющейся жидкости // ТОХТ,- 2003.- т.37„ №4,- С. 351-355. (из перечня ВАК)

5. E.P.Volchkov, Lebedev V.P., Lukashov V.V. The WA study of flow gasdynam-ics in a vortex chamber// Int. J. of Heat and Mass Tr.- 2004.-vol.47,Nl.-pp.35-42. (из перечня ВАК)

6. Лебедев В.П., Лукашов В.В., Абдрахманов Р.Х. Аэродинамика и турбулентные характеристики вихревых камер при разных способах организации входа и выхода газового потока// ТиА,- 2004,- тЛ 1, № 2,- С. 217-226. (из перечня ВАК)

7. Титков В.И., Лукашов В.В. Оценка параметров турбулентных течений с помощью следящего фильтра комплексной огибающей доплеровского сигнала// Автометрия. - 2006,- Т. 42.,№ 4,- С.100-108. (из перечня ВАК)

8. Lukashov V. V., Mostovoi А. V. Investigation of a Vortex Combustion Chamber with a Centrifugal Fluidized Bed// Heat transfer research.- 2006.- issue 8,- p. 685690. (из перечня ВАК)

9. Volchkov E.P., Semenov S.V., Lukashov V.V. Swirling impinging jet // Heat transfer research.-1996.- is. 27.- pp. 14-24. (из перечня ВАК)

10. Титков В.И., Лукашов В.В., Сысоев Е.В. Способ формирования сигнала ошибки слежения и сигнала коррекции показаний следящего фильтра комплексной огибающей сигнала// патент РФ № 2346292, выдан 10.02.2009.

11. Волчков Э.П., Лукашов В.В., Абдрахманов Р.Х., Богданова А.Д. Исследование пристенных турбулентных течений в вихревой камере// Тепловые процессы в технике.- 2009.- т.1, №6.- С. 222-227. (из перечня ВАК)

12. Лукашов В.В., Иванов A.B. Режимы горения пропано- воздушной смеси в центробежном слое инертных частиц// Тепловые процессы в технике.-2011,-№7.- С. 314-320. (из перечня ВАК)

13. Волчков Э.П., Дворников Н. А., Лукашов В.В., Бородуля В. А., Теплицкий Ю. С., Пицуха Е.А. Тепло- и массоперенос в процессах горения// ИФЖ,- 2012.-5(4).- С. 786-796. (из перечня ВАК)

14. Волчков Э.П., Дворников Н. А., Лукашов В.В., Бородуля В. А., Теплицкий Ю. С., Пицуха Е.А. Исследование закрученных газодисперсных течений в вихревых камерах различных конструкций при наличии и отсутствии горения// ИФЖ,- 2012,- т. 85,№ 2,- С. 305-317. (из перечня ВАК)

15. Волчков Э.П., Дворников Н. А., Лукашов В.В., Бородуля В. А., Теплицкий Ю. С., Пицуха Е.А. Экспериментальное исследование аэродинамики вихревой камеры с центробежным псевдоожиженным слоем// Тепловые процессы в технике,- 2013,- т. 5, № 5,- С. 201-208. (из перечня ВАК)

16. Волчков Э.П., Дворников Н. А., Лукашов В.В., Абдрахманов Р.Х. Исследование течения в вихревой камере с центробежным кипящим слоем при отсутствии и наличии горения// ТиА.- 2013,- т.6,- 9 С. (из перечня ВАК)

17. E.P.Volchkov, V.I. Terekhov, S.V.Semenov, Lukashov V.V. Friction and Heat Transfer in spatial boundary layer forming by interaction of swirling flow and plane// Proc. of. 6-th World Conf. Experimental Heat Transf., Dubrovnik, 1992

18. В.П. Лебедев, Лукашов B.B., Р.Х.Абдрахманов Экспериментальное исследование взаимодействия струи с закрученным потоком в вихревой камере// ММФ-IV, 2000, т.1.-с.491-494.

19. Volchkov Е.Р., Lebedev V.P., Dvornikov N.A. The investigation of vortex chamber aerodynamics// Proc. of 3-d Russian -Korean Int. Symp. On Science and Tech. KORUS-99, June 99, Novosibirsk, v.l.- pp. 40-43.- 1999.

20. Лукашов B.B., Р.Х.Абдрахманов Экспериментальное изучение турбулентных характеристик закрученного течения в "холодной" модели вихревого плазмохимического реактора// Труды XIII Школы -семинара молодых ученых и специалист. -20-25 мая 2001. Санкт-Петербург,- 2001 Т.1.-С. 104-107.

21. В.П. Лебедев, Лукашов В.В., Р.Х.Абдрахманов Peculiarities in research of the turbulence in a swirling flow by LDA method// Proc. XI ICMAR Conf., 1-7 July, 2002, Novosibirsk, Part 2, 115-120.

22. В.П. Лебедев, Лукашов B.B., P.X. Абдрахманов Структура течения в диафрагмированной вихревой камере// Труды РНКТ-3, Т.2. М.: МЭИ, 2002, 198201.

23. Лукашов В.В., Мостовой А.В. Исследование вихревой камеры с центробежным псевдоожиженным слоем// Труды II Росс. Конф. Тепломассообмен В закрученных потоках, 15-17 марта, 2005, МЭИ, Москва, Секция 4, №9, Гос.рег.№ 0320500321.

24. Lukashov V.V., Abdrakhmanov R.Kh. Study of flow in vortex combustion chamber with inert particle layer // Proc. 13th Int. Conf. on the Methods of Aerophysics Reaserch, 5-10 February, Novosibirsk, Russia.- 2007,- Part III.-P. 185-188.

25. Volchkov E.P., Dvornikov N.A., Lukashov V.V., Abdrakhmanov R.Kh. The experimental study of heat- mass transfer and flow field in the vortex chamber with centrifugal fluidized bed// Procs. of ICMAR XIV, Sect. 5, 5pp, Novosibirsk, Russia, 2008

Подписано к печати 07.11.2013 г. Заказ № 39 Формат 60/84/16. Объем 1 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, просп. Лаврентьева, 1

Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской акат(е}мии

На правах рукописи

04201454529

ЛУКАШОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЛОЕМ ЧАСТИЦ

специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: академик РАН, д.т.н., профессор Волчков Эдуард Петрович

Новосибирск- 2013

Глава 1. Введение - обзор состояния вопроса..........................................................3

1.1. Классификация закрученных потоков...........................................................3

1.2. Характеристики, используемые при описании закрученных потоков......4

1.3. Гравитационный кипящий слой....................................................................9

1.4. кипящий слой в камере с вращающимися стенками.................................15

1.5. центробежный псевдоожиженный слой......................................................20

Выводы по главе 1................................................................................................32

Глава 2. Методы исследования...............................................................................32

2.1. Особенности измерений в закрученных потоках методом ЛДА..............32

2.2. Влияние прецессии на измеряемые характеристики потока....................43

2.3. Особенности экспериментального определения интенсивности ТМО... 46

Глава 3. Аэродинамика однофазного закрученного потока.................................58

3.1. - Аэродинамика течения в основном объёме камеры................................58

3.2. Взаимодействие закрученной струи с плоскостью....................................76

Глава 4. Аэродинамика однофазного закрученного потока................................. 78

4.1. - Аэродинамика газового потока в вихревой камере со слоем.................78

4.2. характеристики вращающегося слоя...........................................................85

4.3. Гидравлическое сопротивление вихревых камер......................................96

4.4. Интенсивность тепло и массообмена между частичками слоя и несущим потоком..................................................................................................................99

Глава 5. Вихревая камера с горением...................................................................101

5.1. Особенности аэродинамики вихревой камеры с горением.....................101

5.2. Организация химического процесса в вихревой камере со слоем катализатора........................................................................................................109

5.3. Горение пропана и метана в слое инертного материала.........................111

Выводы......................................................................................................121

Литература....................................................................................................122

Глава 1. Введение - обзор состояния вопроса 1.1. Классификация закрученных потоков

Влияние вращения на инертные и химически активные течения изучается уже на протяжении длительного времени. Закрутка потока, то есть сообщение потоку вращательного движения, может приводить к воздействию на все параметры течения, и в том числе на процессы переноса тепла и вещества. Наряду с задачами аэродинамики, связанными с необходимостью создавать эффективные летательные аппараты, предсказывать поведение атмосферы и океана, большое внимание уделяется процессам переноса тепла и вещества в ограниченных закрученных течениях с фазовыми и химическими превращениями. Даже «простейшие» (стационарные, ламинарные) типы таких течений далеко не всегда могут быть получены в численном моделировании. Анализ влияния всего многообразия управляющих факторов при численном моделировании может оказаться задачей не менее сложной, чем само прямое численное решение. Экспериментальные исследования закрученных потоков необходимы для создания реалистичных моделей технологических процессов и природных явлений, протекающих в атмосфере и в водной среде.

В технических приложениях используются свойства закрученных потоков позволяющие стабилизировать процессы при протекании химических реакций, выравнивать температурные неоднородности. Широко используется закрутка для сепарации потоков запылённых твердыми частицами или аэрозолями. Одним из известных методов организации переработки дисперсных материалов является флотация. Обычно флотацию организуют в поле сил тяжести. Мелкие фракции в таких аппаратах следуют за потоком, при этом разделение ухудшается либо становится невозможным. Если среда приводится во вращение, поле центробежных сил изменяет баланс сил, действующих на частицу. При этом происходит существенное повышение эффективности процесса разделения. Вихревые камеры (Рис. 1.1.1.В) применяются для интенсификации процесса теплообмена между частицами и

на преграду; В- локализация нагретого потока в приосевой области вихревой камеры.

потоком воздуха, для организации эффективного сжигания топлива, для стабилизации плазменного шнура в плазмотронах, для тепловой защиты стенок каналов и в ряде других процессов.

1.2. Характеристики, используемые при описании закрученных потоков

Можно выделить два характерных типа закрученных течений (Рис. 1.2.1.):

1. квази- твёрдое вращение (вынужденный вихрь), в случае когда окружная компонента скорости линейно растёт с радиусом относительно оси вихря: и9=к-г (1.2.1)

2. свободный вихрь, окружная компонента скорости обратно пропорциональна расстоянию от оси вихря

иф=- (1.2.2)

г

Часто для анализа закрученного потока используют комбинации двух этих типов вращения. Примером этому может служить вихрь Рэнкина: приосевой области поток вращается по закону твёрдого тела, а начиная с некоторого радиуса Я* по закону свободного вихря. Часто распределение окружной компоненты скорости аппроксимируют эмпирическими зависимостями по типу вихря Ренкина или Бюргерса:

и, (г, 2) = и, (Я, г) * (1 - ехр(-Б(г)(г / Л)2))

(1.2.3)

где для описания множителя В (г) используются различные эмпирические зависимости.

Для характеристики закрученных потоков используют такие параметры как завихрённость со = г<н¥ и циркуляцию Г = ри(рг. В случае квази- твёрдого

вращения завихрённость не равна нулю. Для свободного вихря осевая и радиальная компоненты завихренности равны нулю.

Из теоремы Стокса следует, что циркуляция Г - есть интеграл осевой компоненты завихренности по площади окружности, ограниченной радиусом

Я:

Г = яЯ 2£

(1.2.4)

для вынужденного вихря

к -

(1.2.5)

и распределение давления:

(1.2.6)

я

Рис. 1.2.1. Распределение окружной скорости: 1- область квази- твёрдого вращения; 2- квазипотенциальный вихрь.

Существует большое число различных параметров для оценки интенсивности закрутки потока, определяемых через геометрические характеристики закручивающего устройства. Как показано в [109] на основе обработки большого количества экспериментального материала, наиболее полно основные характеристики потока не зависимо от способа организации закрутки, обобщаются с помощью интегрального параметра крутки

)ри9игг2<Ь

5 = ^--(1.2.7)

о

который является отношением осевой составляющей потока момента импульса к произведению осевой составляющей потока импульса на радиус канала Я. В [106] установлено, что при использовании завихрителей различной геометрии только в области, непосредственно примыкающей к закручивающему устройству г «(0.5...5)£), где Э - характерный размер канала, распределение скорости и давления определяются геометрическими параметрами завихрителя. На основном участке течения поле течения зависит только от интенсивности закрутки 8.

При этом, по-видимому, существует некоторое пороговое значение 0.23 < 5* < 0.3, начиная с которого профиль окружной скорости может быть разбит на область квазитвердого вращения и квазипотенциальный вихрь. Во многих практических приложениях одним из наиболее важных явлений в закрученных потоках можно считать существование рециркуляционной зоны, в которой осевая компонент скорости направлена против основного течения. Известно [73], что в случае слабо закрученных потоков при 8<0.4 осевая компонента скорости не меняет знака, а при Э>0.6 в устройствах с прямым выходом наблюдается зона обратных токов.

Как и для других вязких течений, основным режимным параметром потока в вихревой камере является число Рейнольдса Яе. В закрученных потоках вводят дополнительный параметр- параметр крутки 8. Однако, как отмечается в [46], они не дают однозначного описания картины течения. В частности,

-6-

существенное влияние могут оказывать условия на выходе камеры и на глухом торце камеры. При одних и тех же расходах и параметре крутки, но разных граничных условиях в камере могли возникать различные типы течений. Закрученные потоки, как правило, обладают винтовой симметрией, что позволяет ввести новые критерии для характеристики ограниченных закрученных потоков. В [46] предлагается использовать / «шаг винта» и и°2 «скорость невозмущённого потока». Эти параметры связывают между собой окружную и тангенциальную компоненты скорости: иг =и°2 +гид>/1 = и°2+ Г/1 (1.2.8)

Для анализа закрученных течений в работах [89] предлагается использовать спиральность Спиральность это скалярное произведение локальной компоненты скорости на завихрённость потока в данной точке течения:

Н = (Об))^ где V _ В6КТОр скорости, ® = го(0, Наличие спиральности {н * в вихревом потоке приводит к формированию устойчивых вихревых структур. Физически это означает, что вихревые линии совпадают с траекториями движения жидких «частиц» и являются винтовыми линиями. Внутренняя структура потока и её устойчивость зависит от величины спиральности [90].

Известно, что закрутка потока может приводить как к подавлению турбулентности при обтекании закрученным потоком выпуклой поверхности, так и повышать интенсивность пульсаций скорости при обтекании вогнутой стенки. Исследования закрученного течения в трубе показали, что вращение стенок может оказывать различное воздействие на турбулентные характеристики течения. Когда число Рейнольдса мало и течение на входе в трубу ламинарное, её вращение дестабилизирует поток [19]. С другой стороны вращение трубы оказывает стабилизирующее влияние на развитое турбулентное течение. В этом случае наблюдается снижение гидравлических потерь и деформация профиля осевой скорости к форме близкой к ламинарному распределению [30].

Влияние вращения на турбулентные характеристики потока экспериментально с использованием лазерно- доплеровского анемометра

исследовались в [18]. Наиболее сильно вращение сказывается на интенсивности пульсаций радиальной компоненты скорости. Величина турбулентной энергия снижается на 18% при интенсивности закрутки и ¡иг—\. Воздействие

центробежных сил на турбулентность можно, следуя [5], представить в виде зависимости длины пути смешения / от Ю числа Ричардсона: / = /0(1 - /? • Ш), где

Щ д(гЦу)

г2 дг

(диЛ 2 + (гд{ищ1г)Л

1 дг 1 дг )

Во вращающейся трубе циркуляция растёт с ростом радиуса, поэтому число Ричардсона положительно. А так как № > 0, это означает, что вращение стенок трубы приводит к стабилизации турбулентного потока.

Коэффициент асимметрии у3 = (м3)/(«2)3/2 в незакрученном турбулентном потоке, втекающем в трубу с вращающимися стенками меньше нуля. В случае закрутки потока, по мере увеличения интенсивности крутки, значения коэффициента асимметрии стремятся к нулю [18, 45, 23]. Это является индикатором того, что в закрученном потоке пульсации скорости, генерируемые вблизи стенки трубы, подавляются. Результаты измерений [18] показывают, что величина четвёртого момента у4 = (и4)/(и2)2 растёт с увеличением интенсивности крутки. Максимальные значения у4 наблюдались при г/Я=0.9 вблизи стенок трубы, а при г->0 значения коэффициента эксцесса не зависят от наличия вращения в трубе. Большие положительные значения у3 и у 4 свидетельствуют о перемежаемости в пристенном потоке [39].

В случае течения закрученного потока в трубе с неподвижными стенками распределения турбулентных характеристик имеет несколько иной характер. Так в [8] экспериментально с помощью термоанемометра исследовано течение в слабозакрученном потоке 5 <0.4, где в частности, показано, что в приосевой области течения коэффициент асимметрии в приосевой области течения имеет максимум. уг становится отрицательным в координате г, где интенсивность пульсаций продольной компоненты максимальная. Коэффициент эксцесса в

этой области имеет минимальное значение. Отмечается, что такой характер распределения у3, уА для осевой компоненты скорости, а также то что уъ для осевой и радиальных компонент имеют разный знак, является объективным индикатором существования в приосевой области когерентных структур. В [8] сделан вывод, что турбулентная структура закрученного потока в трубе и в диффузоре определяется свойствами течения в пристенной области.

1.3. Гравитационный кипящий слой

Кипящий в поле силы тяжести слой зернистого материала широко используется для проведения химических реакций различного сорта, тепло- и массообменных процессов. Первое упоминание о промышленном применении кипящего слоя относится к 1556 году в работе G. Agrícola, где сообщается о технологической операции, по сути дела являвшейся применением псевдоожиженного слоя для обогащения руд. Первым крупным успешным применением техники псевдоожижения газом стал каталитический крекинг нефти в годы II Мировой войны. К настоящему времени наработан большой практический опыт, разработаны математические модели [52,50,77] описания псевдоожиженного слоя.

В соответствии с физической моделью псевдоожижения [52] процесс можно представить следующим образом. Слой частиц, свободно лежащий в поле силы тяжести, оказывает сопротивление потоку газа, проходящего сквозь него. При восходящем движении газа силы сопротивления стремятся перестроить

Расширение плотного слоя

Режим псебдоожи жения

Режим пневмо-транс^ порта.

Жадность Газ

В

kjrjj

! «у

Pi Чл

• ••

• •

• ••

• •

• • •

• •

• • •

• •

• • •

• •

• ••

кость

ь

£

_

Жид- Газ кость

• •

• • »

• • •

• • • ••

• • •

• • • ; s

•L • • • :

•

• • « *

• • •

« • »♦ «

w2

кость

Скорость потока ожижающей среды

Рис. 1.3.1. Схема состояний псевдоожиженного слоя в восходящем потоке ожижающей среды

расположение частиц таким образом, чтобы слой оказывал меньшее сопротивление. Если слой состоит из не очень крупных частиц, то он будет при этом расширяться. От точки О до точки В (Рис. 1.3.1) происходит фильтрация без псевдоожижения, соответственно перепад давления описывается соотношениями для фильтрации в пористом теле. При дальнейшем увеличении скорости восходящего потока газа достигается состояние (точка D на Рис. 1.3.1), при котором силы гидродинамического сопротивления, приложенные к частицам, становятся достаточными для взвешивания зернистого материала. В этом состоянии система несущий газовый поток- слой частиц начинает вести себя как жидкость. На участке D-E перепад давления практически постоянный и определяется весом слоя, отнесенным к площади поперечного сечения аппарата. Перед этим перепад в псевдоожиженном слое может быть несколько выше (участок B-D) в случае частиц слоя с характерным размером ~1 мм.

Для описания частиц псевдоожиженного слоя в зарубежной литературе часто используют классификацию Гелдарта (Рис. 1.3.2) [14], разработанную для псевдоожижения при комнатных температурах и атмосферном давлении в потоке воздуха.

к

Си

:г О.

1Е-Щ1

диаметр частиц, мкм

Рис.1.3.2 Классификация частиц по Гелдарту

Группа А - характерные размеры частиц 50... 100 мкм; при постепенном увеличении скорости фильтрации высота слоя частиц растёт начиная от скорости начала псевдоожижения м/, до скорости начала образования пузырей

Группа В - более крупные частицы, увеличения толщины слоя почти не происходит, начало ожижения всегда сопровождается образование пузырей.

Группа С - материалы плохо поддающиеся псевдоожижению.

Группа О- отличается от частиц группы В особенностями течения пузырей.

Закон сопротивления для неподвижного слоя зернистых материалов может быть записан [94] в виде (по аналогии с законом сопротивления при фильтрации):

Ар - потеря напора потока газа или жидкости через слой; м> - скорость потока газа; р- плотность потока газа; с!э- эквивалентный диаметр межзерновых

каналов Хсл - коэффициент гидравлического сопротивления слоя. В литературе имеется большое число зависимостей для определения Ясл вида: Лсл = —— + В. Ламинарный режим

Гидравлическое сопротивление зернистого слоя высотой Ь в условиях ламинарного режима движения часто определяется с помощью уравнения Козени-Кармана

Др /ДУр (1-£)2

Ь ~ к й2 е2

константа Козени ^=180, хотя разные авторы предлагают выбирать значение в диапазоне 150... 200.

Закон сопротивления для ламинарного режима движения потока удобно выражать в обобщенном виде критериальным уравнением Ьа = 200Г

Ьа = Яе- Ей = Л— - критерий Лагранжа, характеризующий соотношение сил

давления и внутреннего трения в системе. = модифицированное

// 1 -е

число Рейнольдса с учетом порозности и коэффициента форма частиц слоя.

¿э

Турбулентны