Помощь студентам в учебе
АГЛОМЕРИРОВАНИЕ И РАЗДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ СУСПЕНЗИЙ ПРИ СОУДАРЕНИИ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ТЕХНОЛОГИЯХ ТЕПЛОТЕХНИКИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖУЩИХСЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ 14
1.1. Типичные параметры работы тепломассообменных установок 14
1.2. Вторичное измельчение капель и струй жидкости 22
1.3. Влияние свойств жидкости на последствия столкновений капель и струй . 24
1.4. Взаимодействие капель воды с твердыми стенками 28
1.5. Разделение компонентов газопарокапельных потоков 33
Выводы по первой главе 38
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И МЕТОДИКИ
ИССЛЕДОВАНИЙ 40
2.1. Параметры работы энергетического оборудования с
газопарокапельными потоками 40
2.2. Бинарное взаимодействие капель жидкостей и твердых частиц при
нормальных условиях 41
2.3. Соударения капель жидкостей и твердых частиц при варьировании
температуры и давления газовоздушной среды 55
2.4. Соударения капель жидкостей и твердых частиц в спреях 59
2.5. Выбор составов для изучения влияния вязкости и поверхностного
натяжения жидкости на характеристики взаимодействия капель 63
Выводы по второй главе 67
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 69
3.1. Бинарные соударения капель жидкостей в энергетическом
оборудовании 69
3.2. Взаимодействие капель жидкостей с твердыми частицами в
энергетическом обрудовании 87
3.3. Перемешивание и разделение компонентов жидкостей при соударении
капель и частиц 108
3.4. Коллективные эффекты при соударении капель жидкостей и твердых
частиц 129
3.5. Влияние условий, характерных теплообменнному оборудованию, на
соударения капель жидкостей и твердых частиц 151
3.6. Изменение дисперсности газопарокапельных сред в элементах
топливного цикла 176
3.7. Рекомендации по использованию результатов исследований для
повышения эффективности энергетического оборудования с газопарокапельными потоками 186
Выводы по третьей главе 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 203
ЛИТЕРАТУРА 205
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные публикации по теме диссертации 227
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Перечень научных конференций, на которых выполнена апробация результатов диссертационных исследований 228
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Заявки на патенты РФ 230
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Перечень проектов, в рамках которых получены результаты диссертационных исследований 231
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Материалы об использовании результатов диссертационных исследований 232
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖУЩИХСЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ 14
1.1. Типичные параметры работы тепломассообменных установок 14
1.2. Вторичное измельчение капель и струй жидкости 22
1.3. Влияние свойств жидкости на последствия столкновений капель и струй . 24
1.4. Взаимодействие капель воды с твердыми стенками 28
1.5. Разделение компонентов газопарокапельных потоков 33
Выводы по первой главе 38
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И МЕТОДИКИ
ИССЛЕДОВАНИЙ 40
2.1. Параметры работы энергетического оборудования с
газопарокапельными потоками 40
2.2. Бинарное взаимодействие капель жидкостей и твердых частиц при
нормальных условиях 41
2.3. Соударения капель жидкостей и твердых частиц при варьировании
температуры и давления газовоздушной среды 55
2.4. Соударения капель жидкостей и твердых частиц в спреях 59
2.5. Выбор составов для изучения влияния вязкости и поверхностного
натяжения жидкости на характеристики взаимодействия капель 63
Выводы по второй главе 67
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 69
3.1. Бинарные соударения капель жидкостей в энергетическом
оборудовании 69
3.2. Взаимодействие капель жидкостей с твердыми частицами в
энергетическом обрудовании 87
3.3. Перемешивание и разделение компонентов жидкостей при соударении
капель и частиц 108
3.4. Коллективные эффекты при соударении капель жидкостей и твердых
частиц 129
3.5. Влияние условий, характерных теплообменнному оборудованию, на
соударения капель жидкостей и твердых частиц 151
3.6. Изменение дисперсности газопарокапельных сред в элементах
топливного цикла 176
3.7. Рекомендации по использованию результатов исследований для
повышения эффективности энергетического оборудования с газопарокапельными потоками 186
Выводы по третьей главе 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 199
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 203
ЛИТЕРАТУРА 205
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные публикации по теме диссертации 227
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Перечень научных конференций, на которых выполнена апробация результатов диссертационных исследований 228
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Заявки на патенты РФ 230
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Перечень проектов, в рамках которых получены результаты диссертационных исследований 231
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Материалы об использовании результатов диссертационных исследований 232
Изучению интенсификации теплообменных и физико-химических процессов и фазовых превращений за последние 50 лет посвящено большое количество работ российских и зарубежных исследователей, в частности [1-3]. Область практического применения газопарокапельных смесей [4-6] включает борьбу с природными и техногенными пожарами, химическую и нефтяную промышленность, тепломассообменное оборудование и др. [7-10]. Большой интерес вызывает их применение в системах впрыска топлива в двигателях внутреннего сгорания и котельных агрегатах. В условиях ограниченности водных ресурсов актуальна область термической очистки воды. В теплоэнергетике подобные процессы протекают в градирнях, деаэраторах, смешивающих подогревателях, испарителях, гравитационных и гидравлических
классификаторах, пылеулавливающих установках и других тепломассообменных аппаратах [11].
При очистке газов, содержащих частицы несгоревшего топлива, золу или пыль, применяются различные способы осаждения твердых частиц [12-14]: сухая и мокрая очистка, фильтры и электрофильтры. К одному из наиболее эффективных способов очистки газов относится мокрая очистка, предполагающая пропускание потока дымовых газов через распыляемую воду [15,16] или барботирование через слой воды [17-19]. Такой способ является наиболее эффективным для улавливания частиц размерами 0,3-1 мкм [20,21]. Для улавливания более мелких частиц размером (менее 0,1 мкм) используются электрофильтры [22,23]. Они не применимы для осаждения крупных витающих частиц. Эффективность мокрого способа очистки газов может быть снижена из-за повторного выделения твердых частиц в атмосферу. Одной из причин этого является эффект столкновения капель, содержащих твердые частицы на высокой скорости. Повышенную эффективность в очистке дымовых газов демонстрируют уловители твердых частиц с трубками Вентури. В таких конструкциях поток уходящих газов орошается водой из форсунок, установленных радиально или тангенциально потоку. Таким способом, можно достигнуть степени очистки уходящих газов выше 0,99. Существенным недостатком любых фильтров и пылеуловителей, к которым относятся вышеперечисленные тепло- и массообменные установки, является увеличение гидродинамического сопротивления потоку от 6 до 12 кПа. Всвязи с этим возникает необходимость настройки режимов работы установок производства, преобразования и потребления энергии для улавливания максимального объема твердых частиц в газах при снижении сопротивления. Кроме этого, существенным недостатком мокрого пылеулавливания является образование шламосодержащих стоков. Эти стоки также необходимо очищать и обезвреживать перед доставкой к месту захоронения. Высокую эффективность в очистке промышленных стоков показал термический способ. Для повышения его коэффициента полезного действия также целесообразно использовать вторичное измельчение капель за счет их соударения друг с другом. Таким образом, изучение агломерирования и разделения компонентов суспензий при соударении капель и частиц в энергетическом оборудовании представляет значительный интерес для решения задач интенсификации процессов тепло- и массопереноса в системах и установках, использующих тепло, оптимизации параметров тепловых технологических процессов и разработки оптимальных схем установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции в технологических процессах.
Целью диссертационной работы является определение характеристик и условий агломерирования и разделения компонентов суспензий при соударении капель и частиц в энергетическом оборудовании для решения задач интенсификации процессов тепломассопереноса и фазовых превращений в энергетическом оборудовании.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка экспериментальной методики, создание стендов, планирование и проведение исследований взаимодействия движущихся капель жидкостей в газовоздушной среде с разной температурой и влажностью.
2. Выбор характеристик жидкости и газовоздушной среды, методик и систем для приготовления водных растворов, эмульсий, суспензий с обеспечением варьирования их свойств в диапазонах, соответствующих энергетическим установкам.
3. Изучение закономерностей взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц для стабильной реализации требуемых режимов взаимодействия (отскок, коалесценция, разлет, дробление) и определение критических значений безразмерных чисел для каждого режима.
4. Регистрация и вычисление интегральных характеристик вторичных фрагментов жидкости после взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц.
5. Установление влияния основных параметров (температура, относительная скорость, угол атаки, компонентный состав, форма и концентрация капель жидкостей в аэрозольном потоке) на режимы взаимодействия капель и частиц, а также вторичные фрагменты жидкости.
6. Исследование влияния процессов взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц на характеристики и условия теплообмена.
7. Разработка способов формирования газопарокапельных потоков с заданным компонентным составом при раздельной подаче твердых и жидких компонентов с разными параметрами внешней газовоздушной среды .
8. Формулирование рекомендаций по практическому применению результатов исследований для повышения эффективности работы энергетических установок и систем.
Научная новизна работы. Разработана методика экспериментального исследования взаимодействия движущихся капель жидкостей и твердых частиц в газовоздушной среде с варьируемой температурой, давлением и влажностью. При
проведении экспериментов использовалась методика, включающая применение оптических методов («Particle Image Velocimetry» и «Interferometric Particle Imaging»). Установлены параметры (критические значения чисел Вебера, Онезорге, Рейнольдса, капиллярности, углы атаки, скорости движения и др.), необходимые для реализации четырех режимов взаимодействия (отскок, коалесценция, разлет и дробление) капель жидкостей между собой и с твердыми частицами. Эксперименты проведены на стендах с параметрами, близкими к условиям работы теплоэнергетического оборудования. Получены
аппроксимационные выражения для прогнозирования характеристик газопарокапельных потоков с учетом совокупности соударений капель и частиц.
Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные, аппроксимационные выражения и теоретические положения представляют основу для разработки и создания теплотехнических систем, работающих с многокомпонентными и многофазными потоками. Результаты диссертационной работы целесообразно использовать при параметрической оптимизации тепловых технологических процессов и разработке новых и совершенствовании известных установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества производимой продукции. Результаты исследований (карты режимов, функциональные связи выходных характеристик с входными параметрами, математические выражения, запатентованные технологические решения) целесообразно использовать при разработке и оптимизации параметров работы капельно-струйных оросителей, эжекционных градирен, деаэраторов и других теплотехнических установок и систем.
Степень достоверности полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей результатов измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях основных параметров, использованием малоинерционных и высокоточных оптических методов и программно-аппаратных комплексов, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными следствиями других авторов.
Связь работы с научно-образовательными программами и грантами. Диссертационные исследования агломерирования и разделения компонентов суспензий при соударении капель жидкостей и твердых частиц в смешивающих устройствах выполнены при поддержке гранта РНФ (Проект № 18-19-00056), их взаимодействия в режимах отскока, коалесценция, разлета и дробления с интенсификацией тепломассопереноса в камерах сгорания, реакторах, теплообменом оборудовании - при поддержке гранта РНФ (№ 18-71-10002, № 18-71-10002П), изучение компонентного состава и интегральных характеристик вторичных фрагментов при слиянии и распаде капель жидкостей - в рамках проекта РНФ № 21-71-10008.
Тематика исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального уровня, получившей высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам развития («Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»). Резлуьтаты диссертационный исследований использованы в образовательных программах НИ ТПУ для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». На основе методики экспериментальных исследований составлены методические указания для проведения лабораторных работ по дисциплине «Методология экспериментальных исследований
теплоэнергетических процессов».
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:
1. Вторичное измельчение капель за счет взаимодействия газопарокапельных струй и потоков твердых частиц способствует повышению площади испарения технологических жидкостей в несколько раз. Отношение площади поверхности теплообмена жидкости в системах, генерирующих тепло, после и до соударений капель увеличивается в 1,2-4 раза.
2. Режим устойчивой агломерирования капель жидкостей с твердыми частицами при отношении их размеров от 0,5 до 1,5 в диапазоне значений числа Вебера от 50 до 100 реализуется при изменении вязкости жидкости от 1,0 мПа-с до 6,3 мПа-с и поверхностного натяжения от 36,1 мН/м до 72,7 мН/м. Рабочие жидкости для систем, генерирующих тепло, в частности, топлива, очистные растворы, растворительные эмульсии имеют свойства, соответствующие данным диапазонам.
3. Применение бесконтактных оптических методик с флуорофорами позволило обосновать, что за счет соударения капель жидкостей обеспечивается их смешение с получением фрагментов, содержащих требуемое соотношение объемов компонентов исходных капель. При изучении соударения капель технологических жидкостей, типичных теплоэнергетическим системам, определены режимы агломерирования с получением двух-, трех- и многокомпонентных капель.
4. Аэрозольные потоки претерпевают значительные изменения по составу капель и частиц при их движении в энергетических установках. В частности, при перемещении родительских капель в газовоздушной среде с температурой от 20 °С до 500 °С их размеры меняются в несколько раз за счет интенсификации теплообмена, фазовых превращений и соударений. В завихрительных системах и охладительных блоках можно снизить продолжительность технологических циклов на 3-7 %.
5. Интегральные характеристики вторичных жидкостных фрагментов, полученных при соударении исходных капель и частиц, в случае варьирования давления от 0,09 до 0,5 МПа изменяются на 9-25 %, а температуры газовоздушной среды от 20 до 700 °С - в 4-5 раз. Соответствующие эффекты позволяют повысить характеристики работы энергетических установок на 4-11 %.
Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований, проведении серии опытов, обработке результатов, оценке систематических и случайных погрешностей, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций использования полученных результатов, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные результаты, сформулированные положения и теоретические следствия диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2017), Международный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018, 2019), III международная конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2020), XXXII Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Балашиха, 2020), IX Всероссийская научнопрактическая конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2020), XV Всероссийская научная конференция молодых ученых, посвященная Году науки и технологий в России «Наука. Технологии. Инновации.» (Новосибирск, 2021), Всероссийская (международная) научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭНЕРГИЯ» (Иваново, 2021, 2022), Тепломассообмен и
гидродинамика в закрученных потоках (Москва, 2021), XXVI Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2022), Восьмая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 2022), Внутренняя научно-практическая конференция молодых специалистов Уренгойского газопромыслового управления, посвященная 45-летию с даты образования ООО «Газпром добыча Уренгой» (Новый Уренгой, 2023), I Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская теплофизика» (Красноярск, 2023), XXIV школа семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, посвященная 100-летию академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Казань, 2023), Всероссийская конференция с международным участием и элементами научной школы для молодых учёных «XXXIX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2023).
Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 22 печатных работах, в том числе 14 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «Powder Technology» (Q1, ИФ=5,64), Defence Technology (Q1, ИФ=5,1), «Thermal Science and Engineering Progress» (Q1, ИФ=4,56), «International Journal of Heat and Mass Transfer» (Q1, ИФ=5,43), «Chemical Engineering Science» (Q1, ИФ=4,89), «Fuel» (Q1, ИФ=8,04) и др. Подготовлены две заявки на патенты: «Способ получения композиционного топлива», «Установка для изучения вторичного измельчения капель топлива».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 237 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 12 таблиц, 5 приложений. Библиография включает 230 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражена практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы защищаемые положения, обоснована их связь с научно-образовательными программами и грантами, выделен личный вклад автора диссертации.
В первой главе проанализировано современное состояние теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия движущихся капель жидкостей и твердых частиц в газовоздушной среде с разной температурой и влажностью. Приведено описание направлений изучения движения капель и жидкостных массивов, взаимодействия капель между собой, с нагретыми твердыми стенками, аэрозольных потоков и струй. Определены основные параметры, оказывающие влияние на режимы столкновений капель (температура жидкости и газовоздушной среды, относительная влажность, давление, вязкость и поверхностное натяжение жидкости, скорость движения капель, угол взаимодействия). Обосновано отсутствие результатов экспериментального определения их комплексного влияния на движение капель жидкостей в газовоздушной среде и их вторичное дробление. Выделены условия и системы, для которых в энергетических приложениях характерны интенсивные взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц. Показано, что эти взаимодействия могут существенно менять характеристики работы тепломассообменного оборудования.
Во второй главе приведено описание разработанных автором диссертации экспериментальных стендов и методик исследований, а также методов оценки погрешностей результатов измерений. Выполнено сравнение результатов и стендов с известными данными других авторов для обоснования адекватности разработанных методик исследований.
В третьей главе приведены результаты исследования движения капель жидкостей в газовоздушной среде с разной температурой и влажностью. Установлены особенности взаимодействия капель при варьировании параметров жидкости и газовоздушной среды, скорости движения капель и углов взаимодействия.
Получены зависимости отношения площади жидкости после и до взаимодействия, количественный и компонентный состав массивов вторичных фрагментов жидкости, полученных при взаимодействии капель. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в теплоэнергетике, а также развитию сформулированных теоретических следствий.
В заключении подведены основные итоги диссертационных исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
классификаторах, пылеулавливающих установках и других тепломассообменных аппаратах [11].
При очистке газов, содержащих частицы несгоревшего топлива, золу или пыль, применяются различные способы осаждения твердых частиц [12-14]: сухая и мокрая очистка, фильтры и электрофильтры. К одному из наиболее эффективных способов очистки газов относится мокрая очистка, предполагающая пропускание потока дымовых газов через распыляемую воду [15,16] или барботирование через слой воды [17-19]. Такой способ является наиболее эффективным для улавливания частиц размерами 0,3-1 мкм [20,21]. Для улавливания более мелких частиц размером (менее 0,1 мкм) используются электрофильтры [22,23]. Они не применимы для осаждения крупных витающих частиц. Эффективность мокрого способа очистки газов может быть снижена из-за повторного выделения твердых частиц в атмосферу. Одной из причин этого является эффект столкновения капель, содержащих твердые частицы на высокой скорости. Повышенную эффективность в очистке дымовых газов демонстрируют уловители твердых частиц с трубками Вентури. В таких конструкциях поток уходящих газов орошается водой из форсунок, установленных радиально или тангенциально потоку. Таким способом, можно достигнуть степени очистки уходящих газов выше 0,99. Существенным недостатком любых фильтров и пылеуловителей, к которым относятся вышеперечисленные тепло- и массообменные установки, является увеличение гидродинамического сопротивления потоку от 6 до 12 кПа. Всвязи с этим возникает необходимость настройки режимов работы установок производства, преобразования и потребления энергии для улавливания максимального объема твердых частиц в газах при снижении сопротивления. Кроме этого, существенным недостатком мокрого пылеулавливания является образование шламосодержащих стоков. Эти стоки также необходимо очищать и обезвреживать перед доставкой к месту захоронения. Высокую эффективность в очистке промышленных стоков показал термический способ. Для повышения его коэффициента полезного действия также целесообразно использовать вторичное измельчение капель за счет их соударения друг с другом. Таким образом, изучение агломерирования и разделения компонентов суспензий при соударении капель и частиц в энергетическом оборудовании представляет значительный интерес для решения задач интенсификации процессов тепло- и массопереноса в системах и установках, использующих тепло, оптимизации параметров тепловых технологических процессов и разработки оптимальных схем установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции в технологических процессах.
Целью диссертационной работы является определение характеристик и условий агломерирования и разделения компонентов суспензий при соударении капель и частиц в энергетическом оборудовании для решения задач интенсификации процессов тепломассопереноса и фазовых превращений в энергетическом оборудовании.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка экспериментальной методики, создание стендов, планирование и проведение исследований взаимодействия движущихся капель жидкостей в газовоздушной среде с разной температурой и влажностью.
2. Выбор характеристик жидкости и газовоздушной среды, методик и систем для приготовления водных растворов, эмульсий, суспензий с обеспечением варьирования их свойств в диапазонах, соответствующих энергетическим установкам.
3. Изучение закономерностей взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц для стабильной реализации требуемых режимов взаимодействия (отскок, коалесценция, разлет, дробление) и определение критических значений безразмерных чисел для каждого режима.
4. Регистрация и вычисление интегральных характеристик вторичных фрагментов жидкости после взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц.
5. Установление влияния основных параметров (температура, относительная скорость, угол атаки, компонентный состав, форма и концентрация капель жидкостей в аэрозольном потоке) на режимы взаимодействия капель и частиц, а также вторичные фрагменты жидкости.
6. Исследование влияния процессов взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц на характеристики и условия теплообмена.
7. Разработка способов формирования газопарокапельных потоков с заданным компонентным составом при раздельной подаче твердых и жидких компонентов с разными параметрами внешней газовоздушной среды .
8. Формулирование рекомендаций по практическому применению результатов исследований для повышения эффективности работы энергетических установок и систем.
Научная новизна работы. Разработана методика экспериментального исследования взаимодействия движущихся капель жидкостей и твердых частиц в газовоздушной среде с варьируемой температурой, давлением и влажностью. При
проведении экспериментов использовалась методика, включающая применение оптических методов («Particle Image Velocimetry» и «Interferometric Particle Imaging»). Установлены параметры (критические значения чисел Вебера, Онезорге, Рейнольдса, капиллярности, углы атаки, скорости движения и др.), необходимые для реализации четырех режимов взаимодействия (отскок, коалесценция, разлет и дробление) капель жидкостей между собой и с твердыми частицами. Эксперименты проведены на стендах с параметрами, близкими к условиям работы теплоэнергетического оборудования. Получены
аппроксимационные выражения для прогнозирования характеристик газопарокапельных потоков с учетом совокупности соударений капель и частиц.
Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные, аппроксимационные выражения и теоретические положения представляют основу для разработки и создания теплотехнических систем, работающих с многокомпонентными и многофазными потоками. Результаты диссертационной работы целесообразно использовать при параметрической оптимизации тепловых технологических процессов и разработке новых и совершенствовании известных установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества производимой продукции. Результаты исследований (карты режимов, функциональные связи выходных характеристик с входными параметрами, математические выражения, запатентованные технологические решения) целесообразно использовать при разработке и оптимизации параметров работы капельно-струйных оросителей, эжекционных градирен, деаэраторов и других теплотехнических установок и систем.
Степень достоверности полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей результатов измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях основных параметров, использованием малоинерционных и высокоточных оптических методов и программно-аппаратных комплексов, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными следствиями других авторов.
Связь работы с научно-образовательными программами и грантами. Диссертационные исследования агломерирования и разделения компонентов суспензий при соударении капель жидкостей и твердых частиц в смешивающих устройствах выполнены при поддержке гранта РНФ (Проект № 18-19-00056), их взаимодействия в режимах отскока, коалесценция, разлета и дробления с интенсификацией тепломассопереноса в камерах сгорания, реакторах, теплообменом оборудовании - при поддержке гранта РНФ (№ 18-71-10002, № 18-71-10002П), изучение компонентного состава и интегральных характеристик вторичных фрагментов при слиянии и распаде капель жидкостей - в рамках проекта РНФ № 21-71-10008.
Тематика исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального уровня, получившей высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам развития («Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»). Резлуьтаты диссертационный исследований использованы в образовательных программах НИ ТПУ для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». На основе методики экспериментальных исследований составлены методические указания для проведения лабораторных работ по дисциплине «Методология экспериментальных исследований
теплоэнергетических процессов».
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:
1. Вторичное измельчение капель за счет взаимодействия газопарокапельных струй и потоков твердых частиц способствует повышению площади испарения технологических жидкостей в несколько раз. Отношение площади поверхности теплообмена жидкости в системах, генерирующих тепло, после и до соударений капель увеличивается в 1,2-4 раза.
2. Режим устойчивой агломерирования капель жидкостей с твердыми частицами при отношении их размеров от 0,5 до 1,5 в диапазоне значений числа Вебера от 50 до 100 реализуется при изменении вязкости жидкости от 1,0 мПа-с до 6,3 мПа-с и поверхностного натяжения от 36,1 мН/м до 72,7 мН/м. Рабочие жидкости для систем, генерирующих тепло, в частности, топлива, очистные растворы, растворительные эмульсии имеют свойства, соответствующие данным диапазонам.
3. Применение бесконтактных оптических методик с флуорофорами позволило обосновать, что за счет соударения капель жидкостей обеспечивается их смешение с получением фрагментов, содержащих требуемое соотношение объемов компонентов исходных капель. При изучении соударения капель технологических жидкостей, типичных теплоэнергетическим системам, определены режимы агломерирования с получением двух-, трех- и многокомпонентных капель.
4. Аэрозольные потоки претерпевают значительные изменения по составу капель и частиц при их движении в энергетических установках. В частности, при перемещении родительских капель в газовоздушной среде с температурой от 20 °С до 500 °С их размеры меняются в несколько раз за счет интенсификации теплообмена, фазовых превращений и соударений. В завихрительных системах и охладительных блоках можно снизить продолжительность технологических циклов на 3-7 %.
5. Интегральные характеристики вторичных жидкостных фрагментов, полученных при соударении исходных капель и частиц, в случае варьирования давления от 0,09 до 0,5 МПа изменяются на 9-25 %, а температуры газовоздушной среды от 20 до 700 °С - в 4-5 раз. Соответствующие эффекты позволяют повысить характеристики работы энергетических установок на 4-11 %.
Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований, проведении серии опытов, обработке результатов, оценке систематических и случайных погрешностей, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций использования полученных результатов, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные результаты, сформулированные положения и теоретические следствия диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2017), Международный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018, 2019), III международная конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2020), XXXII Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Балашиха, 2020), IX Всероссийская научнопрактическая конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2020), XV Всероссийская научная конференция молодых ученых, посвященная Году науки и технологий в России «Наука. Технологии. Инновации.» (Новосибирск, 2021), Всероссийская (международная) научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭНЕРГИЯ» (Иваново, 2021, 2022), Тепломассообмен и
гидродинамика в закрученных потоках (Москва, 2021), XXVI Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2022), Восьмая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 2022), Внутренняя научно-практическая конференция молодых специалистов Уренгойского газопромыслового управления, посвященная 45-летию с даты образования ООО «Газпром добыча Уренгой» (Новый Уренгой, 2023), I Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская теплофизика» (Красноярск, 2023), XXIV школа семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, посвященная 100-летию академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Казань, 2023), Всероссийская конференция с международным участием и элементами научной школы для молодых учёных «XXXIX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2023).
Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 22 печатных работах, в том числе 14 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «Powder Technology» (Q1, ИФ=5,64), Defence Technology (Q1, ИФ=5,1), «Thermal Science and Engineering Progress» (Q1, ИФ=4,56), «International Journal of Heat and Mass Transfer» (Q1, ИФ=5,43), «Chemical Engineering Science» (Q1, ИФ=4,89), «Fuel» (Q1, ИФ=8,04) и др. Подготовлены две заявки на патенты: «Способ получения композиционного топлива», «Установка для изучения вторичного измельчения капель топлива».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 237 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 12 таблиц, 5 приложений. Библиография включает 230 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражена практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы защищаемые положения, обоснована их связь с научно-образовательными программами и грантами, выделен личный вклад автора диссертации.
В первой главе проанализировано современное состояние теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия движущихся капель жидкостей и твердых частиц в газовоздушной среде с разной температурой и влажностью. Приведено описание направлений изучения движения капель и жидкостных массивов, взаимодействия капель между собой, с нагретыми твердыми стенками, аэрозольных потоков и струй. Определены основные параметры, оказывающие влияние на режимы столкновений капель (температура жидкости и газовоздушной среды, относительная влажность, давление, вязкость и поверхностное натяжение жидкости, скорость движения капель, угол взаимодействия). Обосновано отсутствие результатов экспериментального определения их комплексного влияния на движение капель жидкостей в газовоздушной среде и их вторичное дробление. Выделены условия и системы, для которых в энергетических приложениях характерны интенсивные взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц. Показано, что эти взаимодействия могут существенно менять характеристики работы тепломассообменного оборудования.
Во второй главе приведено описание разработанных автором диссертации экспериментальных стендов и методик исследований, а также методов оценки погрешностей результатов измерений. Выполнено сравнение результатов и стендов с известными данными других авторов для обоснования адекватности разработанных методик исследований.
В третьей главе приведены результаты исследования движения капель жидкостей в газовоздушной среде с разной температурой и влажностью. Установлены особенности взаимодействия капель при варьировании параметров жидкости и газовоздушной среды, скорости движения капель и углов взаимодействия.
Получены зависимости отношения площади жидкости после и до взаимодействия, количественный и компонентный состав массивов вторичных фрагментов жидкости, полученных при взаимодействии капель. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в теплоэнергетике, а также развитию сформулированных теоретических следствий.
В заключении подведены основные итоги диссертационных исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
1. Разработаны экспериментальные методики, созданы стенды, спланированы и проведены экспериментальные исследования взаимодействия движущихся капель жидкостей и твердых частиц в газовоздушной среде с варьируемыми значениями температуры, давления и влажности.
2. Выбраны перспективные жидкие и твердые компоненты, параметры газовоздушной среды, методики приготовления водных растворов, эмульсий, суспензий для проведения исследований в условиях, соответствующих газопарокапельным процессам в энергетических установках.
3. Определены критические условия взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц для реализации режимов: отскок, коагуляция, разлет, дробление. Установлены критические (необходимые и достаточные) значения безразмерных чисел для каждого режима.
4. Вычислены интегральные характеристики вторичных фрагментов жидкости после взаимодействия капель. В теплоэнергетических установках перспективно применять вторичное измельчение капель жидкостей за счет взаимодействия газопарокапельных струй жидкостей и твердых частиц с целью повышения площади испарения в несколько раз. Отношение площади теплообмена в системах, генерирующих тепло, вследствие взаимодействия капель и частиц, как элементов дисперсной фазы в газопарокапельных потоках, увеличивается от 1,2 до 4 раз.
5. Установлено влияние основных параметров (температура, относительная ско - рость движения, угол атаки, компонентный состав, форма и концентрация капель жидкостей в аэрозольном потоке и др.) на режимы взаимодействия капель и частиц, а также характеристики вторичных фрагментов (количество, размеры, форма, энергия, траектория и скорости движения, компонентный состав). В энергетических системах реализуется режим агломерирования капель жидкостей с твердыми частицами отношением размеров от 0,5 до 1,5 в диапазоне чисел Вебера от 50 до 100 при изменении вязкости жидкости от 1,0 до 6,3 мПа-с и поверхностного натяжения от 36,1 до 72,7 мН/м. Рабочие жидкости для систем, генерирующих тепло, в частности, топлива, очистные растворы, растворительные эмульсии, имеют свойства, соответствующие данным диапазонам.
6. Определено влияние процессов взаимодействия капель на характеристики и условия теплообмена. Полученные результаты экспериментальных исследований позволили предложить конструктивные изменения в системах смешения спреев жидкостей и твердых частиц. С применением данных изменений возможно изменение интегральных характеристик работы реакторов и камер смешения в широких диапазонах.
7. Варьирование параметров многофазных потоков в широких диапазонах, соответствующих энергетическим установкам, позволяет надежно регистрировать условия отскока, коагуляции, дробления и фрагментации сталкивающихся капель, агломерации и дробления взаимодействующих капель и частиц. Проведены экспериментальные оценки влияния линейных параметров взаимодействия капель и частиц на частоту возникновения основных режимов взаимодействия. Показано, что эти частоты могут применяться для прогнозирования условий интенсивного вторичного измельчения капель жидкостей и суспензий в технологиях теплотехники.
8. Соударения капель суспензий в газовоздушной среде с повышенной температурой представляют сложные и многопараметрические процессы, характеристики которых зависят от совокупности факторов, включая поверхностное натяжение и вязкость жидкостей, размеры и форма капель, скорость их движения и вязкость газовоздушной среды. Результаты их изучения важны для глубокого понимания процессов, происходящих в суспензиях, а также для разработки новых методов контроля их свойств. Аэрозольные потоки претерпевают значительные изменения по составу капель и частиц при их распространении в газопарокапельных средах. В частности,
при движении родительских капель в газовоздушной среде с температурой от 20 до 500 °С их размеры меняются в несколько раз за счет теплообмена, фазовых превращений и соударений. В завихрительных системах и охладительных блоках можно понизить времена технологических циклов на 37 %. Интегральные характеристики вторичных жидкостных фрагментов,
полученных при соударении исходных капель и частиц, в теплотехнических установках при варьировании давления от 0,09 до 0,5 МПа изменяются на 925 %, а температуры газовоздушной среды от 20 до 700 °С - в 4-5 раз. Данные эффекты позволяют повысить интегральные характеристики работы тепломассообменного оборудования на 4-11 %.
9. Результаты экспериментов по соударению капель жидкости, содержащих твердые частицы в малой концентрации, целесообразно использовать при модернизации и оптимизации работы промышленных аппаратов мокрой очистки воздуха и газов. Предложены схемы организации эффективных условий улавливания твердых частиц каплями жидкости для практических приложений. Разработанные рекомендации по практическому применению полученных экспериментальных результатов обеспечивают обоснование выбора основных параметров технологического оборудования (таких как начальные размеры капель в потоке, их температура, скорость движения и компонентный состав) для реализации различных технологий, таких как размораживание сыпучих сред газожидкостными потоками, очистка поверхностей газожидкостными смесями, а также создание теплоносителей на основе уходящих дымовых газов и парокапельных потоков. Эти рекомендации применимы к распылительным системам, нагревателям, сушилкам, газоочистным установкам и другим блокам теплотехнического оборудования.
10. На основании полученных экспериментальных результатов установлено, что в установках, используемых для получения сухих веществ из суспензий целесообразно создавать высокий градиент температур на начальном этапе движения аэрозольного потока. Как показали эксперименты, в таком случае происходит активное испарение влаги за счет более быстрого нагрева меньших размеров капель суспензий. В случае низкого градиента температур капли суспензий коагулируют и агломерируют при движении в гравитационном поле, за счет этого на полное испарение влаги потребуется или большее количество теплоты, чем для высушивания более мелких капель, или необходимо большее время их нахождения в сушильной установке.
11. Агломерирование твердых частиц размерами менее 0,5 мм с каплями жидкости аэрозольного потока можно реализовать в широком диапазоне скоростей их движения (от 0,1 до 100 м/с). Однако, агломерирование более крупных твердых частиц потребует соблюдения скоростей их движения в границах диапазонов изменения чисел Вебера, установленных в рамках диссертационной работы и будет зависеть от их морфологических и геометрических параметров. При высоких скоростях движения потока твердых частиц и необходимости их агломерирования с каплями целесообразно организовать подачу жидкости в направлении, соответствующем движению частиц.
12. На основании результатов, полученных при выполнении диссертационной
работы, подготовлены две заявки на патенты: «Способ получения
композиционного топлива», «Установка для изучения вторичного
измельчения капель топлива».
2. Выбраны перспективные жидкие и твердые компоненты, параметры газовоздушной среды, методики приготовления водных растворов, эмульсий, суспензий для проведения исследований в условиях, соответствующих газопарокапельным процессам в энергетических установках.
3. Определены критические условия взаимодействия капель жидкостей и твердых частиц для реализации режимов: отскок, коагуляция, разлет, дробление. Установлены критические (необходимые и достаточные) значения безразмерных чисел для каждого режима.
4. Вычислены интегральные характеристики вторичных фрагментов жидкости после взаимодействия капель. В теплоэнергетических установках перспективно применять вторичное измельчение капель жидкостей за счет взаимодействия газопарокапельных струй жидкостей и твердых частиц с целью повышения площади испарения в несколько раз. Отношение площади теплообмена в системах, генерирующих тепло, вследствие взаимодействия капель и частиц, как элементов дисперсной фазы в газопарокапельных потоках, увеличивается от 1,2 до 4 раз.
5. Установлено влияние основных параметров (температура, относительная ско - рость движения, угол атаки, компонентный состав, форма и концентрация капель жидкостей в аэрозольном потоке и др.) на режимы взаимодействия капель и частиц, а также характеристики вторичных фрагментов (количество, размеры, форма, энергия, траектория и скорости движения, компонентный состав). В энергетических системах реализуется режим агломерирования капель жидкостей с твердыми частицами отношением размеров от 0,5 до 1,5 в диапазоне чисел Вебера от 50 до 100 при изменении вязкости жидкости от 1,0 до 6,3 мПа-с и поверхностного натяжения от 36,1 до 72,7 мН/м. Рабочие жидкости для систем, генерирующих тепло, в частности, топлива, очистные растворы, растворительные эмульсии, имеют свойства, соответствующие данным диапазонам.
6. Определено влияние процессов взаимодействия капель на характеристики и условия теплообмена. Полученные результаты экспериментальных исследований позволили предложить конструктивные изменения в системах смешения спреев жидкостей и твердых частиц. С применением данных изменений возможно изменение интегральных характеристик работы реакторов и камер смешения в широких диапазонах.
7. Варьирование параметров многофазных потоков в широких диапазонах, соответствующих энергетическим установкам, позволяет надежно регистрировать условия отскока, коагуляции, дробления и фрагментации сталкивающихся капель, агломерации и дробления взаимодействующих капель и частиц. Проведены экспериментальные оценки влияния линейных параметров взаимодействия капель и частиц на частоту возникновения основных режимов взаимодействия. Показано, что эти частоты могут применяться для прогнозирования условий интенсивного вторичного измельчения капель жидкостей и суспензий в технологиях теплотехники.
8. Соударения капель суспензий в газовоздушной среде с повышенной температурой представляют сложные и многопараметрические процессы, характеристики которых зависят от совокупности факторов, включая поверхностное натяжение и вязкость жидкостей, размеры и форма капель, скорость их движения и вязкость газовоздушной среды. Результаты их изучения важны для глубокого понимания процессов, происходящих в суспензиях, а также для разработки новых методов контроля их свойств. Аэрозольные потоки претерпевают значительные изменения по составу капель и частиц при их распространении в газопарокапельных средах. В частности,
при движении родительских капель в газовоздушной среде с температурой от 20 до 500 °С их размеры меняются в несколько раз за счет теплообмена, фазовых превращений и соударений. В завихрительных системах и охладительных блоках можно понизить времена технологических циклов на 37 %. Интегральные характеристики вторичных жидкостных фрагментов,
полученных при соударении исходных капель и частиц, в теплотехнических установках при варьировании давления от 0,09 до 0,5 МПа изменяются на 925 %, а температуры газовоздушной среды от 20 до 700 °С - в 4-5 раз. Данные эффекты позволяют повысить интегральные характеристики работы тепломассообменного оборудования на 4-11 %.
9. Результаты экспериментов по соударению капель жидкости, содержащих твердые частицы в малой концентрации, целесообразно использовать при модернизации и оптимизации работы промышленных аппаратов мокрой очистки воздуха и газов. Предложены схемы организации эффективных условий улавливания твердых частиц каплями жидкости для практических приложений. Разработанные рекомендации по практическому применению полученных экспериментальных результатов обеспечивают обоснование выбора основных параметров технологического оборудования (таких как начальные размеры капель в потоке, их температура, скорость движения и компонентный состав) для реализации различных технологий, таких как размораживание сыпучих сред газожидкостными потоками, очистка поверхностей газожидкостными смесями, а также создание теплоносителей на основе уходящих дымовых газов и парокапельных потоков. Эти рекомендации применимы к распылительным системам, нагревателям, сушилкам, газоочистным установкам и другим блокам теплотехнического оборудования.
10. На основании полученных экспериментальных результатов установлено, что в установках, используемых для получения сухих веществ из суспензий целесообразно создавать высокий градиент температур на начальном этапе движения аэрозольного потока. Как показали эксперименты, в таком случае происходит активное испарение влаги за счет более быстрого нагрева меньших размеров капель суспензий. В случае низкого градиента температур капли суспензий коагулируют и агломерируют при движении в гравитационном поле, за счет этого на полное испарение влаги потребуется или большее количество теплоты, чем для высушивания более мелких капель, или необходимо большее время их нахождения в сушильной установке.
11. Агломерирование твердых частиц размерами менее 0,5 мм с каплями жидкости аэрозольного потока можно реализовать в широком диапазоне скоростей их движения (от 0,1 до 100 м/с). Однако, агломерирование более крупных твердых частиц потребует соблюдения скоростей их движения в границах диапазонов изменения чисел Вебера, установленных в рамках диссертационной работы и будет зависеть от их морфологических и геометрических параметров. При высоких скоростях движения потока твердых частиц и необходимости их агломерирования с каплями целесообразно организовать подачу жидкости в направлении, соответствующем движению частиц.
12. На основании результатов, полученных при выполнении диссертационной
работы, подготовлены две заявки на патенты: «Способ получения
композиционного топлива», «Установка для изучения вторичного
измельчения капель топлива».
