Повышение эффективности процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей через насадки в импульсном режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Кулявцев, Евгений Яковлевич

• Кулявцев, Евгений Яковлевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кулявцев, Евгений Яковлевич

Содержание

Введение

1. Научные принципы и методология процессов подготовки

и нестационарного истечения псевдоожиженных порошков через отверстия и насадки

1.1 Виды сыпучих материалов и способы их подготовки

к транспортировке

1.2 Особенности ожижения грубодисперсных сыпучих порошков

1.3 Особенности движения газопорошковых смесей через сопловые насадки

и отверстия

1.3.1 Модель движения псевдоожиженных сред

1.3.2 Модель движения двухкомпонентных смесей

1.4 Направления работ по улучшению способов подготовки и истечения

свободнодисперсных порошков. Выбор направлений исследований

Выводы по главе

2. Экспериментальные исследования процессов ожижения

и истечения свободнодисперсных порошков через цилиндрические насадки в импульсном режиме

2.1 Объект исследования, аппаратурное и технологическое обеспечение экспериментов

2.2 Исследование закономерностей газодинамических процессов в корпусе при ожижении порошка и импульсном вскрытии клапана насадка

2.3 Исследование газодинамических параметров свободной струи

при нестационарном истечении газопорошковой смеси из насадков

Выводы по главе

3. Экспериментальная оценка параметров факела газопорошковой струи

при ее движении в пространстве

3.1 Анализ подходов к оценкам силового воздействия газопорошковой

струи на твердые преграды

3.2 Оценка ударного динамического воздействия факела газопорошковой смеси на преграду

3.3 Экспериментальная оценка плотности факела газопорошковой смеси

4. Моделирование газодинамических процессов нестационарного истечения

газопорошковой струи из корпуса через цилиндрические насадки и отверстия

4.1 Методика и алгоритм расчета истечения газопорошковой смеси

из корпуса по модели псевдожидкости

4.1.1 Стационарное истечение

4.1.2 Нестационарное истечение

4.2 Оценка точности алгоритма расчета истечения газопорошковой смеси

из корпуса по модели псевдожидкости. Корректировка модели

4.3 Результаты численных исследований истечения газопорошковой смеси

из корпуса по модели псевдожидкости

4.4 Методика и алгоритм расчета нестационарного истечения двухкомпо-нентных газопорошковых смесей с высоким содержанием твердых частиц

в газовой фазе

4.4.1 Результаты численных исследований нестационарного истечения двухкомпонентных смесей с высоким содержанием твердых частиц в газовой фазе

4.5 Обсуждение результатов численных исследований нестационарного истечения двухкомпонентных смесей с высоким содержанием твердых

частиц в газовой фазе и по модели псевдожидкости

Выводы по главе

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1 Акты внедрения результатов работы

Приложение 2. Программа расчета газодинамических параметров нестационарного истечения газопорошковой смеси из корпуса по модели

псевдожидкости

Приложение 3. Программа расчета газодинамических параметров нестационарного истечении газопорошковой смеси из корпуса по модели двухфазного истечения с учетом запаздывания частиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей через насадки в импульсном режиме»

Введение

Актуальность работы. Развитие техники псевдоожиженного слоя и пневмотранспорта приобретает все большее значение в химической, нефтеперерабатывающей, горной, нефтехимической и других отраслях промышленности. Как следствие, среди процессов химических технологий, протекающих в гетерогенных системах, особое значение приобретают процессы образования и получения газовых свободнодисперсных систем. Теоретическим аспектам процесса получения однородного псевдоожиженного слоя (псевдожидкости) крупнозернистых и порошковых смесей посвящены многочисленные публикации отечественных и зарубежных авторов: Г.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, В.Б. Кваша, И.М. Разумова, A.B. Аэрова, И.Ф. Девидсона, Д. Харрисона и многих других ученых. Вместе с тем, на практике, для реализации процесса псевдоожижения применяется технологическая аппаратура различного типа, и, как правило, при конструировании таких аппаратов проблема оценки качества ожижения порошковых смесей оказывается теоретически затруднительной или невозможной. По-видимому, это связано с недостаточной изученностью всего комплекса явлений, которые могут иметь место в рабочей камере аппарата, в том числе из-за особенностей его конструктивных элементов. Таким образом, для организации процесса однородного псевдоожижения при доводке конструктивных элементов аппаратов возникает необходимость в разработке экспериментальных методов оценки качества псевдоожижения с учетом типа ожижающего агента.

Решение проблем псевдоожижения и пневмотранспорта связывается с необходимостью решения широкого ряда практических задач при разработках технологий импульсной поверхностной обработки различных поверхностей двухфазными псевдоожиженными смесями с целью их обезжиривания и удаления ржавчины, нанесения защитных полимерных покрытий, для факельного торкретирования огнеупорных поверхностей, для противопожарной

защиты и взрывозащиты химических объектов и опасных производств, выявляются и другие проблемы, требующие ускоренного научно-технического решения.

Несмотря на появление многочисленных вариантов конструкций аппаратов для псевдоожижения и пневмотранспорта, принципиальным и наиболее слабо исследованным вопросом до сих пор являются физические аспекты подготовки газопорошковой смеси, импульсное вытеснение частичек порошка сжатым газом через короткие насадки-распылители или отверстия, газодинамика и параметры газопорошковой струи при ее истечении, силовое воздействие факела распыления на преграды, другие проблемы, оказывающие первостепенное влияние на эффективность и качество работы аппаратов, связанных в единую цепочку физических и химико-технологических превращений.

Таким образом, задача теоретической и экспериментальной оценки рациональных режимов и условий подготовки и пневмотранспортировки газопорошковых смесей, определения основных рабочих характеристик аппарата путем моделирования основных газодинамических процессов истечения с использованием методов математической физики и экспериментальной техники является актуальной.

Исследования, результаты которых частично представлены в работе, выполнялись по контракту с Федеральным агентством по энергетике в рамках научно-исследовательской/опытно-конструкторской работы «Разработка комбинированных модулей пожаротушения на основе огнегасящих порошков и огнегасящей жидкости» (Государственный контракт № Ю6-ОПН-05п от 19 сентября 2005 г.).

Цель работы - разработка методики и анализ процессов ожижения и истечения порошков через насадки и отверстия в импульсном нестационарном режиме для повышения эффективности ожижения и транспортировки газопорошковых смесей.

Задачи исследований:

1. Разработать методику экспериментальной оценки однородности псевдоожиженного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей.

2. Разработать и обосновать метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия.

3. Провести анализ и установить влияние соотношения доли газовая фаза — частицы на изменение газодинамических параметров потока при истечении газопорошковой смеси из корпуса.

4. Установить параметры и воздействие струи на преграды при ее истечение в незатопленное пространство.

Объект и методы исследований. Объектом исследования являются газопорошковые смеси — процессы ожижения порошка и распыления газопорошковой струи через короткие насадки и отверстия; процессы, протекающие в гетерогенных системах при изменении параметров аэродисперсности - непрерывно изменяющемся соотношении доли частиц в газовой фазе.

В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного передового производственного опыта и научно-технических разработок; аналитические и численные методы математического моделирования на базе гидрогазодинамических флюидных потоков и псевдоожиженных веществ при их истечении через отверстие и сопла с использованием ЭВМ; лабораторные и натурные экспериментальные методы исследования особенностей проявления параметров смеси при ее истечении и взаимодействия факела распыления с преградами; автоматизированные экспериментальные комплексы натурного измерения газодинамических параметров при истечении порошка из корпуса по специально разработанным методикам.

Научная новизна.

1. Эффективность работы аппарата ожижения порошка предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния. При значениях 0 < Ко < 1 газопорошковая смесь близка к однородной смеси; при Ко < 0 ожижение не однородное; при Ко = 1 газопорошковая смесь находится в свободном дисперсном состоянии.

2. Установлено, что ожижение порошка газом, близкое к однородной смеси, достигается в корпусе при расходе ожижающего газа не менее чем 0,25 л/с и не более чем 2,4 л/с через ниппельный аэратор (Ко > 0).

3. Впервые установлен характер высокоградиентного изменения плотности факела газопорошковой струи в зависимости от расстояния фронта факела от среза насадка. Показано, что при истечении газопорошковой смеси происходит вторичный процесс аэрации факела, сопровождающийся снижением плотности смеси более чем на порядок на расстояниях до 2,5 м от его среза. При высоконапорных истечениях газопорошковой смеси (давление в корпусе ~ 1,2 МПа и более) сосредоточенное воздействие фронта факела может привести к повреждению оборудования и травмировать человека на расстояниях до 10 метров от среза сопла.

4. Впервые определены пределы изменения коэффициента расхода для нестационарного истечения газопорошковой смеси через отверстия и насадки и установлена взаимосвязь расходных характеристик насадка от доли частиц в газовой фазе. Установлено, что из-за местного сопротивления на входе в отверстие среднее значение коэффициента расхода газопорошковой смеси снижается до величины 0,41 по сравнению с истечением жидкости, где коэффициент расхода соответствует величине 0,62. Установлено, что до уровня доли частиц более 15 % в газовой фазе величина коэффициента расхода имеет функциональную зависимость от доли частиц в смеси.

5. Впервые при истечении через насадок газопорошковой смеси определено среднее значение коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа, равное 0,65. Установлено, что.до уровня доли частиц более 15 % в газовой фазе

величина коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа имеет функциональную зависимость от доли частиц в смеси.

Теоретическая значимость: заключается в разработке и обосновании численных методов и алгоритмов расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока через отверстия и короткие насадки-распылители в импульсном режиме.

Практическая значимость: заключается в дальнейшем совершенствовании и развитии химических технологий, включающих процессы подготовки газопорошковых смесей к транспортировке их нестационарного истечения через отверстия и насадки, и воздействия истекающих струй на преграды за счет:

1. Разработки рекомендаций и критериев использования различных ожижающих агентов для рационального псевдоожижения порошков. При этом эффективность работы аппарата ожижения порошка предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния.

2. Установления закономерности изменения газодинамических параметров свободнодисперсных систем при их импульсном нестационарном истечении через насадки.

3. Разработанные варианты аппаратов порошкового пожаротушения с импульсным нестационарным истечением газопорошковой смеси и технологические рекомендации по расположению аппаратов порошкового пожаротушения в защищаемом пространстве использованы на шахте «Чертинская-Коксовая» ОАО «Белой» при противопожарной защите узла подготовки горячего воздуха для регулирования климата в шахте, сверхкатегорийной по пыли и газу; на обогатительной фабрике «Анжерская» для противопожарной защиты участка обогащения угля.

4. Результаты работы использованы при разработке устройств пожаротушения и взрывоподавления на опасных производствах (угольные шахты). За участие в выполнении этой работы и большой личный вклад в развитие науки и техники автору присуждена премия Алтайского края в 2011 г.

Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается использованием современных инструментальных методов анализа с применением сертифицированных методик и оборудования, высоким уровнем объективности результатов прогноза информативных параметров ожижения и истечения порошков, следующего из многовариантного и корректного сопоставления результатов расчетов по разработанным методам, методикам и алгоритмам с данными прямых натурных экспериментов.

Личный вклад автора: анализ проблемы подготовки и истечении газопорошковых смесей по данным литературных источников отечественных и зарубежных авторов, разработка методик измерения информативных параметров процессов ожижении порошков и нестационарного истечения газопорошковых смесей, выбор исследовательского и производственного оборудования для экспериментов, участие в проведении экспериментальных исследований, анализ и интерпретации полученных данных, разработка методов моделирования процессов нестационарного истечения смесей из насадков и отверстий, разработка соответствующих алгоритмов и программ для ЭВМ, подготовка публикаций по выполненной работе.

Положения, выносимые на защиту:

1) Методика экспериментальной оценки однородности псевдоожи-женного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей; рекомендации и критерий использования различных ожижающих агентов-газов для рационального псевдоожижения порошков.

2) Метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители и отверстия, базирующийся на гидродинамической аналогии жидкость-псевдожидкость при условии зависимости коэффициента расхода от доли частиц в смеси.

3) Метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-

распылители и отверстия, базирующийся на условии запаздывания скорости частиц от скорости газа в зависимости от доли частиц в смеси.

4) Силовое воздействие струи на преграды имеет функциональную зависимость от скорости истечения смеси, плотности смеси во фронте факела и расстояния от среза насадка до преграды.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы обсуждались в рамках проекта «Разработка устройства подавления взрывного горения смеси углеводородов и пыли с воздухом без присутствия человека», представленного в Экспертный совет Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на конкурс «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2011». Проект признан победителем программы «У.М.Н.И.К.» за 2011 год.

Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2011г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Успехи в специальной химии и химической технологии», посвящённой 75-летию Инженерного химико-технологического факультета РХТУ им. Д.И. Менделеева — 2010 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях ИАМП-2010» (г. Бийск, 2010 г.); на научно-технических советах АО УК «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 2008-2010 гг.); на ученых советах Российского научно-исследовательского института горноспасательного дела (РосНИИГД, г. Кемерово, 2006-2008, 2010 г.), Восточного научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (ВостНИИ, г. Кемерово, 2008—2009 гг.); на научных семинарах кафедры «Процессы и аппараты» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (г. Томск, 2012 г.),

кафедры «Техническая механика» Бийского технологического института (филиала) АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Бийск, 2007-2011 гг.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в 2 патентах РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 6 таблиц и 52 рисунка, список использованной литературы из 73 наименований, три приложения.

Научные принципы и методология процессов подготовки и нестационарного истечения псевдоожиженных порошков через отверстия и насадки

1.1 Виды сыпучих материалов и способы их подготовки

к транспортировке

Без осуществления гетерогенных процессов с твердой фазой, отличающихся независимо от масштабов производства высокой эффективностью и простотой аппаратурного оформления, сегодня практически немыслимы технологии как химической, так и многих других отраслей промышленности. Наши интересы восходят к гетерогенным системам, состоящим из двух фаз, одна из которых образует непрерывную дисперсную среду, в объеме которой распределена вторая дисперсная фаза в виде мелких твердых частиц. Как известно, сыпучие материалы по размеру частиц условно подразделяются на грубодисперсные с размерами частиц от 1 мк и выше и тонкодисперсные с размерами частиц от 1 нм до 1 мк [1-3].

По агрегатному состоянию основные виды дисперсных систем подразделяются на аэродисперсные (газодисперсные) системы с газовой дисперсионной средой — аэрозоли (дымы, пыль, туманы), порошки, волокнистые материалы, далее системы с жидкой дисперсионной средой, а также системы с твердой дисперсионной средой: стеклообразные или кристаллические тела с включениями мелких твердых частиц, капель жидкости или пузырьков газа.

Уделяя внимание грубодисперсным сыпучим материалам, заметим, что их транспортировка по коммуникациям требует обязательной предварительной подготовки [4—5]. При этом часто оказывается важным перевести сыпучие материалы в свободнодисперсное состояние. В свободнодисперсных системах сцепление между частицами дисперсной фазы отсутствует, каждая частица кинетически независима и при достаточно малых размерах участвует в интенсивном броуновском движении. Переход в свободнодисперсное

состояние сыпучего материала осуществляется в несколько этапов. На первых этапах технологической подготовки порошковых систем навеска порошка засыпается в корпус и характеризуется так называемой насыпной плотностью — отношение массы порошка к занимаемому им объему с учетом пространства между частицами. Это одна из важнейших характеристик, использующаяся при расчете количества вещества, необходимого для осуществления тех или иных превращений. Например, насыпная плотность огнетушащего порошка, выпускаемого отечественной промышленностью, колеблется от 80 до 100 кг/м . Максимальные размеры зерен не превышают 20 мк. Плотность частиц может

•у

колебаться в пределах 180—200 кг/м .

На последующих этапах подготовки сыпучих материалов к транспортировке из корпуса, их предварительно ожижают путем введения в объем порошка ожижающего агента - газа или жидкости. При ожижении порошка стремятся получить однородную двухфазную систему порошок— ожижающий агент. В этом случае каждая частица порошка находится в окружении ожижающего агента — идеальное (однородное) ожижение. Для характеристики получаемой двухфазной системы в технической литературе используется понятие «порозность слоя» — доля ожижающего агента в объеме смеси.

Проблема ожижения трактуется в широком аспекте, когда макроскопический ожиженный конгломерат может быть описан на базе известных принципов гидромеханики [6—7]. В этом смысле отечественными и зарубежными учеными вводится понятие «псевдоожижение». Псевдоожижение- превращение слоя зернистого материала под влиянием газового или жидкостного потока либо иных физико-механических воздействий. При этом твердые частицы в смеси переводятся во взвешенное состоянии, после чего смесь напоминает по свойствам жидкость, — псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью псевдоожиженный слой часто называют кипящим слоем.

В промышленности псевдоожиженные системы создаются путем воздействия механических вибраций на объем порошка, вращением аппарата заполненного порошком, вращением роторов-вспушивателей, воздействием электромагнитного поля, путем вдува в объем порошка газа или жидкости[8—9].

Применительно к некоторым видам легкорастворимых порошков псевдоожижение водой не приемлемо, поскольку порошок гигроскопичен и растворяется в воде. Воздействие электромагнитного поля также не приводит к успеху в связи с тем, что порошки могут не обладать ферромагнитными свойствами. Вибрационное воздействие и организация вращения порошка смесителями требуют введение дополнительных конструктивных элементов, что усложняет технологию ожижения.

Для многих технологических операций для разнообразного спектра порошковых материалов с различными физико-механическими свойствами наиболее приемлемым способом ожижения является и наиболее распространенный случай — псевдоожижение порошков инертными газами или воздухом.

Если под степенью ожижения понимать величину давления ожижающего агента в объеме смеси, то, учитывая сжимаемость газов, истечение псевдоожиженного порошка из корпуса окажется тем эффективнее, чем выше степень его ожижения. Именно газ под высоким давлением, истекая через насадки или отверстия, увлекает за собой частички аэрированного порошка, образует высокотурбулентный поток газопорошковой смеси, который наилучшим образом и с наименьшими затратами может транспортироваться на значительные расстояния.

Вместе с тем режимы псевдоожижения, и ожижение системы для получения однородной смеси в частности, оказываются все еще не достаточно изученными, несмотря на многочисленные публикации результатов исследований отечественных и зарубежных авторов. В предисловии к английскому изданию монографии по псевдоожижению (Fluidization) [7] редакторы издания Дж. Ф. Девидсон (J.F. Davidson) и Д. Харрисон (D. Harrison)

приводят сентенцию: «... псевдоожижение приобретает одну из характерных особенностей «шекспировского парадокса» — объем литературы таков, что она не может быть прочитана в течение жизни».

Круг наших интересов сосредоточен на изучении псевдоожижения грубодисперсных сыпучих материалов с размерами частиц до 15—30 мк газами, а также на теоретических и экспериментальных исследованиях процессов подготовки и импульсного истечения свободнодисперсных двухфазных газопорошковых систем через отверстия и насадки.

1.2 Особенности ожижения грубодисперсных сыпучих порошков

Обобщая выводы работ различных авторов по изменению объема однородных газопорошковых смесей при ожижении можно установить, что качественная связь скорости псевдоожижения с порозностью может быть представлена следующим эмпирическим соотношением, которое не имеет теоретического обоснования, но широко используется [10—11]:

- = (1.1)

щ 4 7

где и — скорость вдува газа; и1 — значение и при порозности е = 1; п -эмпирический коэффициент.

Перепад давления ДРЕ, который необходимо создать для начала псевдоожижения в точке вдува газа, оценивается выражением [7]:

ДРЕ = (Р.. - Рг)Н„8, (1.2)

где рп — плотность частичек порошка; рг — плотность газа; Н„ — высота слоя порошка, считая от точки вдува; g —ускорение свободного падения.

Расчеты величины порозности для плотноупакованных частичек порошка сферической формы диаметром 20 мк приводят к величине:

8Н = 0,45-0,48, (1.3)

где £н - начальная порозность порошка.

В этом случае зависимость между перепадом давления (1.2) и скоростью начала псевдоожижения и„ может быть выражена из уравнения Кармана-Козени [12]:

и м2(Рп-РГ)В.104

н Ц

(1.4)

где 6. — диаметр частички порошка; {1 — динамическая вязкость газа.

Из (1.4) следует, что скорость начала псевдоожижения соответствует линейной скорости газа, пропорциональной гг„~й2 для частиц размером менее 0,1 мм. Скорость начала псевдоожижения называют первой критической скоростью. Вторая критическая скорость в десятки раз больше первой и соответствует случаю начала образования в слое порошка газовых пузырей или газодинамических каналов. При образовании газодинамических каналов в слое порошка от точки вдува газа, газ уходит по каналам, слабо ожижая навеску. В результате в корпусе получается неоднородная газопорошковая смесь с объемами недостаточно ожиженного порошка, что приводит к его остаткам в корпусе при истечении смеси и, следовательно, эффективность технологического процесса падает.

Оценка величины верхнего предела скорости однородного псевдоожижения (вторая критическая скорость) вызывает затруднения из-за колебаний дисперсности порошка, его физических свойств, конструкции вспушивателей и ряда других причин [4].

Существующие отдельные экспериментальные исследования по оценкам второй критической скорости, проведенные авторами ряда работ, сводятся к следующим общим соображениям, позволяющим использовать их при проектировании корпусов и технологии псевдоожижения.

а) Девидсон и Харриссон изучали устойчивость газового пузыря в среде частиц [13]. В результате исследований ими было установлено, что если отношение диаметров пузырей и частиц менее 1, то псевдоожижение следует считать однородным. При соотношениях от 1 до 10 псевдоожижение носит переходный характер; если такое соотношение превышает 10, можно ожидать неоднородное псевдоожижение из-за интенсивного образования пузырей и газодинамических каналов.

б) Чтобы не создавать устойчивых каналов увеличение скорости потока в слое должно быть компенсировано повышением перепада давления у отверстий распределительного устройства (вспушивателя). Перепад давления

соответствует весу частиц, приходящихся на единицу площади поперечного сечения слоя.

в) В случае псевдоожижения порошков состоящих из микросфер углекислым газом [12] при низких давлениях слой содержал пузыри, при высоких давлениях (от 0,4 до 4,0 МПа) наблюдалось плавное однородное расширение слоя.

г) В работе [12] в качестве характеристики вида псевдоожижения предлагается использовать число Фруда (см. уравнение (1.4))

¥т = Щ. (1.5)

При этом полагается, что при неоднородном псевдоожижении Бг > 1, а при однородном Бг < 1.

Рассматриваемые варианты и способы псевдоожижения направлены на технологическое обеспечение процессов, которые продиктованы практикой. Это задача транспортировки сыпучих продуктов по трубам на дальние расстояния, пересыпка мелкодисперсных веществ из емкостей, истечение смесей из насадков и отверстий под давлением, их сушка и тому подобные технологические операции.

Применительно к истечению смесей из насадков и отверстий под давлением задача псевдоожижения порошка имеет отличительные особенности от ранее известных способов ожижения.

Во первых, перед истечением порошок может находиться в корпусе в состоянии насыпной плотности и в герметичном замкнутом объеме, в который закачивается рабочий агент (газ) до высоких давлений за короткий промежуток времени (до 5—10 с). Именно за это время требуется провести однородное псевдоожижение.

Во вторых, перепад давления в слое порошка при наддуве корпуса непрерывно меняется, что существенно сказывается на процессе псевдоожижения.

В третьих, перемешивание слоя происходит при непрерывно меняющейся скорости вдува газа, что накладывает свой отпечаток на конструкцию аппарата аэрации, через который поступает газ в слой порошка.

В этой связи возникает проблема установления новых критериев однородности псевдоожижения, которые бы позволяли судить о виде и качестве псевдоожижения.

1.3 Особенности движения газопорошковых смесей через сопловые

насадки и отверстия

1.3.1 Модель движения псевдоожиженных сред

В работах отечественных и зарубежных ученых прослеживается стремление использовать законы гидростатики для моделирования движения псевдоожиженных сред [14]. Обоснованием такого подхода служат многочисленные эксперименты над псевдоожиженными средами, которые указывают на существование аналогии между псевдоожиженным слоем и капельной жидкостью. Точно так же, как при изучении движения жидкостей и газов, последние часто рассматриваются как жидкости с присущими им некоторыми особыми свойствами. В связи с этим принято различать две категории жидкостей: капельные жидкости - практически несжимаемые тела или собственно жидкости и сжимаемые жидкости — газы. Если принять во внимание существование аналогии между капельной жидкостью и псевдоожиженной системой (псевдожидкостью), то можно говорить о существовании третьей категории жидкостей — псевдожидкости.

В работах Н.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, A.B. Зайковского, В.Б. Кваша, Дж. Фуракава, Т. Омае [6, 15, 16] и других ученых суммируются факторы, указывающие на существование аналогии капельная жидкость— псевдожидкость, а также рассматриваются некоторые аспекты границ такой аналогии.

Выделим некоторые общие свойства псевдожидкости и жидкости.

1. Избыточные (гидростатические) давления псевдоожиженного слоя ДРПЖ и столба капельной жидкости ДРЖ высотой Н выражаются аналогично:

ЛРпж = РэфИН И ДРЖ = р^Н, (1.6)

где рэф — эффективная (объемная) плотность псевдожидкости; рж — плотность капельной жидкости.

2. Для выражения вязкости псевдожидкости и жидкости предложена общая формула [12]: ц = А В,

где; А - некоторая постоянная; В — вероятность преодоления молекулами жидкости или твердыми частицами псевдожидкости вязкостного энергетического барьера Е.

Для параметра В установлена в обоих случаях экспоненциальная зависимость:

Вж = ехр(Еж/ДГ) — для капельной жидкости;

Впж = е*р(Е11Ж/Я11Ж7) - для псевдожидкости, где К, Т — газовая постоянная и абсолютная температура соответственно;

/?пж — аналог газовой постоянной Я.

При этом предполагается, что Дпж зависит от размера и плотности частиц, так же как И. — от молекулярного веса вещества.

3. При изучении реологических параметров псевдожидкости (вязкости, коэффициента диффузии, теплопроводности, температуропроводности) А.П.Баскаков, В.А. Бородуля, А.И. Тамарин [15], С.С. Забродский [17] и другие ученые использовали дифференциальные уравнения, принятые как для капельных жидкостей.

4. Скорость движения частиц в псевдожидкости математически выражается аналогично скорости движения молекул в жидкости [15].

5. При движении псевдоожиженного материала по желобу прямоугольного поперечного сечения и небольших расходах псевдожидкости отношение максимальной скорости движения (по оси потока) к средней скорости составляет 1,55-1,73 [15]. При ламинарных движениях ньютоновских

жидкостей это отношение изменяется от 1,5 (в щелях) до 2 (движение в круглой трубе).

6. Выражение для расхода псевдоожиженного материала Спж, при истечении через малое отверстие в тонкой боковой стенке и высотой слоя над ним Н, аналогично уравнению для расхода капельной жидкости [18, 19]:

где Б — площадь поперечного сечения отверстия; ф - коэффициент расхода.

В работах [18, 19] отмечается, что значения коэффициентов скорости (р для капельных жидкостей и псевдоожиженных твердых частиц соизмеримы для отверстий, диаметры которых достаточно превышают размеры частиц.

Кроме приведенной выше сводки факторов, указывающих на аналогию движения псевдоожиженных систем и капельной жидкости, в сборнике трудов отечественных и зарубежных ученых [7] приводится достаточно большое число других фактов, показывающих возможность использования известных принципов гидромеханики для описания процесса движения псевдоожиженных систем, это аналогия между энергетическими состояниями псевдожидкости и капельной жидкости, между фазовыми превращениями в псевдожидких системах и в капельных жидкостях, другие аналогии.

Несмотря на то что до сих пор нет достаточно строгого обоснования использования гидродинамических законов применительно к такой субстанции, как псевдожидкость, можно предполагать, что ее статистическая общность с капельными жидкостями поможет выявить качественные процессы истечения свободных дисперсных порошков из корпуса через отверстия и насадки[20—23].

Если иметь в виду гипотезы механики сплошных сред и воспользоваться макроскопической теорией движения псевдожидкости, то перемещение элементарного объема газопорошковой смеси представляется как движение частиц и газа с одной и той же скоростью. В действительности если псевдоожижение отсутствует и имеется перепад давления между свободной

(1.7)

1.3.2 Модель движения двухкомпонентных смесей

поверхностью порошка и срезом соплового насадка, то имеет место, так называемое поршневое движение частиц.

Для псевдоожиженных систем скорость истечения частиц через насадок обусловливается их дополнительным разгоном газом. При этом скорость истечения газа через насадок или отверстие уменьшается из-за сопротивления частиц, а скорость истечения частиц возрастает по сравнению с их поршневым движением.

В этой связи можно говорить о запаздывании пролета частиц по сравнению с путем, пройденным газом за одно и тоже время.

В такой постановке сложность решения задачи о движении двухкомпонентных смесей, или, как говорят, двухфазных течений смеси частиц порошка и газа, значительно возрастает [24—27].

Поскольку исследование движения частиц и газа в одном потоке имеет большое практическое значение, к настоящему времени опубликовано значительное количество работ с соответствующими ссылками на работы других авторов, посвященные различным аспектам этой проблемы [28—35].

В своем большинстве внимание исследователей сосредоточено на изучение газодинамических параметров двухфазного течения при различной порозности потока в критическом сечении сопел - там, где происходит наибольшее сжатие струи.

В ряде работ [36—37], несмотря на наличие твердых частиц в потоке, в связи со сложностью задачи, при их небольшой весовой доле, объемом частиц пренебрегают и полагается, что равновесная смесь совершенного газа с твердыми частицами ведет себя аналогично совершенному газу, но с модифицированными термодинамическими свойствами.

В связи с тем, что частицы являются несжимаемыми по сравнению с газом, их объем не подвергается изменению при изменении давления, в противовес изменению объема смеси. При большой объемной доли частиц их наличием пренебречь нельзя и объемная доля частиц становится дополнительной переменной задачи [38-34].

Обобщением решения подобных задач, когда объемную долю частиц учитывать необходимо, является работа Дж. Рудингера (в. КисНп£ег) [38], в которой предложенные ранее методы расчета обобщаются на случай стационарного квазиодномерного течения в соплах. В работе [38] отмечается, что такого рода течения имеют место в некоторых ядерных реакторах при транспортировке порошкообразных материалов, в химической индустрии (псевдоожиженные материалы [37]), в соплах ракетных двигателей, в некоторых других случаях. К этим другим случаям можно отнести, после некоторых доработок модели, и двухфазное истечение газопорошковой смеси из сопла аппарата при ее нестационарном истечении в импульсном режиме.

Как следует из работы Дж. Рудингера и работ других авторов [40-41], уравнения, моделирующие двухфазное течение в сопле, и в случае с имеющей место большой объемной долей концентрации твердых частиц в потоке становятся эквивалентными уравнениям, описывающим течение совершенного газа, если некоторый параметр К — параметр отношения скорости частиц к скорости газа — задать величиной постоянной.

Поскольку параметр скорости К в модели является величиной постоянной, но произвольной, модель течения оказывается не однозначной. Условие однозначности, очевидно, возможно установить из опыта, индивидуально для каждой из форм сопел с учетом доли частиц в объеме смеси. Очевидно, также, что при К=1 имеет место модель течения псевдожидкости (см. п. 1.5.1) — равновесное течение.

Обобщающие уравнения, описывающие стационарное течение в соплах по Дж. Рудингеру, получены при следующих предположениях, используемых обычно при исследованиях течения двухфазных потоков.

Предполагается, что: 1) газ является совершенным, а его удельные теплоёмкости Ср и Су постоянны;

2) все частицы имеют сферическую форму, одинаковый размер и являются

несжимаемыми; удельная теплоёмкость частиц постоянна, температура во всём объёме частицы однородна;

3) частицы равномерно распределены в каждом поперечном сечении сопла, их размеры малы по сравнению с размерами сопла;

4) течение является одномерным; влияние пограничного слоя и теплообмен со стенкой сопла не учитываются;

5) скорости газа и частиц в любом поперечном сечении сопла равны их средним значениям;

6) влияние частиц на течение газа проявляется первоначально в наличии следа за частицами, который затем в результате смещения равномерно занимает всё поперечное сечение; с точки зрения третьего предположения это смещение захватывает лишь малую часть объёма; принимается также, что оно происходит мгновенно;

7) беспорядочное движение частиц не даёт вклада в давление газопорошковой смеси;

8) массообмен между частицами и газом отсутствует.

Если рассматривать в качестве независимой переменной скорость газа, то, в соответствие с моделью Клигеля [40], для сопла с постоянным относительным запаздыванием на случай течения газа при постоянном конечном объеме предполагается, что

^ = (1.8) "в ' V }

где 0р, - расход частиц и газа соответственно.

Таким образом случай К = 1 соответствует равновесному течению, а

величина (1 — К), К< 1 определяет величину запаздывания частиц.

Основываясь на перечисленных допущениях, основная система уравнений как модель течения через сопло двухфазной смеси с высокой долей частиц сведена к алгебраическим соотношениям, позволяющим получить основные газодинамические параметры потока.

Вместе с тем условия импульсного истечения имеют свои специфические особенности, которые необходимо принять во внимание при разработке модели

истечения газопорошковой смеси через сопловой аппарат. Необходимо иметь в виду, что процесс истечения газопорошковой смеси из корпуса носит нестационарный характер по сравнению с моделью Дж. Рудингера, в которой рассматривается стационарный процесс истечения.

В соответствии с этим возникает необходимость в корректировке модели, поскольку теперь потребуется учесть непрерывное изменение давления в корпусе и непрерывное изменение объемной доли частиц в корпусе в процессе истечения смеси.

Эти и другие усовершенствования, в сопоставлении с экспериментальными данными параметров течения в сопле и корпусе, позволят получить модель двухфазного течения газопорошковой смеси, определяя рабочие газодинамические параметры во времени, необходимые для анализа процесса нестационарного истечения.

1.4 Направления работ по улучшению способов подготовки и истечения грубодисперсных порошков. Выбор направлений

исследований

Технологические аппараты различного назначения с исполнительными устройствами в виде насадков и отверстий при импульсном истечении газопорошковых смесей получили взрывной характер своего развития как у нас в стране, так и за рубежом.

Анализ современного состояния вопроса по материалам разнообразных литературных источников, приведенный в предыдущих разделах, позволяет сделать ряд принципиальных обобщений, на основе которых должна проводится работа по дальнейшему совершенствованию экспериментальных методов и программных средств для проектных расчетов, численных исследований с целью оптимизации рабочих характеристик аппаратов, процессов и технологического оборудования.

Заметим, что, несмотря на появление многочисленных вариантов конструкций аппаратов подготовки газопорошковых смесей, принципиальным

и наиболее слабо исследованным вопросом до сих пор являются физические аспекты при их срабатывании — вытеснение порошка сжатым газом через короткий насадок-распылитель или отверстие, газодинамика и параметры газопорошковой струи, силовое воздействие факела распыления на преграды, другие проблемы, оказывающие первостепенное влияние на эффективность технологий превращений, в том числе и на безопасность персонала.

В этой связи является актуальной решение проблемы осуществления эффективного управления ожижением и последующим истечением струй газопорошковой смеси под давлением из корпусов через отверстия и насадки.

Выбор направления исследований обусловлен следующими соображениями.

Поскольку решение проблемы создания методического, модельного и оперативного контроля за изменениями газодинамических параметров в корпусе аппарата подготовки смеси и при истечении смеси из корпуса под высоким давлением является одной из основных задач управления технологическими процессами различного назначения, можно выделить и основную цель дальнейших исследований — разработка методики и экспериментально-теоретический анализ процессов ожижения и истечения порошков через насадки и отверстия в импульсном нестационарном режиме для повышения эффективности транспортировки газопорошковых смесей.

Для достижения поставленной цели возникает необходимость в решении следующих задач:

1. Разработать методику экспериментальной оценки однородности псевдоожиженного слоя в аппаратах подготовки двухкомпонентных газопорошковых смесей.

2. Разработать и обосновать метод расчета газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители.

3. Провести анализ и установить влияние соотношения доли газовая фаза-частицы на изменения газодинамических параметров потока при истечении газопорошковой смеси из корпуса.

4. Установить параметры и воздействие струи на преграды при ее истечение в незатопленное пространство.

Таким образом, моделирование кинетики газопорошковой смеси при ее импульсном истечении, наряду с инструментальными методами диагностики, дает возможность установить уровень и характер превращений сыпучих материалов, что предопределяет возможность разработки проектов с увеличенной эффективностью технологического процесса, а также при необходимости позволит принять действенные меры по корректировке процесса путем регулировки исполнительных элементов аппаратов в соответствии со структурой сыпучих материалов.

Выводы по главе

1. Рассмотрены проблемы ожижения грубодисперсных сыпучих материалов как способа их перевода в свободнодисперсное состояние, пригодное для транспортировки и истечения через насадки и отверстия. Отмечается, что для ожижения порошков наиболее эффективным и универсальным ожижающим агентом является газ.

2. Несмотря на известные проблемы ожижения сыпучих материалов, их теоретическое решение в большинстве случаев затруднено из-за недостаточной изученности всего комплекса явлений, которые могут иметь место в рабочей камере аппарата, в том числе из-за особенностей его конструктивных элементов, и в общем случае связывается с необходимостью разработки новых подходов и методов экспериментальной оценки качества подготовки газопорошковой смеси.

3. Моделирование нестационарных процессов истечения двухфазных свободнодисперсных потоков через отверстия и насадки представляет собой задачу повышенной сложности, от решения которой зависит понимание физико-химических процессов подготовки и истечения сыпучих материалов и на этой основе получение рациональных режимов для технологий физико-химических превращений.

4. Несмотря на то, что до сих пор нет достаточно строгого обоснования использования гидродинамических законов применительно к такой субстанции, как псевдожидкость, можно предполагать, что ее статистическая общность с капельными жидкостями поможет выявить качественные процессы истечения грубодисперсных порошков из корпуса через отверстия и насадки.

5. Сформулированы цель и задачи исследований.

2. Экспериментальные исследования процессов ожижения и истечения свободнодисперсных порошков через цилиндрические

насадки в импульсном режиме

2.1 Объект исследования, аппаратурное и технологическое обеспечение экспериментов

Экспериментальные исследования газодинамических процессов

проводились на установке промышленного масштаба (рисунок 2.1).

- А ^ /

1 — фиксатор клапана; 2 — клапан; 3 — заклепка; 4 — насадок

Рисунок 2.1 - Схема основных конструктивных элементов устройства для исследований процессов подготовки и истечения газопорошковой смеси

В качестве основного элемента установки использован корпус модуля порошкового пожаротушения объемом

3 3

6,0-10" м с навеской порошка массой (0,57— 0,62) кг и сопловым цилиндрическим насадком диаметром 46,0 мм и длиной 52,0 мм. В экспериментах использованы огнетушащие порошки известных марок ИСТО-1 и Вексон (размеры частиц порошка не превышают 20 мк в диаметре) [42-44].

11иннсл1.а)рлора

Рисунок 2.2 — Схема конструкции ниппельного аэратора

Разработанный нами вариант конструкции ниппельного аэратора (рисунок 2.1, рисунок 2.2) предназначен для подготовки псевдоожиженного слоя — его перевода в свободнодисперсное состояние путем подачи углекислого газа через трубку аэратора и ниппельный аэратор в корпус с порошком. Расход газа при его подаче в корпус регулировался вентилем редуктора понижения давления газа и бытовым счетчиком расхода газа, установленными в пневмотракт устройства. Запуск устройства в работу осуществляется дистанционно, подачей электрического импульса на пусковое устройство, предназначенное для открытия запорного устройства баллона с сжиженным газом. При достижении величины давления вскрытия Р0 в корпусе (рисунок 2.1) заклепки 3 срезаются клапаном насадка 2 и начинается истечение газопорошковой смеси в свободное пространство. При вскрытии клапана насадка автоматически срабатывает клапан отсечки, перекрывающий доступ газа в корпус из баллона со сжатым газом (БСГ).

Для измерения давления внутри корпуса при его закачке и истечении газопорошковой смеси использовался тензометрический датчик давления НВМ-РЗМ, присоединенный к корпусу посредством резьбового соединения.

Основные технические характеристики используемого датчика НВМ-РЗМ, следующие:

1) Диапазон измеряемого давления, МПа — 0-0,5;

2) Рабочий коэффициент передачи, мВ/В - 2,0;

3) Рабочий температурный режим, °С — от-40 до+100;

4) Сопротивление полумоста тензорезисторов, Ом — 350;

5) Погрешность измерения, % от номинала — <0,15;

6) Нелинейность от номинального сигнала, % — <0,2;

V) Собственная частота датчика, кГц — 26.

Сигнал с датчика поступает на усилитель АЦП, преобразуется в цифровой и поступает для обработки на ПК.

Погрешность измерительного канала складывается из погрешности следующих составляющих: Датчик РЗМ — 0,2 %; Усилитель К\¥8 - 0,1 %.

Как видим, инструментальная погрешность не превышает 0,5 %, однако при обработке данных за счет сглаживания сигнала погрешность возрастает до 1%. Регистрация информативных параметров (температура, давление) осуществлялась на АРМ-измерителе (автоматизированное рабочее место), входящем в состав измерительного вычислительного комплекса «ЛУЧ» (АП0.045.5968). Комплекс «ЛУЧ» аттестован Госстандартом России, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 24734-03. Суммарная погрешность измерений и регистрации информативных параметров комплексом «ЛУЧ» с датчиком температуры ИС-470 составляет ± 2,9 %, с датчиком РЗМ - ±1,0 %.

После обработки на ЭВМ результат эксперимента выдаётся в виде графика зависимости давления от времени.

Процессы истечения газопорошковой смеси (факела струи) из насадка контролировались измерением расстояния X, пройденного фронтом факела газопорошковой струи от среза насадка во времени (рисунок 2.3).

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Кулявцев, Евгений Яковлевич

Выводы по главе

1. На основе аналогии капельная жидкость-псевдожидкость разработан метод и алгоритм расчета, позволяющий оперативно в интерактивном режиме работы с терминала ЭВМ рассчитать с точностью до 10 % основные параметры газопорошковой смеси при ее подготовке в корпусе и в процессе ее нестационарного истечения через отверстие и насадки в импульсном режиме.

Установлено, что при нестационарном процессе истечения двухфазных смесей для перехода от модели истечения капельных жидкостей к модели истечения газопорошковой смеси требуется корректировка коэффициента расхода, который имеет функциональную зависимость от доли частиц в газовой фазе.

2. При конструировании аппаратов для эффективного ожижения порошков конструкцию аэраторов следует подбирать с учетом свойств ожижаемого агента. Если вместо углекислого газа как газа индикаторного в качестве ожижаемых агентов использовать такие газы, как аргон, воздух, азот либо любой другой газ, для которых произведение плотности на индивидуальную газовую постоянную находятся в пределах

36< р • И <37, можно ожидать ожижение порошка в корпусе, близкое к однородному.

3. На базе известного метода расчета стационарного истечения газопорошковых смесей через насадки, учитывающего запаздывание скорости частиц от скорости газа, разработан метод и алгоритм расчета нестационарного истечения газопорошковых смесей, позволяющий оперативно в интерактивном режиме работы с терминала ЭВМ рассчитать с точностью до 10 % основные параметры газопорошковой смеси при ее подготовке в корпусе и в процессе ее истечения через отверстие и насадки в импульсном режиме.

Установлено, что при нестационарном процессе истечения двухфазных смесей требуется корректировка коэффициента запаздывания скорости частиц от скорости газа, который имеет функциональную зависимость от доли частиц в газовой фазе.

4. Результаты численных исследований параметров нестационарного истечения газопорошковый смесей показывают, что эффективность подготовки и транспортировки смеси газа и порошка непосредственно связана с установлением как коэффициента скорости, так и коэффициента расхода для известных или новых конфигураций отверстий, насадок или сопел, размеров и доли частиц в смеси, используемых ожижаемых агентов и т.п., которые могут быть установлены по методикам, разработанным в настоящей работе.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения эффективности процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей через насадки в импульсном режиме методами и средствами экспериментально-теоретических оценок параметров ожижения порошков и параметров смесей при их нестационарном истечении через отверстия и насадки.

Основные научные результаты и выводы сводятся к следующему: 1. Разработана методика экспериментально-теоретической оценки однородности газопорошковой смеси при использовании газов в качестве ожижающих агентов, вдуваемых в корпус аппарата через аэраторные устройства. В качестве критерия однородности смеси принята величина остатка массы порошка в корпусе после импульсного истечения газопорошковой смеси через насадок. Эффективность работы аппарата предложено оценивать коэффициентом качества подготовки газопорошковой смеси Ко, показывающим уровень отклонения газопорошковой смеси от однородного состояния. При значениях 0 < Ко < 1 газопорошковая смесь близка к однородной смеси; при Ко < О ожижение не однородное; при Ко = 1 газопорошковая смесь находится в свободном дисперсном состоянии.

2. Показано, что при конструировании аппаратов для эффективного ожижения порошков конструкцию аэраторов следует подбирать с учетом физических свойств ожижаемого агента. Если вместо углекислого газа как газа индикаторного, приводящего смесь к однородному состоянию, при прочих равных условиях в качестве ожижающих агентов использовать такие газы, как аргон, воздух, азот либо любой другой газ, для которых произведение плотности на индивидуальную газовую постоянную находятся в пределах 36< р • Ш <37, можно ожидать ожижение порошка в корпусе, близкое к однородному.

3. Экспериментально установлено, что при использовании аппаратов с ниппельными аэраторами при исходной порозности порошка 0,46-0,5 однородное ожижение порошка в корпусе достигается при расходе газа через аэраторы не менее чем 1,0 л/с и не более чем 10,0 л/с.

4. Установлено, что истечение газопорошковой смеси из коротких насадков в начальные моменты времени является нестабилизированным и нестационарным. Процесс стабилизации истечения имеет протяженность во времени не превышающую 0,06 секунд. При этом критерием стабилизации потока служит угол между осыо струи и внешней границей факела, изменяющийся от 80° до (9 — 11)° для стабилизированного потока.

5. Истечение газопорошковой смеси за счет сопротивления воздуха сопровождается вторичными процессами аэрации факела с высокоградиентным понижением плотности смеси более чем на порядок на расстояниях до 2,5 м от среза сопла. При этом для высоконапорного истечения смеси из корпуса (давление вскрытия более 1,2 МПа) сосредоточенное воздействие фронта факела может травмировать человека и привести к разрушению оборудования на расстояниях до 10 метров от среза сопла.

6. Разработаны и обоснованы методы численных расчетов газодинамических параметров нестационарного истечения двухфазного потока газопорошковой смеси через короткие насадки-распылители, базирующиеся на аналогии капельной жидкости и псевдожидкости, а также на условии запаздывания скорости частиц порошка от скорости газа, позволяющие оперативно в интерактивном режиме работы с терминала ЭВМ рассчитать с точностью до 10-15 % основные параметры процесса истечения смеси из корпуса в импульсном режиме.

7. Установлено, что наличие твердых частиц в газовой фазе влияет на параметры истечения газопорошковой смеси из корпуса через короткие насадки, когда доля частиц составляет более 15 % от объема смеси. При этом показано, что коэффициент запаздывания скорости частиц от скорости газа и коэффициент расхода в моделях двухфазного нестационарного истечения газопорошковой смеси — величины переменные при снижении доли частиц в смеси до 15 %. При доле частиц менее 15 % модели истечения газопорошковой смеси совпадают с моделями истечения капельной жидкости.

8. Методы расчета параметров нестационарного истечения двухфазных потоков с высоким содержанием частиц и результаты экспериментальных исследований процессов истечения газопорошковых смесей из насадков и отверстий использованы при проектировании конструктивных элементов модулей порошкового пожаротушения, а также для обоснования рациональных вариантов пространственно-планировочных расположений модулей в защищаемом пространстве опасных производств.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кулявцев, Евгений Яковлевич, 2013 год

Список использованных источников

1. Урьев, Н. Б. Высококонцентрированные дисперсные системы / Н. Б. Урьев. -М.: Химия, 1980.-227 с.

2. Аввакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов / Е. Г.Аввакумов . — Новосибирск: 1979 - 127 с.

3. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. [Электронный ресурс] /П.А. Ребиндер // Физико-химическая механика. Избр. Труды. - М.- 1979— Режим доступа: Википедия.Ьйп, свободный.

4. Гельперин, Н.И. Основы техники псевдоожижения / Н.И.Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.Б.Кваша. - М.: Химия. -1967. - 196 с.

5. Аэров, М.Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем // М.Э.Аэров, О.М.Тодес. - JL: Химия, 1968.-217 с.

6. Джексон, Р. Теоретическая механика псевдоожиженных систем / Р. Джексон // В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JT. Новобратского под ред. проф. Н.И.Гельперина. - М.: Химия, 1974. - С. 74-121.

7. Псевдоожижение / Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JI. Новобратского под ред. проф. Н.И. Гельперина. - М.: Химия, 1974. - 724 с.

8. Поттер, O.E. Перемешивание / O.E. Поттер // В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JT. Новобратского под ред. проф. Н.И. Гельперина. - М.: Химия, 1974.-С. 74-121.

9. Хоуменд, С. Работа лабораторных и пилотных аппаратов с псевдоожиженным слоем при высоких скоростях ожижающего агента. Поршневой режим / С. Хоуменд, И.Ф. Девидсон //В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н.

Гельперина, B.JI. Ыовобратского под ред. проф. Н.И. Гельперина. - М.: Химия, 1974.-С. 170-225.

10. Lewis, W.K. Characteristics of Fluidized Particles/ W.K. Lewis, E.R. Gilliland, W.G. Bauer//Ind. Eng. Chem. - 41, 1104.- 1949.

11. Hancock, R.T. / R.T. Hancock // Trans. Inst. Mining. Eng.- 94, 114 - 1938.

12. Ричардсон, Дж. Ф. Начало псевдоожижения и однородные системы / Дж. Ф. Ричардсон // В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JI. Новобратского под ред. проф. Н.И. Гельперина.- М.: Химия, 1974.- С. 37—73.

13. Devidson, J. F. Fluidised particles / J. F. Devidson, D. Harrison // Cembridge Univ. Press. - 1963, Псевдоожижение твердых частиц. Пер. с англ.-М.: Химия, 1965.

14. Массимилла, J1. Особенности движения плотных псевдоожиженных систем / JI. Массимилла // В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JI. Новобратского под ред. проф. Н.И. Гельперина. - М.: Химия, 1974. - С. 567—590.

15. Гельперин, Н.И. Аналогия между псевдоожиженным слоем и капельной жидкостью / Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн // В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JI. Новобратского под ред. проф. Н.И.Гельперина. - М.: Химия, 1974. - С. 475^198.

16. Шюгель, К. Реологические свойства псевдоожиженных систем / К.Шюгель // В кн. Псевдоожижение. Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. Пер. с англ. В.Г. Айнштейна, Э.Н. Гельперина, B.JI. Новобратского под ред. проф. Н.И.Гельперина. - М.: Химия, 1974. - С. 228-251.

17. Забродский, С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое / С.С. Забродский. - М.: Госэнергоиздат. - 1963.

18. Гельперин, Н.И. / Н.И. Гельперин, В.Г.Айнштейн, Г.И. Лапшенков, А.И. Козловский// Химическая промышленность, № 6, 1961.- 415 с.

19. Акопян, Jl.А. / JI.A. Акопян, А.Н. Плановский, А.Г. Касаткин // Химическая наука и промышленность, № 3, 1958.- 745 с.

20. Кулявцев, Е.Я. Моделирование газодинамических процессов при срабатывании модуля порошкового пожаротушения с использованием аналогии капельная жидкость—псевдожидкость / Е.Я. Кулявцев, В.Г. Казанцев, Р.И. Куимов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1. - С. 74—83.

21. Казанцев, В.Г. Выбор рациональных газодинамических параметров порошковых систем пожаротушения для эффективного подавления возгораний / В.Г. Казанцев, Е.Я. Кулявцев // Всероссийская научно-техническая конференция «Успехи в специальной химии и химической технологии», посвященная 75-летию Инженерного химико-технологического факультета РХТУ им. Д.И. Менделеева. - 2010. - С.77-81.

22. Казанцев, В.Г. Некоторые особенности применения модулей порошкового пожаротушения / В.Г. Казанцев, Е.Я. Кулявцев, А.Г. Овчаренко, Е.А. Петров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1. - С. 74-83.

23. Казанцев В.Г. Системы взрывозащиты газоотводящей сети высокой пропускной способности / В.Г. Казанцев, С.С. Золотых, М.К. Дурнин, В.В. Тормозов, Р.И. Куимов, Е.Я. Кулявцев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). - 2009. - T. 12 - № 12.-C.380—396.

24. Вараксин, A.IO. Турбулентные течения газа с твердыми частицами / А.Ю.Вараксин. - М.: Физматлит, 2003.-192 с.

25. Дейч, М.Е. Газодинамика двухфазных сред. / М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов. - М.: Энергоиздат, 1981.- 472 с.

26. Белоцерковский, О.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент / О.М. Белоцерковский, Ю.М. Давыдов. - М.: Наука, 1982.-392 с.

27. Борщевский Ю.Т. Двухфазные турбулентные струйные течения / Ю.Т. Борщевский, И.М. Федоткин, A.M. Колодин. - Киев: Техшка, 1972. - 146 с.

28. Терентьев, С.А. Проектирование оптической системы с цилиндрическими линзами пирометрического датчика определения координат очага возгорания / С.А. Терентьев, Е.В. Сыпин, Е.Я. Кулявцев, Р.И. Куимов, В.Г. Казанцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - № 1. - С. 126—132.

29. Сидоренко, А.И. Пирометрический датчик с оптическими затворами для определения двумерных координат очага взрыва / А.И. Сидоренко, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин, Е.Я. Кулявцев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - №3. - С. 90-93.

30. Лисаков, С.А. Компьютерное моделирование системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения / Лисаков С.А., Павлов А.Н., Сыпин Е.В., Кулявцев Е.Я. // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - №3. - С. 94-97.

31. Третьяков, Н.П. Компонентный анализ мировой статистики пожаров [Электронный ресурс] / Н.П. Третьяков // Технологии техносферной безопасности.- 2009.- № 3.- Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb, свободный.

32. Пожары и пожарная безопасность в 2008 г.: Статистический сборник / Под общей ред. Н.П. Копылова. - М.: ВНИИПО, 2008. - 137 с.

33. О пожарной безопасности [Электронный ресурс]: федеральный закон от 21.12.1994 №69-ФЗ. - Режим доступа: Консультант Плюс.

34. Палеев, Д.Ю. Математическое моделирование активного воздействия на взрывоопасные области и очаги горения в угольных шахтах / Д.Ю. Палеев, О.П. Барабандер. - Издательство Томского университета.- 1999.- 202 с.

35. Поляков, Ю.И. Теория проявления опасности: основные задачи стратегии технического регулирования безопасности техническими регламентами / Ю.И. Поляков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2008. - № 2.- С. 154-164.

36. Hogland, R.F. Recent advances in gas-particle nozzle flows / R.F. Hogland //ARS journal, vol. 32, № 5, 1962.- pp. 662-671.

37. Stockel, I.H. High-speed flow of fluidized solids in changing area / I.H.Stockel // Chemical engineering progress symposium series, vol. 58, № 38, 1962.- pp. 106-120.

38. Rudinger, G. Some effects of finite particle volume on the dynamics of gas-particle mixtures / G. Rudinger // AIAA journal, vol. 3, № 7, 1965.- pp. 1217-1222.

39. Рудингер, Дж. (G. Rudinger) Двухфазное истечение в соплах при большой весовой доле частиц / Дж. Рудингер // Перевод с англ., РКТ, том 8, №7, 1970.- С. 128-134.

40. Kliegel, J. R. Gas particle nozzle flow / J. R. Kliegel //Ninth symposium (international) on combustion, academic press.- New York, 1963.- pp. 811-826.

41. Hassan, H. A. Exact solutions of gas-particle nozzle flows / H. A. Hassan // AIAA journal, vol. 2, № 2, 1963.- pp. 395-397.

42. Сабинин, О. Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: автореф. дисс. ... канд. техн.наук. - М.,2008.

43. Иванов, Е.Н. Расчет и проектирование систем противопожарной защиты / Е.Н. Иванов.- 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Химия, 1990.- 384 с.

44. Газопорошковое пожаротушение [Электронный ресурс]: sozidatel86.ru.- Режим доступа: ООО «ПСК «Созидатель».

45. Савчук, В.П. Обработка результатов измерений / В.П.Савчук // Одесса: ОНПУ, 2002.- 54 с.

46. Сергеев, А.Г. Метрология / А.Г. Сергеев. - М.: Логос, 2005,- С. 271

47. Беляев, Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. - М.: «Высшая школа», 1976. - 657 с.

48. Филоненко-Бородич, М.М. Курс сопротивления материалов / М.М. Филоненко-Бородич, С.М. Изюмов, Б.А. Олисов, И.Н. Кудрявцев, Л.И. Мальгинов. - М.: издательство технико-теоретической литературы, 1956,- 540 с.

48. Иванов, E.H. Расчет и проектирование систем противопожарной защиты / E.H. Иванов. - 2-е изд., доп. и перераб. М.: Химия, 1990,- 384 с.

49. Газопорошковое пожаротушение [Электронный ресурс]: sozidatel86.ru.- Режим доступа: ООО «ПСК «Созидатель».

50. Пивоваров, В.В. Нормы пожарной безопасности. Установки порошкового пожаротушения автоматические. Модули. Общие технические требования. Методы испытаний / В.В. Пивоваров, В.А. Кущук, A.B. Долговидов // ВНИИПО МВД России, НПБ 67-98 .- 1998 .- Режим доступа: www.polyset.ru/GOST/doc/npb-67-98.pdf, свободный.

51. Емцев, Б.Т. Техническая гидромеханика / Б.Т. Емцев. - М.: Машиностроение, 1987.- 440 с.

52. Чугаев, P.P. Гидравлика / P.P. Чугаев. - Л.: Энергоиздат, 1982.- 672 с.

53. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика / Д.В. Штеренлихт. - М.: «Энергоатомиздат», 1984.- 640 с.

54. Курников, A.A. Пневматическая пылеуборка цехов машиностроительных заводов / A.A. Курников, В.А. Курников. - М.: «Машиностроение», 1983.- 153 с.

55. Абрамович, Г.Н. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович. - М.: Физматгиз, 1960.

56. Френкель, Н.З. Гидравлика / Н.З. Френкель. - М.-Л.: Госэнергоиздат,

1956.

57. Ульянов, Н.И. Модель газопорошковой струи [Электронный ресурс] / Н.И. Ульянов // Порошковое пожаротушение.- Режим доступа Википедия.Ьйп, свободный.

58. Мясников, A.A. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах /A.A. Мясников, С.П. Старков, В.И. Чикунов. - М.:«Недра», 1985.206 с.

59. Дарков, A.B. Строительная механика / А.В.Дарков, Н.Н.Шапошников. - М.: «Высшая школа», 1986,- 607 с.

60. Моссаковский, В.И. Прочность ракетных конструкций / В.И. Моссаковский, А.Г. Макаренков, П.И. Никитин, Ю.И. Саввин, И.Н. Спиридонов // Под ред. В.И. Моссаковского. - М.: «Высшая школа», 1990. — 359 с.

61. Балабух, Л.И. Основы строительной механики ракет / Л.И. Балабух, К.С. Колесников, B.C. Зарубин, H.A. Алфутов, В.И. Усюкин, В.Ф. Чижов. - М.: «Высшая школа», 1969.- 496 с.

62. Альтшуль, А.Д. Гидравлические сопротивления / А.Д.Альтшуль. - М.: «Наука», 1970.-216 с.

63. Rudinger, G. Relaxation in gas-particle flow / G. Rudinger // Nonequi-librium flows, vol. 1 of gas dynamics edited by P.P. Wegener, Dekker, New York, 1963.-pp. 119-161.

64. Орлов, Б.В. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе / Б.В.Орлов, Г.Ю.Мазинг. - М.: «Машиностроение», 1979.- 392 с.

65. Харлашин, П.С. Моделирование течения газопорошкового потока в соплах торкет-фурмы / П.С.Харлашин, А.К.Харин // Науков1 пращ ДонНТУ. Метфлурпя, вып. 12(177). - 2010. - С. 101-107.

66. Харлашин, П.С. Моделирование течения газовзвеси в торкет-фурме при различной концентрации порошка / П.С.Харлашин, Н.О.Чемерис // Металлургия и горнорудная промышленность. - 2009, №1.- С. 107-109.

67. Харлашин, П.С. Модель двухскоростного потока газовзвеси в торкет-фурме и прилегающей пневмотрассе / П.С.Харлашин, А.К.Харин // Вестник Приазовского технического университета.- 2009, вып. №19.- С. 33—37.

68. Кузнецов, Ю.М. Газодинамика процессов вдувания порошков в жидкий металл / Ю.М.Кузнецов. - Челябинск: «Металлургия», 1991.- 160 с.

69. Пучков, JI.A. Аэродинамика выработанных пространств / JI.A. Пучков. - М.: Изд. МГГУ, 1993.- 267 с.

70. Казанцев, В.Г. Обоснование рациональных пространственно-планировочных решений на базе эффективного управления геомеханическими

процессами на угольных шахтах: диссертационная работа на соискание ученой степень доктора технических наук, 2003. - 316 с.

71. Лаврик, В.Г. Диагностика и управление состоянием массива горных пород / В.Г. Лаврик, О.В.Михеев, В.Г.Казанцев. - М.: Издательство MAC, 2006.487 с.

72. Датчик ударной волны: пат. № 2472553 Российская Федерация: МПК А62С 37/00 Казанцев В.Г., Золотых С.С., Сутормин Д.А., Золотых М.С., Кулявцев Е.Я.; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Система промышленной безопасности». - 2011102379/12; заявл. 21.01.2011; опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2 - Юс.

73. Мортира пылеметная газодинамическая: пат. №2457333 Российская Федерация: МПК E21F 5/14 Казанцев В.Г., Золотых С.С., Куимов Р.И., Золотых М.С., Кулявцев Е.Я., Дурнин М.К.; заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Система промышленной безопасности». - 2011102377/12; - Заявл. 21.01.2011; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21 -10с.

Приложение 1 Акты внедрения результатов работы

Утверждаю:

АКТ

внедрения {результатов диссертационной работы Кулявцева Евгения Яковлевича «Повышение эффективности процессов подготовки и истечения газопорошковых смесей через насадки в импульсном режиме» на обогатительной фабрике «Анжерская», Кемеровская область, г, Анжеро-

Судженск,

Результаты исследований Кулявцева Е.Я. использованы при обосновании пространственно-планировочных и технологический решений расположения аппаратов порошкового пожаротушения для повышения пожарной безопасности сдедующихучастков:

- основной цех, предназначенный для приготовления реагентов и флотации, категория помещения В-16;

- сушильно-топочный цех, предназначенный для сушки угля, категория помещения В-Па;

1 г

- весовая здания погрузочных воронок, предназначенная для приема угля и отгрузки его в вагоны, категория помещения В-Па.

Аппараты порошкового пожаротушения эксплуатируются на ООО ОФ «Анжерская» непрерывно с 2010 года, осуществляют слежение за пожарной обстановкой в охраняемом пространстве без присутствия персонала.

СУ

Чевга А.Н.

Главный механик

Утверждаю

АКТ

Внедрения результатов диссертационной работы Кулявцева Евгения Яковлевича "Повышение эффективности процессов подготовки и истечения газонорошковых смесей через насадки в импульсном режиме» на шахте «Черпжская - Коксовая».

Модули порошкового пожаротушения, предназначены для локализации и подавления возгорания пожаров классов А, В, С и Е, работают в режиме автономного длительного дежурства.

Модули порошкового пожаротушения эксплуатируются на шахте "Чертинская-Коксовая" непрерывно с 2008г для повышения пожарной бе »опасности учла подготовки I орячего воздуха для регулирования климата в шахте.

Аппараты порошкового пожаротушения осуществляют слежение за пожарной

обстановкой охраняемого пространства без присутствия персонала, проси»! в обслуживании.

у Главный инженер _Андреев М.И.

/

Андреев М.И. _2012г

I