Національна академія наук України
National  Academy  of  Sciences  of  Ukraine

Skip Navigation Links
Пропустити посилання переходів
Про проекти
За роками
Установи-виконавці
Партнери
Наукові пріоритети
Державні пріоритети
Призначення
Ключові слова
Про портал
Пропустити посилання переходів
Актуальні для України проблеми, для вирішення яких можуть бути використані результати виконання проекту
Опис результатів виконання проекту
Суб'єкти використання результатів проекту
Близькі за напрямом існуючі вітчизняні та зарубіжні аналоги
Основні переваги кінцевих результатів проекту
Про участь партнерів у виконанні проекту
Пропозиції щодо практичного впровадження результатів проекту
Опис результатів виконання проекту 

 

Основні особливості тепло-масобмінних технологій що використовують фонтануючий шар

Вся різноманітність технологічних процесів, пов'язаних з тепло-масобміном у фонтануючому шарі між газом і твердими або рідкими частками може бути зведена до розгляду процесів сушіння і нанесення покриттів.

У технологіях сушіння часток тривалість процесу визначається вимогою зниження вологості часток до потрібної величини. Тривалість процесу сушіння в основному визначається сумарним часом перебування часток у зваженому стані протягом всіх циклів.

  У технологіях капсулювання тривалість процесу визначається необхідністю покриття поверхні всіх часток капсулянтом. Для технологічного процесу капсулювання час перебування часток у зваженому стані є визначальним на кожному із циклів, тому що протягом цього часу із крапель капсулянта, що потрапили на поверхню часток у розгінному центральному каналі, повинен випаруватися розчинник, а капсулянт, що потрапив на частку, повинен прийти до стану, що не допускає злипання часток при їхньому взаємному контакті в кільцевому насипному шарі. Припустимий час перебування часток у зваженому стані визначається теплофізичними властивостями розчину капсулянта: теплотою випару розчинника, залежністю тиску насичених парів від температури, часом кінетичного випару. Важливе значення має також здатність капсулянта до швидкого затвердіння в міру випару розчинника. Всі перераховані властивості розчину капсулянта є визначальними при виборі параметрів процесу капсулювання у фонтануючому шарі. Виходячи із цього, висуваються вимоги як до процентного вмісту полімеру в розчині, так і до формування суміші несучого газу із краплями розчину капсулянта, включаючи розміри крапель, їхній об'ємний вміст у несучому газі та ін. Ці вимоги є вихідними даними для параметрів фонтануючого шару і суміші несучого газу із краплями капсулянта. Таким чином, задача остаточного відпрацьовування технології капсулювання повинна розглядатися в сполученій постановці.

 Основні положення методики вибору і обґрунтування параметрів технологічних апаратів

Одним з основних етапів розробки технологічних апаратів з фонтануючим шаром є експериментальне відпрацювання на модельних установках умов і можливостей реалізації промислових агрегатів. З огляду на широкий спектр технологічних застосувань з реалізацією процесу фонтанування по видах сипучих матеріалів, геометрії апаратів, їхньої продуктивності і інших умов у літературних джерелах є багато інформації про різноманітність використаних експериментальних установок [ 1-4, 6-7].

  Визначальними розмірами цих апаратів є діаметри отворів для подачі несучого газу, кути конусності вхідних ділянок, діаметри циліндричної частини. Випробувані сипучі матеріали характеризуються крупністю та формою часток, щільністю та насипною щільністю, кутом природного відкосу.

Для проведення багатопараметричних експериментальних досліджень доцільно використання маломасштабної установки, що дозволяє з'ясувати основні взаємозв'язки геометричних параметрів установки, витрат газу і сипучого матеріалу без значних матеріальних витрат і в найкоротший термін. До складу установки входить набір моделей робочої частини технологічного апарата з різними кутами конусності. Моделі робочої частини апарата виготовляються у двох варіантах: «кругова» конічна модель і «напівкругова» модель, що являє собою половину конуса, обмежену площиною, що містить вісь симетрії конуса.

Дослідження проводяться у два етапи: на «круговій» і «напівкруговій» установках.

«Кругова» установка використовується для підбору геометричних і режимних параметрів, що забезпечують стійке фонтанування сипучого матеріалу. До цих параметрів відноситься кут конусності, відносний рівень початкового засипання сипучого матеріалу, швидкості початку і кінця стійкого фонтанування, залежності пускових тисків і тисків стійкого фонтанування від властивостей сипучого матеріалу та ін.

Експерименти на «напівкруговій» установці проводяться для визначення структурних характеристик фонтануючого шару - форми ядра фонтана, траєкторії і швидкості часток у різних зонах фонтана, часу циркуляції часток та ін.

При складанні програми параметричних досліджень на маломасштабній установці повинні бути враховані відомі обмеження, справедливі для апаратів різного діаметра, виконання яких обов'язкове для забезпечення стійкого фонтанування [1, 2, 7, 8]. Отримана на лабораторних установках малого масштабу інформація, є базою для створення повномасштабної модельної установки проектованого апарату, основною метою якої є перевірка обґрунтованості вибору конструктивних і режимних параметрів технологічного апарату.

Таким чином, моделювання процесів фонтанування сипучих матеріалів проводиться в такій послідовності. На маломасштабній установці при широкому варіюванні основних параметрів (кута конусності, рівнів початкового засипання і властивостей сипучих матеріалів) досліджується їхній вплив на характер фонтанування і забезпечення технологічних вимог. За результатами цих досліджень вибираються геометричні параметри установки натурного масштабу, на якій підтверджуються обґрунтованість вибору цих параметрів.

Для забезпечення можливості переносу результатів з маломасштабної установки на повномасштабну необхідно дотримання критеріїв подоби процесу фонтанування, що відображають подобу геометричних параметрів досліджуваного апарата, характеристик сипучого матеріалу і несучого газу.

У тому випадку, коли випробування на натурному несучому газі (суміші газів), у силу будь-яких причин неможливо провести, випробування проводяться на повітрі, при цьому повинно бути враховане розходження у в'язкості і щільності між цими середовищами. При наявності істотних розходжень у цих параметрах, їхня компенсація для витримування подоби в характері обтікання часток у фонтануючому шарі може бути здійснена за рахунок відповідного підбора імітатора сипучого матеріалу. При виборі імітатора сипучого матеріалу повинна бути дотримана подоба за формою часток і властивостям сипучої маси – порозності та кута природного відкосу.

 Параметричні дослідження на маломасштабній установці

Відповідно до запропонованої методики для обґрунтування вибору кутів конусності нижньої частини технологічного апарату використана маломасштабна установка з діаметром вхідного отвору 60 мм зі змінними конусами 30о, 44о, 52о, 60о, 70о, виконаними із прозорої ПХВ-плівки. Загальний вид маломасштабної установки наведений на мал. 1.

  Мал. 1 – Загальний вигляд маломасштабної експериментальної установки

Прозорі стінки конусів забезпечували можливість візуального контролю процесу фонтанування і проведення відеозйомки.

Типові приклади запису показань датчиків перепаду тиску і швидкості повітря при різних рівнях початкового заповнення сипучим матеріалом представлені на мал. 2.

  Мал. 2 – Зміна перепаду тиску і швидкості повітря у вхідному отворі на різних етапах фонтанування проса в конусі з кутом розчину 52о,       Dвх=60 мм: 1 – Hтв=120 мм; 2 – Hтв=180 мм; 3 – Hтв=240 мм

Наведені залежності ілюструють різні фази формування фонтануючого шару: фільтрацію повітря через насипний шар сипучого матеріалу (ділянки 0-A), що відрізняється ростом швидкості і перепаду тиску; прорив повітря через шар сипучого матеріалу (ділянки A-B), що супроводжується падінням тиску та ростом швидкості; перехід до початку фонтанування і фонтануванню (ділянки В-С), ступінь стійкості якого характеризується рівнем пульсацій тиску і швидкості; кінець стійкого фонтанування (ділянки С-D), свідченням якого є ріст пульсацій швидкості і тиску.

Отримані в результаті обробки експериментів середньоквадратичні відхилення тиску і швидкості при варіюванні кутів конусності ( α =30о, 44о, 52о, 60о і 70о) для однакових рівнів заповнення конусів сипучим матеріалом дозволяють дати кількісну оцінку ступеня стійкості фонтануючого шару.

На ділянках стійкого фонтануванні відносна амплітуда пульсацій швидкості не перевищує 1-2%. Відносна амплітуда пульсацій тиску при цьому перебуває в межах 6-22%. З наведених результатів витікає, що максимальні амплітуди пульсацій надлишкового тиску і швидкості повітря мають місце при куті конусності 30о. У міру росту кута конусності відносні амплітуди пульсацій цих величин знижуються.

Для дослідження структури фонтануючого шару використана «напівкругова» модель із кутом конусності 52о. Аналіз фотознімків з різними термінами експозиції дозволяє визначити такі структурні параметри фонтануючого шару як швидкість часток у різних зонах фонтануючого шару, об'ємну концентрацію часток у фонтані, траєкторії часток при їхньому спадному русі (мал. 3, 4).

 Мал. 3 – Фонтануючий шар у маломасштабній (а) і повномасштабній (б) установках («напівкругові» моделі, α= 52о)

 

 Мал. 4 – Визначення структурних характеристик фонтануючого шару на маломасштабній установці (просо, «напівкругова» модель, α= 52о):
а) – експозиція 1/2 с; б) – експозиція 1/1000 с
 

Тестові випробування на повномасштабній модельній установці

Для відпрацювання методичних положень переносу результатів, отриманих при випробуваннях на маломасштабной установці, була виготовлена установка, що являє собою експериментальну модель маломасштабної установки масштабу М 6:1 – повномасштабна установка. В якості конічної частини використані кругові конуси з кутами конусности 30о і 52о. До складу установки входить також «напівкругова» модель робочої частини з кутом конусності α=52о Робоча газова суміш моделюється повітрям при атмосферних умовах і використовуються різні сипучі матеріали (гранули поліетілену, зерно проса та пшона). Аналогів експериментальних установок такого масштабу в літературних джерелах не виявлено. Загальний вид повномасштабної установки представлений на мал. 5.

 

 Мал. 5 – Загальний вигляд повномасштабної установки 

При проведенні випробувань на повномасштабній установці вирішувалися наступні задачі:

– відпрацювання конструкції вхідного газорозподільного пристрою для забезпечення рівномірності розподілу швидкості газу на вході в конічну частину апарата, незалежно від конфігурації трубопроводів живлення;

– підтвердження відомих літературних даних, що стосуються забезпечення умов стійкого фонтанування, які отримані на модельних установках з діаметром вхідного отвору від 12 до 100 мм [1, 2, 7];

– підтвердження правочинності переносу результатів, отриманих на маломасштабних установках, на установки істотно більших розмірів;

– дослідження газодинамічних процесів при формуванні і функціонуванні фонтануючого шару;

– дослідження структурних характеристик фонтануючого шару.

Результати випробувань на повномасштабній установці з кутом конусності нижнього конуса 52о показали, що для всіх трьох сипучих матеріалів існують режими стійкого фонтанування.

  Умови переносу результатів з маломасштабних установок на повномасштабні (натурні)

Необхідною умовою можливості переносу результатів експериментів, з установок малого масштабу на установки натурного масштабу є геометрична подоба досліджуваних установок, подоба характеристик і властивостей сипучого матеріалу як квазісуцільного середовища і газодинамічна подоба потоків, що забезпечують фонтанування сипучого матеріалу.

Параметрами, які визначають геометрію установок є: діаметр вхідного отвору для подачі газу Dвх, рівень початкового заповнення конусної частини сипучим матеріалом Hтв або діаметр верхньої поверхні насипного шару Dтв та кут конусності моделі робочої частини апарата αкон Для забезпечення стійкого фонтанування кут конусності робочої частини апарату вибирається з урахуванням кута природного відкосу матеріалу φ відповідно до співвідношення
α=180о-2(φ+30...40о)

При виборі імітатора сипучого матеріалу необхідно щоб поряд з кутом природного відкосу φ φ його порозність ε була близька до порозності натурного матеріалу. У тому випадку, якщо на модельній і натурній установках використовується один і той сипучий матеріал для геометричної подоби досить виконання умов αкон=idem, Dвх/Dтв= idem (Hтв/Dвх= idem).

Кінцевим результатом модельних випробувань є визначення перехідних коефіцієнтів для кожного з досліджуваних параметрів: Aн=kА Aм, де Aн, Aм – шукані величини параметра на натурі і моделі; kА – перехідний коефіцієнт.

Оскільки умови випробувань на повномасштабній моделі приймаються подібними до умов експлуатації на натурній установці стосовно до моделюємих гідродинамічних параметрів, то з порівняння результатів експериментів на маломасштабній і повномасштабній установках можуть бути визначені перехідні коефіцієнти для основних параметрів процесу формування та існування фонтануючого шару: пускового тиску Δpпт, тисків Δpпф і швидкостей Vпф початку фонтанування, тисків Δpкф і швидкостей Vкф кінця стійкого фонтанування.

Результати параметричних досліджень щодо впливу визначальних факторів на зміну Δpпт, Δpпф і Δpкф показали, що із всіх факторів найбільш істотним є відношення висоти засипання Hтв до вхідного діаметра Dвх та тиск стовпа сипучого матеріалу ρнgHтв Фактичні дані визначення Δpпт і Δpпф (Δpкф ≈Δpпф), отримані на маломасштабній моделі і на повномасштабній установці після осреднення їх за методом найменших квадратів дозволили одержати емпіричні залежності для їхньої оцінки.

Із цих залежностей слідує, що параметри p*пт=Δpпт/ρнgHтв і p*пф=Δpпф/ρнgHтв  можуть бути прийняті як критерії подоби, що погоджується з літературними даними по фонтануючих шарах [1, 2, 7]. Порівняння цих емпіричних залежностей з експериментальними даними, отриманими на установках різного масштабу, наведені на мал. 6.  

 Мал. 6 – Залежність пускового тиску (а) і тиску початку фонтанування (б) на різномасштабних моделях: маломасштабна модель (■ – пшоно, α=44о;   ● – пшоно, α= 52о; ○ – пшоно, α=60о; □ – пшоно, α=70о; ■ – просо, α=44о; ● – просо, α=52о; ж – просо, α=60о; × – просо, α=70о; ◊ – поліетілен, α=44о; ∆ – поліетілен, α=52о;▲ – поліетілен, α=60о;+ – поліетілен, α=70о), повномасштабна модель , α=52о (ж – просо;  х – поліетілен («напівкругова» модель); + – поліетілен)

При рівності насипної щільності сипучого матеріалу для маломасштабної і повномасштабної установок перехідний коефіцієнт моделювання дорівнює лінійному масштабу установок.

Порівняння експериментальних даних по швидкостях Vпф і Vкф на маломасштабній і повномасштабній установках виявили істотний вплив факторів Hтв і Dвх.

Комплексною аеродинамічною характеристикою частки, що враховує найважливіші фізичні параметри частки і прилягаючого до неї граничного шару є число Рейнольдса витання Reвит=dтVвитρ/μ, де µ – коефіцієнт динамічної в'язкості несучого газу.

Порівняння експериментальних даних отриманих на маломасштабній і повномасштабній установках показало, що перехідний коефіцієнт для швидкостей початку і кінця стійкого фонтанування відрізняється від лінійного масштабу установок. Розрахунковим шляхом цей коефіцієнт можна одержати з аналізу умов стійкості міжфазної границі ядра фонтана.

Порівняння розрахункових значень Vнпф і Vнкф з експериментальними даними підтверджує адекватність розрахункової оцінки (мал. 7) і показує, що швидкість початку фонтанування на повномасштабній установці, виконаній в масштабі 6:1 стосовно маломасштабної в (kL)0,5=2,44 рази більше ніж на маломасштабній установці. Цей результат корелює з даними, наведеними в роботі [1] для промислової установки з Dвх=150 мм стосовно модельної установки з Dвх=100 мм і даними роботи [6] для установок з Dвх від 50 до 150 мм.

 

 Мал. 7 – Залежності швидкості початку і кінця фонтанування проса від початкової висоти шару на маломасштабній і повномасштабній моделях (α=52о): 1 – Vпф/Vвит;  Vкф/Vвит; ●, ■ – експерименти на маломасштабній і повномасштабній установках відповідно;  – – – – – розрахунок

Висновок

Для скорочення матеріальних і часових витрат при обґрунтуванні параметрів технологічних процесів сушіння і капсулювання сипучих матеріалів з фонтануючим шаром доцільно проведення досліджень, пов'язаних з гідродинамічною взаємодією твердих часток і несучого газу на модельних установках різного масштабу з урахуванням геометричних особливостей апарату і технологічного регламенту.

Запропоновано методику експериментального обґрунтування конструктивних і режимних параметрів розроблювальних технологічних апаратів, що складається з двох етапів.

На першому етапі в результаті параметричних досліджень на маломасштабній експериментальній установці при широкому варіюванні основних параметрів (кута конусності, рівнів початкового засипання і властивостей сипучих матеріалів) визначається вплив цих параметрів на стійкість фонтанування в забезпечення технологічних вимог.

На другому етапі, за результатами досліджень на маломасштабній установці, вибираються геометричні параметри модельної установки близької до натурної, на якій підтверджується обґрунтованість вибору цих параметрів, проводиться відпрацювання газорозподільного пристрою, що забезпечує рівномірний профіль швидкості несучого газу на вході в апарат незалежно від режимів роботи нагнітальних агрегатів і конфігурації газоводів. При істотному впливі масштабних ефектів на параметри, що забезпечують працездатність фонтануючого шару, вони повинні бути враховані при розробці натурного технологічного апарата.

Результати проведеної роботи за даним проектом опубліковані в журналі «Наука та інновації» за 2008 р., №2, с.21-32.

 Література

1. Матур К., Эпстайн Н. Фонтанирующий слой. – Л.: Химия, 1978. – 288 с.

2. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. – Л.: Химия, 1979.– 272 с.

3. Сударушкин Ю.К., Павлюк В.В., Махов А.Н. Конвективно-лучевая сушка композиционного материала на основе полиамида в фонтанирующем слое. – Журнал прикладной химии, 2005, Т. 78, вып.12. – С .2008-2010.

4. Василишин М.С., Братилов Б.И., Петров Е.А. и др. Установка с фонтанирующим слоем инертной насадки для сушки водно суспензии ультрадисперсного алмаза. – Химическая промышленность, 2003, Т.80, №4. – С.48-51.

5. Теплицкий Ю. С., Ковенский В.И. Дисперсные системы со взвешенными частицами:проблема масштабирования и критерии гидродинамического подобия. – Инженерно-физический журнал, 1999, Т.72, №2. – С. 312-316.

6. Попов С.И. Экспериментальные исследования процесса сушки кормосмеси. – Вестник Донского государственного технического университета, 2005, Т.5, 31(23). – С.92-100.

7. Рабинович М.И. Тепловые процессы в фонтанирующем слое. – Киев: Наукова думка, 1977.– 170 с.

8. Лыков Н.В. Сушка в химической промышленности.– М.: Химия, 1970.– 432 с.  

 
 
Заповнюється відповідальним співробітником установи-виконавця проекту
 
Президія НАН України © Макетний зразок
  This Website is best available with Microsoft Internet Explorer 6.0+