Методика расчета и моделирование процесса диссипации энергии в механических пеносмесителях пожарных автомобилей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат наук Савенкова, Анастасия Евгеньевна

• Савенкова, Анастасия Евгеньевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Савенкова, Анастасия Евгеньевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД

1.1. Перемешивание жидких сред как основа приготовления огнетушащих растворов

1.2. Направления развития техники механического перемешивания жидких сред

1.3. Перенос вещества и теплоты при перемешивании жидких сред

1.4. Постановка задачи исследования

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Технические характеристики использованных жидкостей и химических реактивов

2.2. Описание экспериментальной установки

2.3. Использованные методики описания гидродинамики вихревых аппаратов

2.4. Математическое и статистическое моделирование

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПИСАНИЯ

ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ВИХРЕВЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЯХ

3.1. Особенности диссипации энергии в пространственно-неоднородном турбулентном потоке

3.2. Скорость диссипации энергии в вихревом аппарате

3.3. Перенос массы при перемешивании суспензий

3.4. Перенос пассивной примеси в аппарате с учетом неоднородности турбулентного потока

3.5. Оценка качества перемешивания

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНЫХ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ

4.1. Исследование скорости диссипации энергии в вихревых механических смесителях

4.2. Перешивание при приготовлении пожаротушащих смесей

4.3. Растворение пенообразователя в вихревых механических смесителях

Глава 5. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА

ПЕНООБРАЗУЮЩУЮ И ОГНЕТУШАЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ВОДЫ И

ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета и моделирование процесса диссипации энергии в механических пеносмесителях пожарных автомобилей»

ВВЕДЕНИЕ

Анализ обстановки с пожарами и последствий от них на территории Российской Федерации показывает, что не смотря на снижение количества пожаров и размера ущерба, причиненного народному хозяйству, уровень их пока остается достаточно высоким - 423 пожара происходило в Российской Федерации ежедневно в первом полугодии 2013 года. Большое значение для успешного проведения действий по тушению пожаров имеет качество и эффективность не только применяемого для тушения оборудования, но и огнетушащих веществ.

Пена — дисперсная система, состоящая из ячеек - пузырьков воздуха (газа), разделенных пленками жидкости, содержащей стабилизатор пены.

Пена как средство тушения имеет ряд достоинств: возможность тушения пожаров больших площадей; существенное сокращение расхода воды; возможность объемного тушения; возможность подслойного тушения нефтепродуктов в резервуарах; повышенная (по сравнению с водой) смачивающая способность. Пена способна растекаться по поверхности горящего материала, поэтому при тушении пеной не требуется одновременное перекрытие всего зеркала горения.

Пена получается в результате химической реакции щелочной и химической составляющих (выделяющийся углекислый газ вспенивает водный щелочной раствор); или путем механического перемешивания пенообразующего раствора с воздухом.

С этой целью требуется заранее приготовить пенообразующий раствор. Для этого применяются так называемые аппараты с мешалками (перемешивающими устройствами), которые находят самое широкое применение для приготовления смесей на основе жидких сред. Достигается высокая эффективность изучаемого процесса за счет интенсификации гидродинамических факторов, оказывающих влияние на перенос массы. Связано это в первую очередь с простой и

безопасностью таких аппаратов, высокой степенью использования механической энергии, затрачиваемой на перемешивание жидких сред.

В последнее время наблюдается определенный прогресс в области прикладных исследований гидродинамики классических аппаратов с мешалками. Проведенные исследования позволили разработать новые устройства для приготовления смесей самого различного назначения. В этой связи перспективным оборудованием можно считать вихревые аппараты, где в качестве перемешивающего устройства используются роторы различной конструкции. Рабочий объем такого аппарата не превышает нескольких литров, за счет чего достигается высокая скорость диссипации энергии при равномерном ее распределении по объему. Построение надежных методов создания таких аппаратов в первую очередь связано с изучением затрат энергии на перемешивание, особенностей макро и микроструктуры перемешиваемой среды, а также процессов переноса массы в системах жидкость—твердое тело. Что является весьма актуальной задачей не только для расчета вихревых аппаратов, но и для понимания процессов перемешивания в жидких средах в целом.

Цель исследования — изучение особенностей процесса механического перемешивания жидких сред, осложненного растворением твердых компонентов, в вихревых механических смесителях при больших скоростях диссипации энергии и разработка научных основ их функционирования применительно к приготовлению пенообразующих растворов.

Решались следующие задачи:

— разработать модель и методики расчета, описывающие специфику процессов перемешивания в вихревых механических смесителях, позволяющие количественно оценить возможность и качество приготовления в них пенообразующих рецептур;

— экспериментально подтвердить тождественность результатов моделирования и расчетных методик, описывающих перемешивание при высоких

скоростях диссипации энергии в механических смесителях пожарных автомобилей;

— выявить влияние электрофизического воздействия на стабильность генерируемых пен и воды как огнетушащего вещества при их подготовке в вихревых механических смесителях специальных пожарных автомобилей типа АЦ.

Объект исследования - особенности гидродинамики и массообмена перемешивания при высоких скоростях диссипации энергии растворов пенообразователей в механических вихревых смесителях для пожарных автомобилей.

Предмет исследования — математическое моделирование и методика расчета процесса перемешивания, а также его экспериментальная проверка для различных конструкций механических вихревых смесителей при приготовлении пенообразующих растворов на пожарных автомобилях.

Методы исследования. Математические методы разработки и анализа моделей перемешивания жидких сред в механических вихревых смесителях для их последующей экспериментальной верификации и разработки методик их сравнительной оценки возможности применения в качестве пеносмесителей пожарных автомобилей.

Научная новизна работы заключается в:

— разработке рабочей гипотезы, основанной на изучении эволюции поля диссипации энергии в жидкости, заключающейся в необходимости учета его неоднородности, и ее последующем экспериментальном доказательстве;

— экспериментальном подтверждении адекватности установленных аналитических зависимостей для коэффициента продольного перемешивания и их проверке для системы жидкость — твердое на основе разработанных методик расчета коэффициента массоотдачи;

— обнаружении влияния электрофизического воздействия на воду и водные растворы пенообразователей, способствующего повышению устойчивости

воздушно-механической пены и огнетушащей способности воды, а также снижению критической концентрации мицеллообразования в водных растворах пенообразователя.

Практическая значимость исследования заключается в:

— установлении закономерностей диссипации энергии в вихревых механических смесителях и выявлении тенденций минимизации неоднородности поля диссипации для роторов с развитой поверхностью;

— разработке методики оценки однородности перемешивания путем установления взаимосвязи между отклонением концентрации в пробах раствора и объемами не полностью перемешанных областей;

— разработке практических рекомендаций по переоборудованию специальных пожарных автомобилей вихревыми механическими смесителями в комплексе с коробкой отбора мощности и промышленного генератора переменного частотно-модулированного сигнала.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в проектную деятельность ООО «Пожнефтехим» г. Санкт-Петербург и в учебный процесс Санкт-Петербургского технологического института (технического университета).

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных заседаниях кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг, прогнозирование и моделирование опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций» (г. Железногорск, 2013), Международной научно-практической конференции «Современное общество, наука и образование: модернизация и инновации» (г. Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях согласно перечню ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 106 источников, приложения. Общий объем работы 149 страниц, 11 таблиц, 32 рисунка.

Глава 1. Анализ процесса механического перемешивания жидких

сред

1.1. Перемешивание жидких сред как основа приготовления

огнетушащих растворов

Улучшение качества процессов перемешивания, в том числе и приготовления, является сложной комплексной проблемой, решение которой может быть осуществлено только на основе системного подхода, который в настоящее время можно считать основным методом исследования сложных явлений и процессов.

Системный анализ основан на общих научных принципах, которые применяются при решении любой задачи системного характера. К ним можно отнести [1]:

— формулировка цели исследования;

— постановка задачи по реализации этой цели и определению критериев эффективности решения задачи;

— разработка развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи;

— последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов;

— принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении основных задач.

С этих позиций перемешивание - это совокупность процессов направленного формирования гетерогенной (или гомогенной) среды (смеси), цель которых — обеспечить максимально возможное проявление важных свойств смеси при наименьших экономических затратах.

Начальным этапом системного анализа является представление условности изучаемой системы (смеси), которая противодействует своему окружению —

среде. Отнесение некоторого признака в системе зависит от его влияния на достижение конечной цели - получить среду с необходимыми свойствами.

С позиций системного анализа процесс перемешивания как система представлен на рисунке 1.

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

I ПОДГОТОВКА КОМПОНЕНТОВ V ОТВОД ЦЕЛЕВЫХ И ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

II СОСТАВ И СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ VI СПОСОБЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА

III СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ VII ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ

IV ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ

Рисунок 1. Структура системы, представляющей процесс перемешивания.

В общем случае в системе «Перемешивание» можно выделить семь подсистем более низкого уровня иерархии. Так подсистема «Физико-химические явления, развивающиеся при перемешивании» напрямую связана с подсистемой «Энергетические воздействия на обрабатываемую среду». Данные подсистемы связаны с этапами конкретного технологического процесса переработки исходных компонентов в конечный продукт с необходимыми свойствами. Однако роль отдельных подсистем не является одинаковой. Свойства конечной смеси в

основном зависят от имеющих место при перемешивании физико-химических преобразований ее структуры, которые вызваны интенсивным энергетическим воздействием. В связи с этим наибольший интерес представляет анализ подсистем IV и VII.

Так подсистема «Энергетические воздействия на обрабатываемую среду» является главной (основной) частью общей химико-технологической системы. Она состоит из элементов, которые в совокупности в основном определяют особенности процесса перемешивания, а, следовательно, его конечный результат. Структура этой подсистемы приведена на рисунке 2.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ

ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ УСЛОВИЯ ПОДВОДА ЭНЕРГИИ К СРЕДЕ СРЕДСТВА ПОДВОДА ЭНЕРГИИ

ПРОСТОЕ ИНТЕНСИВНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОВОКУПНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ

КОМБИНИРОВАННОЕ ВРЕМЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАШИНА (АППАРАТ)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТ МАШИНЫ (АППАРАТА)

Рисунок 2. Структура подсистемы «Энергетические воздействия на обрабатываемую среду».

В данной подсистеме энергетическое воздействие предполагает, что оно передается от источника (например, механического перемешивающего устройств) к обрабатываемой среде (смеси, жидкость) [2,3,4]. В отдельных случаях первичные воздействия непосредственно не вызывают перемешивание, но приводят к вторичным воздействиям, которые и обеспечивают требуемый

результат. Так, электрический разряд в жидкости приводит к резкому повышению давления, которое и обеспечивает энергетическое воздействие в смесителе электрогидравлического типа. Вторичные эффекты в описанной иерархической структуре также можно отнести к физико-химическим процессам, имеющим место при перемешивании.

Различают два вида энергетического воздействия: простое и комбинированное. С этих позиций перемешивание за счет вращающейся мешалки можно отнести к простому перемешиванию, а в совокупности с акустическим излучателем оно становиться комбинированным. Если рассматривать работу роторно-пульсационных аппаратов, то имеющиеся в нем воздействия можно отнести к комбинированным в случаях, когда механическое воздействие ротора сочетается с пульсациями потока в режиме автоколебаний. В дальнейшем будет показано, что комбинированное воздействия частично может быть реализовано также в вихревом аппарате с ротором со стержнями.

Устройства для энергетического воздействия на жидкость (смесь) могут представлять собой, как отдельный конструктивный элемент аппарата (например, мешалка), так и их совокупность (например, перемешивающее устройство совместно с приводом). В рамках данной работы под устройством для энергетического воздействия мы будем понимать только тот конструктивный элемент, который непосредственно осуществляет механическое воздействие на среду - ротор аппарата.

Условия, при которых осуществляется подача энергии к обрабатываемой среде, — это совокупность технологических параметров (скорость вращения рабочего органа, температура, давление и т.д.). Их большое многообразие определяется существованием большого числа способов и технических средств реализации процесса перемешивания.

Рассмотрим подсистему «Физико-химические явления, развивающиеся при перемешивании», которая тесно связана с энергетическим воздействием на смесь. Большое многообразие физико-химических явлений, которые имеют место при

перемешивании, представляется условно разбить на три большие группы, те явления, которые происходят:

— во всем объеме среды;

— на границе раздела фаз (в гетерогенной смеси);

— на поверхности или вблизи рабочих органов смесителя.

К явлениям, происходящим в объеме среды, относятся тепло- и массоперенос, химические реакции, перенос количества движения и т.п. На границе раздела фаз имеют место самые различные межфазные явления (например, при растворении твердых частиц или экстракции). Явления адгезии наблюдаются на поверхности рабочих органов аппарата. В результате проявления этих явлений могут быть отрывные течения, проскальзывания, налипания элементов среды. На рисунке 3 изображена схематическая связь этих явлений, которая показывает неразрывную взаимосвязь процессов, протекающих при перемешивании.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ

ЯВЛЕНИЯ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ В ОБЪЕМЕ СРЕДЫ

ЯВЛЕНИЯ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ ЯВЛЕНИЯ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ НА ПОВЕРХНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

Рисунок 3. Схема подсистемы «Физико-химических явления, развивающиеся при

перемешивании».

При анализе подсистемы «Способы и средства контроля и регулирования качества» необходимо выделить и рассмотреть элемент ее структуры, который отражает способ контроля качества перемешивания (рисунок 4) [5, 87].

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

ОПЕРАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

МЕТОДИКА ЗАМЕРА МЕСТО ЗАМЕРА

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОБЪЕМ ПРОБЫ

Рисунок 4. Схема подсистемы «Способ контроля качества»

Способ контроля предполагает выделение операционных и геометрических факторов. Операционные факторы содержат методику замера и методику оценки качества перемешивания. Они во многом зависят от места замера и объема изучаемой смеси, при этом осуществляется формирование геометрических факторов. Способ контроля качества смеси выступает в роли одного из главных элементов химико-технологической системы «Перемешивание», так как именно он призван судить о достижении требуемого результата в процессе обработки смеси.

При формировании перечня необходимых исследований исходили из того, что дальнейшее улучшение техники механического перемешивания требует рационального выбора соответствующего оборудования, задание близких к оптимальным их конструктивных параметров и режимов работы. Достичь столь важную цель представляется возможным с использованием методов математического моделирования процесса перемешивания с учетом режимов работы смесителя.

При описании процесса перемешивания требуется установить качественные и количественные связи между свойствами исходных компонентов, технологическими режимами проведения самого процесса, особенностями конструкции смесителя и свойствами получаемой при этом смеси.

Выявление подобных связей в первую очередь предполагает задание параметров, описывающих изучаемый процесс. Как правило, с этой целью для

дальнейшего анализа применяют фундаментальные числа (критерии) подобия (критерий Рейнольдса, Фруда, Прандтля и т.д.).

Также необходимо использовать параметры, которые должны непосредственно отражать характер энергетического воздействия на среду. К таким параметрам можно отнести скорость диссипации энергии (Вт/кг) в объеме аппарата, которая, как будет показано дальше, выступает в роли инварианта для всех процессов переноса, имеющих место при перемешивании.

Отсюда следует, что необходимо установить:

— связь между конструктивными параметрами аппарата с достигаемым при этом энергетическим воздействием;

— зависимость основных параметров процесса перемешивания от интенсивности энергетического воздействия.

Для решения первой задачи требуется выполнить анализ тенденций развития техники перемешивания, обращая в основном внимание на особенности энергетического воздействия, а также определить, при каких гидродинамических условиях они реализуются. В результате решения этой задачи представляется возможность осуществить рациональный выбор конструкции аппарата и определить направления ее дальнейшего совершенствования с целью проведения конкретного технологического процесса.

В рамках решения второй задачи необходимо разработать основы научно-обоснованной инженерной методики расчета мощности, затрачиваемой на перемешивание, а также предложить описание гидродинамических условий и процесса переноса в изучаемых аппаратах. В этом случае становится возможным установить конструктивные параметры смесителя и определить оптимальные режимы работы.

Необходимо выполнить обоснование и выбор критерия оценки качества перемешивания, который бы позволил установить связь геометрических и операционных факторов контроля качества с параметрами перемешивания.

1.2. Направления развития техники механического перемешивания

жидких сред

Аппараты, в которых обрабатываемой средой является жидкость, достаточно часто применяются в промышленности. Процессы переноса в жидкой среде могут проводиться, как в однофазной среде, так и в двухфазной (эмульсиях или суспензиях). С целью их интенсификации широко применяются аппараты с механическими перемешивающими устройствами (мешалки), которые могут иметь самые различные конструкции.

Мешалки можно разделить на два основных типа: быстроходные и тихоходные. К быстроходным мешалкам можно отнести пропеллерные и турбинные различных типов, а также специальные виды мешалок, например, дисковые, лопастные, фрезерные [2]. Данные перемешивающие устройства, приводя в движение жидкость, обеспечивают ее крупномасштабную циркуляцию в аппарате. Исходя из формы лопаток (лопастей) и способа их установки быстроходные мешалки могут создавать радиальный, осевой и радиально-осевой потоки жидкости.

В результате исследования гидродинамики аппаратов с быстроходными мешалками [3,4] было установлено, что наибольшие скорости и самая большая турбулентность жидкости имеет место в районе расположения вращающейся мешалки. При этом предлагается выделять в объеме аппарата две зоны - зону мешалки, где имеет место наиболее интенсивное перемешивание, и зону циркуляции, где наблюдается слабое перемешивание и жидкость движется с меньшими скоростями [4].

1/4

Из -за небольшого размера мешалок (Х)т/£)а= —, где Г)т, Е)а — диаметр

мешалки и аппарата соответственно) объем аппарата используется недостаточно эффективно. В целях увеличения интенсивности на валу устанавливают несколько мешалок, используют шарнирно закрепленный вал и планетарные мешалки [2]. Простота конструкции и удобство в эксплуатации аппаратов с

быстроходными мешалками являются их основными достоинствами. Поскольку в промышленности накоплен большой объем опытных данных, то нет проблем при проектировании аппаратов со стандартными мешалками этого типа.

Основной недостаток быстроходных мешалок — это крайняя неоднородность структуры потока, в результате в аппарате обеспечивается скорость диссипации энергии на весьма незначительном уровне (~1 Вт/кг). Неравномерность по объему следующая: до 20% энергии рассеивается в области мешалки, 50% - в потоке от лопастей и 30% - в остальном объеме, что затрудняет проведение процессов, требующих интенсивного перемешивания.

Для перемешивания высоковязких жидкостей находят применение тихоходные мешалки [3]: скребковые, ленточные, рамные, шнековые и т.д. Они обеспечивают главным образом поток жидкости вдоль стенки аппарата, т.е. жидкость вращается вокруг оси аппарата, и имеют размеры, сравнимые с размерами аппарата. При этом при их применении обеспечивается более равномерное распределение подводимой энергии по объему аппарата. Но из-за ограничений по скорости вращения мешалок в этом случае также не удается получить большую скорость диссипации энергии [6].

Определенное распространение также нашли вибрационные мешалки, особенностью которых является генерация мелкомасштабных потоков в результате крутильных или поступательных колебаний перемешивающего устройства. Это позволяет достичь хорошей равномерности диссипации подводимой энергии в объеме обрабатываемой среды [7]. Вибрационные мешалки, как правило, изготавливают в форме диска с отверстиями определенной формы (для поступательных колебаний) либо в форме диска с лопастями (для крутильных колебаний). При использовании виброперемешивания имеются значительные трудности по созданию общей циркуляции перемешиваемой жидкости, как правило, требуется устанавливать нескольких вибраторов или использовать вращающуюся мешалку. В этом случае значительно возрастает сложность конструкции перемешивающего устройства и его привода.

В случае, когда для проведения массообменного процесса необходимо чрезвычайно активное перемешивания, находят применение роторно-пленочные аппараты [8,9]. При этом перемешивающее устройство (ротор) представляет собой вал с закрепленными шарнирно лопатками, и силовое воздействие оказывается на среду, распределенную в виде тонкой пленки между стенкой корпуса и лопастями ротора. Благодаря этому достигается высокая равномерность диссипации подводимой энергии и значительная скорость процессов тепло- и массопереноса. Недостатком подобных аппаратов является сложность их изготовления и эксплуатации.

Достигнуть более интенсивного перемешивания вязких сред возможно в так называемых роторно-пульсационных аппаратах (РПА) [5,10], где обработка жидкой среды происходит при прохождении ею узкого кольцевого зазора между вращающимися и неподвижными коаксиальными цилиндрами с прорезями. В результате в обрабатываемой среде возникают большие напряжения сдвига и потоки с микроциркуляцией. При работе роторно-пульсационных аппаратов возможно возникновение режима автоколебаний, для которого характерны пульсации скоростей и давления в обрабатываемой жидкости. Для этих аппаратов характерны все достоинства аппаратов с виброперемешиванием.

Недостаток как роторно-пульсационных аппаратов, так и роторно-пленочных аппаратов связан с малым объемом обрабатываемой жидкости. Поэтому при их применении сложно управлять временем обработки компонентов, а также изменять степень воздействие на среду в процессе обработки. К этим двум аппаратам близкими по конструкции и воздействию на обрабатываемую среду являются вихревые механические смесители с коаксиально-цилиндрическим ротором [9].

В них применяется перемешивающее устройство в виде цилиндрического либо дискового ротора. Рабочая зона вихревых аппаратов также образована кольцевым зазором между корпусом и ротором, относительный размер которого значительно больше, чем у пленочных и пульсационных аппаратов. Отсюда

вытекают особенности гидродинамики вихревых аппаратов. За счет вращения цилиндрического ротора в зазоре формируется интенсивное окружное течение жидкости с большими напряжениями сдвига. При этом благодаря возникновению центробежных сил в рабочем пространстве аппарата возникают радиальные течения. В этих условиях достигается равномерная по рабочему объему аппарата скорость диссипации энергии в жидкости, что обеспечивает ее хорошее перемешивание. Однако вихревой аппарат в целом способен работать в режиме, близком к идеальному вытеснению.

В зависимости от того, для какого процесса предназначен аппарат, различаются и конструкции используемых роторов [11].

Аппараты с гладким ротором (рисунок 5 а) применяются, как правило, при использование перемешивания для интенсификации теплообменных процессов [87]. Вращение ротора способствует не только увеличению коэффициента теплопередачи, но и закручивает жидкость, вызывая при этом большие напряжения сдвига, благодаря чему препятствует ее налипанию на стенки корпуса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Савенкова, Анастасия Евгеньевна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. КафаровВ.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии: Топологический принцип формализации. - М.: Наука, 1979. - 394 с.

2. Брагинский JT.H., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. - JI.: Химия, 1984.-336 е., ил.

3. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. - Л: Машиностроение, 1979. - 272 с.

4. СтренкФ. Перемешивание и аппараты с мешалками. Польша, 1971. Пер. с польск. под ред. Щупляка И.А. Л., Химия, 1975. - 384 с.

5. Богданов В.В., Христофоров E.H., КлоцунгБ.А. Эффективные малообъемные смесители. - Л.: Химия, 1989. - 224 с.

6. Савенкова А.Е. Тенденции развития техники механического перемешивания жидких сред / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик, С.П. Сержантов, Ю.Г. Баскин // Экология и развитие общества. - 2013. - №1 (7). — с. 98. С. 41-45.

7. Осипов A.B. О гидромеханических особенностях перемешивания гетерогенных сред с наложением механических колебаний // ТОХТ. - 1981. - Т. XV.-№3.-С. 416-423.

8. Голощапов Ю.П. Гидродинамика в горизонтальном роторном пленочном аппарате для диссипативного концентрирования растворов: Дис. ... к-та техн. наук. - Л., 1987. - 136 с.

9. Прямоточные аппараты с перемешивающими устройствами / Сост. П. А. Окацкий, П.Н. Свичар, С.З.Лозовский, Г.В.Дмитриева. - М.: ЦИНТИ химнефтемаш, 1979. - 55 с.

10. Роторно-пульсационные аппараты и интенсификация процессов приготовления и обработки дисперсных систем в химико-фармацевтической промышленности / Сост. М.А. Балабудкин. -М.: ЦБНТИ Медпром, 1977.-44 с.

11. Хинце И.О. Турбулентность. — М.: Физматгиз, 1963. — 680 с.

12. Получение и свойства поливинилхлорида/ Под ред. Е.И. Зильбермана. -М.: Химия, 1968.-432 с.

13. Галицейский A.C., Рыжов Ю.А., ЯкушЕ.В. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. — М.: Машиностроение, 1977.-256 с.

14. Канстантинов Я.М. Современные технологические процессы и оборудование пищевой и химической промышленности Кузбасса. - М.,1983. - С. 84-88.

15. Воротилин В.П., ХейфецЛ.И. Расчет параметров процесса турбулентного смешения потоков в струйных реакторах // Химическая промышленность. - 1989. - №5. - С. 53-60.

16. Маслов В.П. Когерентные структуры и асимптотическая неединственность для уравнений Навье-Стокса при больших числах Рейнольдса // УМН. - 1986. - Т. 41. - Вып. 6 (252). - С. 19-35.

17. Маслов В.П., Данилов В.Г., Волосов K.JI. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса. Эволюция диссипативных структур. — М.: Наука, 1987. - 352 с.

18. Исследование теплообмена в роторных аппаратах. / Романов H.A., Варенцов И.А., Щупляк И.А., Титов Б.А. // Высокоэффективные машины и аппараты для обработки гетерогенных сред: Межвуз. сб. науч. трудов. - Л.: ЛТИ, 1990.-С. 81-85.

19. КляцкинВ.Н. Статическое описание диффузии пассивной примеси в случайном поле скоростей // УФН. - 1994. - Т. 164. - №5. - С. 531-544.

20. Белоглазов И.Н. Твердофазные экстракторы: Инженерные методы расчета. - Л.: Химия, 1985. - 240 с.

21. Бляхман Л.Н., Лумпов А.И., Сорокин С.Г. Одномерная диффузионная модель перемешивания с изменяющимися по длине канала скоростью потока и коэффициентом диффузии // ТОХТ. - 1980. - Т. XIV. - №4. - С. 634-637.

22. Горбачева Г.В. Гидродинамика барботажного аппарата с комбинированным перемешиванием: Дис. ... к-та техн. наук. - С-Пб., 1992. - 172 с.

23. Гельперин H.H., ПебалкВ.Л., Костанян А.Е. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. — М.: Химия, 1977.-260 с.

24. Железняк A.C., Ландау A.M. Расчет коэффициентов продольного перемешивания в двухфазных системах со сплошной жидкой фазой. // ТОХТ. — 1973. - Т.VII. - №4. - С. 577-583.

25. Аксельруд Г.А., Молчанов А.Д. Растворение твердых веществ. — М.: Химия, 1977.-272 с.

26. Барабаш В.М., Брагинский Л.Н., Вишневская O.E. Расчет непрерывного процесса растворения в аппаратах с мешалками // ТОХТ. — 1984. — Т. XVIII. - №6. - С. 744-748.

27. Барабаш В.М., Брагинский Л.Н., Смирнова H.A. О массопередаче при растворении в аппаратах с мешалками // ТОХТ. - 1980. - Т. XIV. - № 2. - С. 193196.

28. Вигдорчик Е.М., Шейнин А.Б. Математическое моделирование непрерывных процессов растворения. - Л.: Химия, 1971. - 248 с.

29. Шервуд Т., ПигфордР., Уилки Ч. Массопередача. Пер. с англ. - М.: Химия, 1982.-696 с.

30. Кишиневский М.Х., Корниенко Т.С. Определение гидродинамического сопротивления из опытных данных по массоотдаче.// ТОХТ. - 1972. - Т.VI. - №3. - С.367-372.

31. Бэтчелор Д.К. Теория однородной турбулентности. - М.: Изд-во иностр.лит., 1955.-215 с.

32. Николаишвили Е.К., Барабаш В.М., Брагинский Л.Н., Кулов H.H., Малюсов В.А. Скорость растворения твердых частиц в аппаратах с мешалкой // ТОХТ. - 1980. - Т. XIV. - №3. - С. 349-357.

33. ТУ 07510508.135-98 Сульфанол [Электронный ресурс]. - 1998. -Режим доступа: http://okachim.ru/sulfonol.html

34. ГОСТ 5955-75 Реактивы. Бензол. Технические условия [Электронный ресурс] М. Изд-во стандартов. - 1994. - Режим доступа: http://standartgost.ru/205955-75

35. ГОСТ 15899-93 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан (хладон 114В2). Технические условия [Электронный ресурс] Минск. Межгосударственный совет по станд., метрол. и сертиф. - 1993. - Режим доступа: http://standartgost.ru/2015899-93

36. ГОСТ 6709-72 Вода дистиллированная. Технические условия [Электронный ресурс] М. Стандартинформ. - 2007. - Режим доступа: http://standartgost.ru/206709-72

37. ГОСТ 17.1.1.04-80 Классификация подземных вод по целям водопользования [Электронный ресурс] М. ГК СССР по стандартам. — 1981. — Режим доступа: http://standartgost.rU/snip/4714/2017.l.l.04-80

38. Джозеф Д. Устойчивость движения жидкости. — М.: Мир, 1981. -

638 с.

39. Кантвелл Б.Дж. Организованные движения в турбулентных потоках. // Вихри и волны: Пер. с англ.; Под ред. В.Н. Николаевского. - М.: Мир, 1984. - С. 9-79.

40. Львов B.C., Предтеченский A.A. Поэтапный переход к турбулентности в течении Куэтта. // Нелинейные волны. Стохастичность и турбулентность. - Горький: ИПФ АН СССР, 1980. - С. 57-77.

41. Халатов A.A. Гидродинамическое подобие внутренних закрученных потоков и результаты обобщения опытных данных по гидродинамике и тепломассообмену // Пристенные струйные потоки / Под ред. Э.П. Волчкова. -Новосибирск, 1984. - С.45-50.

42. Клаузер Ф. Турбулентный пограничный слой. // Проблемы механики, вып.2. - М.: Иностранная литература, 1959. - С.297-340.

43. Ландау JT.Д., ЛифшицЕ.М. Теоретическая физика. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. - М.: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 736с.

44. Фридман A.A. Избранные труды. - М.: Наука, 1966. — 378 с.

45. ПрандтльЛ. Гидроаэромеханика. — М.: Иностранная литература, 1957.-575 с.

46. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- массообмена (Процессы переноса в движущейся среде). — М.: Высшая школа, 1967. - 303 с.

47. Щукин В.И. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение, 1970. — 320 с.

48. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. - М: Физматгиз, 1960. - 320 с.

49. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности. // Докл. АН СССР. - 1941. - Т.32. - №1. - С. 19-21.

50. Гиневский A.C., Власов Е.В. Аэроаккустические взаимодействия. -М.: Машиностроение, 1978. - 177 с.

51. Гиневский A.C., Власов Е.В. Когерентные структуры в турбулентных течениях// Модели механики сплош. среды: Сб. науч. тр./ АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теор. и прикл. механики. - Новосибирск, 1983. - С. 91-98.

52. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред: 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Физматлит, 1994. - 448с.

53. Гурвич А.Р. Исследование и математическое моделирование процессов перемешивания высоковязких сред в аппаратах с мешалками: Дис. ... к-та техн. наук. — Л., 1979. - 145 с.

54. Жигулев В.Н., Тумин А.М. Возникновение турбулентности. Динамическая теория возбуждения и развития неустойчивостей в пограничных слоях. - Новосибирск: Наука, 1987. - 292 с.

55. Христов Х.И., Нартов В.П. Точечные случайные функции и крупномасштабная турбулентность. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. -160 с.

56. Лоскутов А.Ю., Михайлов A.C. Введение в синергетику. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат, лит., 1990. - 272 с.

57. Савенкова А.Е. Методы описания гидродинамики роторных аппаратов для приготовления огнетушащих составов / А.Е. Савенкова // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг, прогнозирование и моделирование опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций». Железногорск: Сибирская пожарно-спасательная академия — филиал Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2013. - С. 118-119.

58. Григорьев Ю.Н., Левинский В.Б., Яненко H.H. Гамильтоновы вихревые модели в теории турбулентности // Численные методы механики сплошной среды: Сб. науч. тр. - Новосибирск, 1982. - Т.13 -№3. - С. 13-28.

59. Николаевкий В.Н. Пространственное осреднение и теория турбулентности // Вихри и волны: Сб. статей. Пер. с англ. - М: Мир, 1984. - С. 266-330.

60. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика (теория турбулентности). Т.1. - С-Пб.: Гидрометиоиздат, 1992. - 693 с.

61. Веригин А.Н., Ермаков A.C., Шашихин Е.Ю. Методика оценки состояния гетерогенных сред // ЖПХ. - 1994. - Т.67. - №9. - С. 1561-1562.

62. Олемской А.Н., Флат А.Я. Использование концепции фрактала в физике конденсировнной среды // УФН. - 1993. - Т. 163. - № 12. - С. 1-50.

63. Елеец Е.П., Новоселова А.Э., Полуэктов П.П. In situ - определение фрактальной размерности аэрозольных частиц / УФН. - 1994. - Т.64. — №9. - С. 959-967.

64. Мун Ф. Хаотические колебания: Вводный курс для научных работников и инженеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 312 с.

65. Савенкова А.Е. Математическая модель высокоскоростного перемешивания жидкости с учетом рассеивания энергии // Экология и развитие общества. - 2013. -№2-3 (8). - С. 45-48.

66. Статистика. Учебное пособие. / Р.П. Рудакова, JT.JI. Букин,

B.И. Гаврилов: СПб: Питер, 2007. - 288 с.

67. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса: Новый подход к статической теории открытых систем. - М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат. лит., 1990.-320 с.

68. Веригин А.Н., Ермаков A.C., Шашихин Е.Ю. Диссипация энергии и фрактальная размерность турбулентных потоков // ЖПХ. — 1995. — Т.68. — №6. —

C. 982-986.

69. Сыромятников С.Н. Фрактальная размерность при рэлейтейлоровской неустойчивости //Механикажидкости и газа. - 1993. — №2. - С. 162-163.

70. Савенкова А.Е. Особенности перемешивания жидких сред при высоких скоростях диссипации энергии / А.Е. Савенкова // Материалы Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» 24 октября 2013 г. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2013.

71. Савенкова А.Е. Влияние неоднородности турбулентного потока на перенос пассивной примеси при приготовлении огнетушащих смесей на основе воды / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик // Электронный научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru, №2.-2013. - С. 17-21.

72. Барабаш В.М. Процессы переноса в турбулентных потоках с интенсивным внешним источником турбулизации // ТОХТ. — 1994. - Т. 218. - №2. -С. 110-117.

73. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров (Механика процессов). М., Химия. 1977.-464 с.

74. Авербах А.Ю. Перемешивание в статических смесителях с дросселирующими турбулизаторами. Дис. ... к-та техн. наук. Харьков, 1982. -с. 199

75. АвербухЮ.И. Изучение дисперсности систем, образующихся при перемешивании двух взаимно нерастворимых жидкостей. Дис. ... к-та техн. наук. Л., - 1971.- 144 с.

76. Авербах А.Ю., Лещенко В.А. Оценка степени гомогенизации в смесительных устройствах. // Тезисы докл. всесоюз. науч. конф. «Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств». В 2 ч. - Харьков. - 1985. -4.1. - с. 114.

77. Савенкова А.Е. Оценка качества перемешивания в масштабно-неинвариантных турбулентных потоках / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2013. — №3 [27]. — С. 167. С. 32-35

78. Петин В.Ф., Балабеков О.С. Явление последовательного взаимодействия вихрей в регулярно расположенной насадке массообменных аппаратов // ТОХТ. - 1994. - Т.28. - №4. - С. 328-335.

79. Савенкова А.Е. Процессы переноса вещества при перемешивании жидких сред в роторном аппарате для приготовления огнетушащих составов / А.Е. Савенкова // Материалы Международной научно-практической конференции «Современное общество, наука и образование: модернизация и инновации». Москва: Министерство образования и науки Российской Федерации, 2013. - С. 65-66.

80. Савенкова А.Е. Влияние переменных электрических полей на процессы создания и стабилизации воздушно-механических пен / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик, 3. Гемиш // Электронный научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru, №4-2013.-С. 44-48.

81. Савенкова А.Е. Применение электрофизического метода повышения эффективности огнетушащих составов на основе воды / А.Е. Савенкова,

Е.Б. Алексеик, Н.А. Никитин // Проблемы управления рисками в техносфере. -2013.-№4 [28].-С. 16-19.

82. Патент 2479005. Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз / Г.К. Ивахнюк (RU), В.Н. Матюхин (RU), В.А. Клачков (RU), А.О. Шевченко (RU) -№2011118347/08. Заяв. 21.01.2010; Опубл. 20.04.2013.

83. ГОСТ Р 53252-2009 Техника пожарная. Пеносмесители. Общие технические требования. Методы испытаний [Электронный ресурс] М. Стандартинформ. - 2009. - Режим доступа: http://standartgost.ru/2053252-2009

84. Порядок применения пенообразователей для тушения пожаров. Рекомендации [Электронный ресурс] М. Мин-во РФ по делам ГО и ЧС. — 2007. -Режим доступа: http://files.stroyinf.ru/Datal/53/53975/

85. Kipke Klausdieter. Einzelprobleme verbessern. // Chem. Ind. - 1991. -V. 144. - № 6. - P.58-60.

86. Hussain A.K.M.F., Hassan M.A.Z. Turbulence suppression in free turbulent shear flows under controlled exitation. Part 2. Jet-noice reduction. // J. Fluid Mech.- 1985.-V.150.-P. 159-168.

87. Murthy V.N.D. Combined laminar and turbulent flow over a rotatin disk. «Indian J. Technol.»- 1976.- 14-№3-P. 107-112

88. Legrand J., Coeuret F. Circumferential mixing in one-phase and two-phase Taylor vortex flows. //«Hem. Eng. Sci». - 1986. - V.41. - № 1. - P. 47-53.

89. Koent C. Practicel mixin as a rate process. // Chem. Eng. - 1975. - P. 9195.

90. Kim H.T., Kline S.J., Reynolds W.C. The production of turbulence near a smooth wall in a turbulent boundary layer. // J. Fluid Mech. - 1971. - V.50. - № 1. - P. 133-160.

91. Kaparitatssteigerung in konvektions trocknern fur pastose Produkte durch Wandbeheirung/ V. Wand, H. Roth, W. Schnelle, J. Hartmann // Chem. Tehn. (DDR). -1989. - V.41 - № 7. - P. 287-290.

92. Geisler R., Mersmann A., Voit H. Makro - and Mikromischen im Runrkessel // Chem. - Ing, - Techn. - 1988. - 60, № 12. - P. 947-952.

93. BoussinesqJ. Essai sur la theorie des eaux courantes. // Mem. pres. par div. savants a l'Acad. Sei. Paris. - 1877. - V.23. -№ 1. - P. 1-680.

94. Van Driest E.R. On turbulent flow near a wall. // J. Aeronaut. Sei. - 1956. -V.23.-№11.-P. 1007-1011.

95. Taylor R. J. The dissipation of kinetic energy in the lowest layers of the atmosphere. // Quart. J. Roy. Met. Soc. - 1952. - V.78. -№ 336. - P. 179-185.

96. Favre A., Gaviglio J., Dumas R. Correlation spatio-temperelles en écoulements turbulents. Mecanique de la turbulence. // Coll. Intern, du CNRS a Marseille. - Paris: Ed. CNRS, 1962. - P. 419-445.

97. Klin S.J., Reynolds W.C., Schraub F.A., Runstadler P.W. The structure of turbulent boundary. // J. Fluid Mech. - 1967. - V.30. -№ 4. - P. 741-773.

98. Corino E.R., Brodkey R.S. A visual investigation of the wall region on turbulent flow. // J. Fluid Mech. - 1969. - V.37. - № 1. - P. 1 -30.

99. Townsend A.A. The mechanism of entrainment in free turbulent flow. // J. Fluid Mech. - 1966. - V.26.-№ 4.-P. 689-715.

100. Favre A., Gaviglio J., Dumas R. Correlation spatio-temperelles en écoulements turbulents. Mecanique de la turbulence. // Coll. Intern, du CNRS a Marseille. - Paris: Ed. CNRS, 1962. - P. 419-445.

101. Churchill S.W. New and overlooked relationships for turbulent flow in channels. // Chem. Eng. Technol. - 1990. - 13, № 3. - c. 264-272.

102. Coles D. Transition in circular Couette flow. // J. Fluids Mech. - 1965. -V.21.-№3.-P. 385-425.

103. Numerical analysis of three dimensional velocity profile of highly viscous new tonian fluid in agitated vessel with paddle impeller. / S. Niraoka, I. Vamada, T. Aragaki, H. Nishiki, A. Sato, T. Takagi //J. hem. of Japan. - 1988. -V. 21. -№ 1. -P. 79-86.

104. Villermaux J., David R. Recent Advances in Understanding of Micromixing Phenomena in Stirred Reactjrs / Chev. Eng. Communications. - 1983. -V. 21.-№ 1 -3.-P. 105-122.

105. THe effect of micromixing on parallel reac tions. / J. Baldyga, J.R. Baurne //Chem. Eng. Sei - 1990. - V. 45. - №4. - P. 907-916.

106. OgawaKohei, Ito Shiro. A definition of quality of mixedness. / «J. Chem.Eng. Jap.» - 1975.-V. 8. -№ 2. - P. 148-151.