ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 6, с. 619-624
УДК 66.047.3.64818
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ДВУХФАЗНОГО НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОТОКА В ПРОТИВОТОЧНОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШИЛКЕ
© 2007 г. В. И. Мошкин, А. В. Десятое, Н. П. Какуркин*
ФГУП "Центр Келдыша", Москва * Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва
mos-wl@yandex.ru Поступила в редакцию 25.10.2006 г.
Приведены опытные данные по гидромеханике, полю температур и массопереносу в промышленных распылительных сушилках для синтетических моющих средств. Получено распределение компонентов вектора скорости в радиальном сечении закрученного турбулентного потока в активной зоне сушки на базе уравнений сохранения и опытных данных. Радиальный интервал гидродинамической устойчивости 0.2 < г/Я < 0.9 рассчитан по показателю Говарда. Результаты использованы для оптимизации процесса в сушилке производительностью 15 т/ч по сухому продукту.
В производствах порошкообразных синтетических моющих средств (CMC) преимущественно используются распылительные сушилки, относящиеся к типу форсуночных, работающие по принципу противотока. Распыление композиции CMC осуществляется механическими форсунками, объединенными кольцевым коллектором. Производительность сушилок 5, 10 и 15 т/ч по продукту. Схема сушилки производительностью 5 т/ч приведена на рис. 1. Сушилки с более высокой производительностью выполнены с диаметром камеры 8 м и высотой цилиндрической части до 20 м.
Сушилка производительностью 15 т/ч оснащена двумя ярусами форсунок и более совершенной конструкцией газоподводящего устройства. Массовый расход теплоносителя обычно на порядок превосходит расход дисперсной фазы. При этом, принимая во внимание динамические показатели, можно считать, что газовый поток формирует гидромеханическую и тепловую обстановки в объеме камеры.
В предлагаемой работе рассмотрены факторы, определяющие гидродинамическую устойчивость с учетом особенностей протекающего процесса: локальных источников тепла и массы, наличия дисперсной фазы, градиентов температуры, закрутки потока.
Вопросы устойчивости закрученных потоков, рассматриваются, в частности, в [1-6]. Подчеркивается определяющее значение стратификации потока, профиля осевой скорости, распределения и интенсивности источников тепла. К числу малоизученных факторов отнесены влияние тепломас-сопереноса, неизотермичности, дисперсной фазы, а также особенности гидромеханики пристенной зоны. В [1-3] отмечается возвратное течение на
периферии стесненного потока при определенном значении параметра закрутки (отношения момента импульса относительно оси симметрии к осевому импульсу, умноженного на радиус). В [1] осевая симметрия параметров течения отнесена к необходимому признаку устойчивости. В [4] анализируются условия равновесия объема газа на участке
Выход
теплоносителя
Рис. 1. Схема сушилки производительностью 5 т/ч и система координат (размеры в м).
круговой орбиты. Наиболее универсальный показатель устойчивости получен в [5] на основе рассмотрения осесимметричных возмущений полей плотности и скорости. Аналогичный подход реализован в [6]. Постановка вопроса об устойчивости в рассматриваемых аппаратах достаточно актуальна, поскольку в объеме сушильной камеры наблюдаются локальные флуктуации температуры в интервале 3-12°С [7]. Проведенные измерения установили радиальную асимметрию распределений температуры до 7°С [8, 9]. Внешний признак нарушения осевой симметрии параметров процесса - неоднородная влажность выгружаемого продукта.
Для оценки устойчивости необходима информация о полях скоростей и температур. В настоящее время модели расчета трехмерных турбулентных течений, в том числе с учетом тепломассопе-реноса, неизотропной турбулентности, влияния стесненности достаточно разработаны [1, 10-17]. Уравнение Навье-Стокса используются в осред-ненном приближении совместно с моделью турбулентности. Ввиду незначительной радиальной скорости, проекция уравнения движения на радиальную ось часто записывается в сокращенном виде. Турбулентное число Прандтля в уравнении энергии принимается близким к единице. Слабозапы-ленный (массовая концентрация дисперсной фазы до 0.1) турбулентный поток в трубе изучался в [18]. Стесненность течения отмечена скачком пульсаций скорости при т/Я = 0.92. Начальные условия потока в рассматриваемых сушилках близки к рассмотренным в [16]. Авторы моделируют часто наблюдаемый свободный смерч над крупномасштабным очагом пожара. Воздух поступает радиально в основание смерча, масштаб плотности осевого теплового потока до 105 Вт/м2. Построены поля скоростей и температуры с учетом дисперсной фазы и тепломассопереноса. Закрутка потока происходит спонтанно, параметр закрутки пропорционален плотности восходящего теплового потока.
При аналитическом подходе, особенно для стесненного неизотермического потока, основные затруднения заключается в формировании граничных условий, задании особых точек и выборе адекватной модели турбулентности. В частности, для стесненного потока при наличии массопереноса и градиентов температуры, сложно коректно задать радиальную координату реверса осевой скорости и граничные условия. Экспериментальное изучение также затруднено: неизотермический поток реализуется, как правило, в присутствии влажной дисперсной фазы и фазовых переходах. В этих условиях измерения компонентов вектора скорости недостоверны ввиду адгезионного воздействия дисперсной фазы на датчик.
Постановка задачи. С учетом специфики процесса, цель работы сводится к оценке гидродинами-
ческой устойчивости неизотермического закрученного газодисперсного потока с заданными полем температур и радиальным сечением поля источников тепла и массы. Располагаемый эмпирический материал [8, 9] позволяет поставить задачу для одного радиального сечения потока в сушилке (рис. 1) с расходом газа 17.8 кг/с, плотностью осевого теплового потока ~105 Вт/м2, локальными источниками тепла до 0.7 х 105 Вт/м3, скоростями течения до 10 м/с. Рассматривается сечение потока, расположенное на 5.5 м выше уровня ввода газа и на 4 м ниже уровня яруса форсунок. Можно полагать, что в данном сечении диссипация исходной тепловой энергии и импульса введенного исходного продукта завершена. По данным анализа проб, отобранных на образующей факела распыления (начальная температура 75°С, давление перед форсунками 7 МПа, угол раскрытия струи 65°, расход через форсунку 0.255 кг/с, начальная влажность 47%, дисперсность 120 мкм), скорость обезвоживания стабилизируется на расстоянии не более 1.3 м от сопла форсунок. Ниже компоненты вектора скорости и турбулентной вязкости определены на базе уравнений энергии, неразрывности, осредненного уравнения Навье-Стокса с привлечением экспериментальных данных по полю температур и радиальному распределению производительности единицы объема по испаренной влаге. Последний показатель преобразован в распределение тепловых источников. Теплоноситель представлен вязким двухкомпонентным газом (паровоздушная смесь), дисперсная фаза - квазисплошной средой с источниками массы (испаряемой влаги). Импульс, взаимодействие, агломерация, заряд частиц не учитываются. Энтальпия пара, теплоемкость, газовая постоянная, влагосодержание усреднены по начальным и конечным характеристикам теплоносителя. Применен показатель гидродинамической устойчивости Говарда [5].
Экспериментальные данные. Материал дисперсной фазы - композиция СМС с начальной влажностью 47%, теплоноситель - смесь продуктов сгорания мазута или природного газа и воздуха. На рис. 2 представлены опытные данные по радиальным распределениям влажности дисперсной фазы, плотности орошения (осевого массового расхода дисперсной фазы через единицу поверхности), температуры газа в радиальных сечениях потока: на рис. 2а - в сечении, принятом за нулевую осевую координату, на рис. 26 - в сечении z = 5.5 м. Плотность орошения и влажность продукта на рис. 2а являются результатом усреднения по данным трех измерений с диапазоном 120°. Изучение сушилок производительностью 10 и 15 т/ч показали, что по характерным особенностям гидромеханической обстановки они являются достаточно близкими аналогами сушилки на 5 т/ч. На рис. 3 показаны радиальные распределения плотности орошения и влажности дисперсной фазы: произво-
300 250 200 150 100 50 0 220 200 180 160 140 120 100
- (а) L
' -А
— * /
1 1 - 1 1
(б)
^ - 3 /
* * ^ * —1 1 % J * / — \2 /
1 N. \ — ^•NjN. / % / \ -
1 1 1 1 ^ ■
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 r/R
14 12 10 8 6 4 2 0
50 45 40 35 30 25 20
G, кг/м2ч 1000 г
800
600
400
200
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
w, % п30
24
18
12
1.0 r/R
Рис. 3. Плотность орошения G (кривые 1 и 2) и влажность дисперсной фазы w (кривые 3 и 4) соответственно в сушилке производительностью 15 т/ч (средний уровень, Я = 4 м); и 10 т/ч (нижний уровень, Я = 4 м).
6
1
Рис. 2. Температура теплоносителя 7 (кривая 1), плотность орошения 6 (кривая 2), влажность дисперсной фазы w (кривая 3) на уровнях 2 = 0.0 (а) и 2 = 5.5 м (б) в сушилке, схема которой приведена на рис. 1.
дительностью: для сушилки производительностью 10 т/ч - на расстоянии 3 м над уровнем ввода теплоносителя (15 м ниже узла распыления), для сушилки производительностью 15 т/ч - непосредственно над нижним ярусом форсунок (6.3 м над уровнем ввода теплоносителя, 8.6 м ниже верхнего яруса форсунок). Характер распределений плотности орошения и влажности дисперсной фазы в камерах всех сушилок близки, т.е. видны переломы кривых плотности орошения на средних уровнях камер при r/R - 0.85. Визуально хорошо наблюдается нисходящий поток с повышенным содержанием дисперсной фазы в пристенной зоне. Температура входящего теплоносителя в пристенной зоне резко снижается вследствие смешения с охлажденным нисходящим потоком (рис. 2а). Закрутка потока в пристенной зоне не наблюдалась.
На рис. 4 изображено поле температур (меридиональное сечение), на рис. 5 - радиальные распределения локальной производительности единицы объема по испаренной влаге и компонентов градиента температуры. Распределение локальной интенсивности массопереноса (рис.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.