Давиденко Борис Вікторович. Теплообмін, гідродинаміка і процеси диспергування в роторно-пульсаційних та в моногрануляційних апаратах

brief description

Давиденко Борис Вікторович. Теплообмін, гідродинаміка і процеси диспергування в роторно-пульсаційних та в моногрануляційних апаратах : Дис... д-ра наук: 05.14.06 - 2009.

Давиденко Б.В. Теплообмін, гідродинаміка і процеси диспергування в роторно-пульсаційних та в моногрануляційних апаратах. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ, 2009.
Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальних проблем динаміки і теплопереносу в гетерогенних системах рідина-рідина”, що стосуються технологій монодисперсного гранулювання речовин і виробництва дрібнодисперсних емульсій в роторно-пульсаційних апаратах (РПА). Вказані пристрої широко застосовуються в харчовій, хімічній, переробній та ін. галузях промисловості. В роботі наведено результати чисельних досліджень гідродинамічних і теплових процесів, що протікають в моногрануляційному устаткуванні та в робочих об'ємах РПА. Знайдено основні закономірності тепловіддачі від сферичних крапель рідини, що рухаються в грануляційній колоні, до термоформуючого середовища, досліджено закономірності деформації поверхонь крапель, що вільно падають у в'язкому середовищі. Знайдені характерні значення чисел Вебера, за яких краплю можна вважати близькою по формі до сферичної і за яких поверхня краплі внаслідок значних деформацій руйнується.
За результатами чисельних досліджень знайдені закономірності ламінарної і турбулентної течії та теплопереносу в рідких середовищах, що обробляються в циліндричних РПА. Досліджено структуру потоку і теплові дисипативні ефекти в робочому об'ємі РПА. Виявлено ефекти вихроутворення на окремих ділянках течії в різні моменти часу та пульсаційну зміну у часі динамічних характеристик потоку. Одержано залежності основних технічних характеристик РПА циліндричного типу від в'язкості середовища, а також від його конструкційних та режимних параметрів. Виконано порівняння динамічних характеристик РПА з різним компонуванням робочих органів.
Побудовано метод розрахунку траєкторій дисперсних частинок в робочому об'ємі РПА і спосіб визначення кількості актів їх подрібнення. На цій основі розроблено метод оцінки середнього діаметра частинок емульсії після обробки гетерогенного середовища в апараті. Знайдено залежності середнього діаметра частинок від конструкційних та режимних параметрів РПА. Побудовано метод оптимізації цих параметрів для забезпечення при заданому середньому розмірі дисперсних частинок максимальної продуктивність апарату, або мінімальних енерговитрат на реалізацію процесів подрібнення рідких частинок в процесах виробництва гомогенізованих продуктів.

Основні результати досліджень теплообміну, гідродинаміки і процесів диспергування в роторно-пульсаційних та в моногрануляційних апаратах можна сформулювати в наступному вигляді:
1. З результатів розв’язання спряженої задачі теплообміну краплі рідини, що вільно падає під дією сили тяжіння в в’язкому середовищі, випливає, що:
- коефіцієнт гідродинамічного опору сферичної краплі зменшується зі збільшенням відношення коефіцієнту в'язкості середовища до коефіцієнту в'язкості рідини краплі і зменшується зі збільшенням числа Рейнольдса.
- коефіцієнт тепловіддачі з поверхні краплі зменшується з ростом відношення коефіцієнту теплопровідності зовнішнього середовища до коефіцієнту теплопровідності рідини краплі і збільшується зі збільшенням числа Рейнольдса та відношення коефіцієнту в'язкості середовища до коефіцієнту в'язкості рідини краплі.
2. Розроблений метод розрахунку деформації краплі при її вільному падінні в рідкому середовищі можна використати для оцінки стабільності сферичної форми частинок у процесах моногрануляції. Отримані результати використані для визначення висоти грануляційної колони та часу перебування в ній краплі в технологіях моногранулювання та капсулювання речовин.
3. Аналіз структури потоку в робочій зоні роторно-пульсаційного циліндричного апарата показав, що течія в’язкої рідини в каналах ротора і статорів має переважно циркуляційний характер, що сприяє реалізації інтенсивних процесів перемішування, диспергування та гомогенізації гетерогенного середовища. Витрата рідини в радіальному напрямку збільшується як з ростом перепаду зовнішнього тиску, так і зі зменшенням в'язкості середовища. Радіальна витрата рідини через робочу зону в більшості випадків перевищує витрату в тангенціальному напрямку.
4. Збільшення в'язкості оброблюваного середовища приводить до збільшення моменту сил гідродинамічного опору, що діють на ротор, а також до зростання потужності джерел тепловиділення внаслідок дисипації механічної енергії, але це збільшення не пропорційне росту в'язкості, оскільки збільшення в'язкості знижує інтенсивність швидкостей деформації потоку.
5. В моменти взаємного перекриття прорізів ротора і статорів спостерігається пульсаційна зміна динамічних характеристик потоку. Перепади тиску в робочому просторі апарату становлять від -60 кПа в області розрідження до +80 кПа в області надлишкового тиску (відносно тиску на вході в робочу зону). Прискорення потоку при цьому перевищує 104g. З ростом в'язкості середовища, а також зі збільшенням перепаду зовнішнього тиску зазначені тенденції посилюються. Найбільш високі імпульси тиску, швидкості та прискорення потоку спостерігаються в області кромок прорізів ротора і статорів у момент їх найбільшого зближення. Тривалість зазначених імпульсів становить близько 20 мкс. Це свідчить про дискретний у просторі і імпульсний у часі механізм підведення енергії в робочу зону РПА.
6. При зменшенні ширини зазорів між ротором і статорами зростають швидкості деформації потоку, градієнти тиску, нормальні і дотичні напруження. Зменшення ширини зазору приводить також до збільшення потужності джерел дисипативного тепловиділення в потоці та до збільшення перегріву оброблюваного середовища. Збільшення кількості радіальних прорізів в робочих елементах, а також збільшення швидкості обертання ротора сприяє росту продуктивності апарата, проте при цьому також зростають дисипативні тепловиділення.
7. В робочій зоні РПА реалізуються як інерційний, так і в’язкісний механізми подрібнення частинок, а у випадку турбулентної течії турбулентний механізм подрібнення. Реалізації цих механізмів сприяє ефект дискретно-імпульсного введення енергії, що приводить як до імпульсного прискорення дисперсних частинок, так і до збільшення динамічної дії на частинку з боку дисперсійного середовища.
8. Дослідження впливу конструкційних і режимних параметрів РПА на розмір дисперсних частинок в рідкому гетерогенному середовищі показали, що середній діаметр частинок зменшується при зменшенні ширини зазору між робочими елементами, збільшенні кількості радіальних прорізів та при збільшенні швидкості обертання ротора.
9. На основі отриманих результатів побудовано метод оптимізації конструкційних та режимних параметрів РПА, який дає можливість сформулювати рекомендації щодо їх проектування та експлуатації в технологіях перемішування, подрібнення та гомогенізації рідких дисперсних середовищ.