авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Теоретические основы методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических течений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЧЕРВЯКОВ Виктор Михайлович

Теоретические основы методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических течений

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(химическая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тамбов 2007

Работа выполнена на кафедре «Теория машин, механизмов и детали машин» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор Воробьев Юрий Валентинович
Официальные оппоненты Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Холпанов Леонид Петрович; доктор технических наук, профессор Зимин Алексей Иванович; доктор технических наук, профессор Першин Владимир Федорович
Ведущая организация ГОУ ВПО Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ), г. Москва

Защита диссертации состоится «24» октября 2007 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени доктора технических наук Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Роторные аппараты с модуляцией потока обрабатываемой среды с высокой эффективностью используют в различных гидромеханических, химических, тепло-массообменных процессах, например, в процессах диспергирования, растворения, экстракции и т.д. Они характеризуются низкой удельной энерго- и металлоёмкостью при высоком качестве получаемого готового продукта. Высокая степень воздействия на обрабатываемую среду объясняется развитой турбулентностью, интенсивной акустической импульсной кавитацией, большими сдвиговыми напряжениями, гидравлическими ударами и другими механическими воздействиями. Теоретическое и экспериментальное исследование, внедрение роторных аппаратов в промышленность провели отечественные учёные М.А. Балабудкин, А.А. Барам, А.М. Балабышко, В.И. Биглер, П.П. Дерко, А.И. Зимин, Г.Е. Иванец, Е.А. Мандрыка, В.А. Плотников, М.А. Промтов, О.А. Трошкин, В.М. Фридман, В.Ф. Юдаев и многие другие.

Сложность гидромеханических нелинейных процессов трансформации плотности энергии в аппаратах затрудняет создание научно обоснованных методик расчёта и определения оптимальных конструктивных размеров и режимов работы с целью интенсификации процессов в системах «жидкость-жидкость», «твёрдое-жидкость».



В связи с этим разработка аппаратов многофакторного воздействия на обрабатываемую среду, в которых возникают переходные гидромеханические процессы, интенсивная импульсная акустическая кавитация, резонансные явления, позволяющие интенсифицировать различные химико-технологические процессы с существенным снижением удельных энергозатрат, является одной из приоритетных задач развития науки и техники химической, фармацевтической, машиностроительной, пищевой и других видов промышленности.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению ТОХТ код 2.27.1.4.14 1991-1995гг; МНТП «Ресурсосберегающие технологии машиностроения» 1996-2000 гг; НТП «Научные исследования высшей школы в области химической технологии» 2003-2005гг.

Целью работы является разработка теоретических основ методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических факторов, определяющих мощностные, режимные, конструктивные параметры и использования их для модернизации и разработки конструкций роторных аппаратов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований особенностей нестационарного течения потоков несжимаемой и сжимаемой жидкостей в модуляторе роторного аппарата и их сопоставление;

- получение новых адекватных реальной гидромеханической обстановке моделей течения в рабочих зонах аппарата;

- разработка физической модели течения жидкости в каналах роторного аппарата в полях массовых сил на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований гидромеханики и импульсной акустической кавитации;

- разработка математической модели динамики кавитационного пузыря с уточнением влияния газосодержания на величину критерия акустической кавитации, при которой наблюдается максимальное воздействие на скорость технологического процесса;

- разработка обобщенной методики расчета существующих и новых конструкций и внедрение высокоэффективных роторных аппаратов для интенсификации физико-химических массообменных процессов.

Научная новизна

Для нестационарных гидродинамических процессов, протекающих в перекрывающихся каналах ротора и статора в аппарате с внутренним ротором под действием центробежных и кориолисовых сил разработаны новые адекватные физические и математические модели течения среды с учетом сжимаемости жидкости, динамики кавитационных пузырей с переменным газосодержанием и резонансных явлений. Запатентованы новые способы интенсификации гидродинамических и массообменных процессов и конструкции роторных аппаратов, обеспечивающие их высокую удельную производительность и надежность. Наиболее важными результатами, представляющими научную новизну, являются:

- с использованием зонного подхода на основании уравнений Навье - Стокса и неразрывности разработана математическая модель нестационарного течения сжимаемой жидкости в модуляторе роторного аппарата, которая включает впервые предложенную физически обоснованную функцию изменения площади проходного сечения диафрагмы модулятора за время процесса открывания и закрывания каналов в статоре и позволяет расширить область получения конструктивных и режимных параметров в определяемых границах;

- анализ разработанной математической модели нестационарного течения несжимаемой жидкости, позволяющий установить границы ее применения, и выделены эти границы в сопоставлении со сжимаемой жидкостью;

- зависимость критерия акустической кавитации от содержания свободного газа в жидкости и разработана соответствующая математическая модель, позволившая эффективно управлять максимальной скоростью протекания технологического процесса в роторном аппарате;

- трехмерная математическая модель течения технологической среды в зазоре между проницаемыми коническими поверхностями, на основании которой получены дифференциальные уравнения течения среды и аналитические выражения, не содержащие эмпирических коэффициентов, для определения диссипации энергии в радиальном и осевом зазорах роторного аппарата, а также предложен метод определения мощности, потребляемой роторным аппаратом, который может использоваться на начальной стадии проектирования;

- математическая модель нестационарного течения в радиальном зазоре между цилиндрическими ротором и статором, позволяющая определить пик мощности в момент пуска роторного аппарата и таким образом обоснованно подобрать электродвигатель привода;

- критерии и симплексы подобия, позволяющие более полно оценить влияние режимных и конструктивных параметров на закономерности нестационарных процессов в роторных аппаратах, полученные на основании дифференциальных уравнений течения среды в модуляторе роторного аппарата с использованием теории подобия и метода размерностей;

- физическая модель, раскрывающая особенности нестационарного течения среды в модуляторе роторного аппарата в полях массовых центробежных и кориолисовых сил, определено влияние их соотношения на интенсивность импульсной акустической кавитации и установлено, что наиболее эффективно аппарат работает при 0,30,5 и при ;

- физическая модель явления резонанса в модуляторе роторного аппарата интенсифицирующего химико-технологические процессы и влияющего на гидравлическое сопротивление, позволяющая рассчитать конструктивные и режимные параметры, необходимые для его возникновения;

- обобщенная методика расчета, позволяющая создавать новые и модернизировать существующие конструкции роторных аппаратов для интенсификации химико-технологических процессов, полученная на основании разработанных моделей течения несжимаемой и сжимаемой жидкости, зависимости величины критерия акустической кавитации от содержания свободного газа в обрабатываемой среде, модели явления резонанса в модуляторе.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Создана методика оптимизационного расчета роторных аппаратов на базе основных положений теории гидромеханики и комплексных теоретических и экспериментальных исследований нестационарных процессов в роторных аппаратах, реализованная в виде математических моделей и программного обеспечения и официально зарегистрированная (Свидетельство 2005610721).

Правовая защищенность разработок обеспечивается 16 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.

Результаты исследований, предложенные методики расчета и разработанные на их основе конструкции роторных аппаратов использованы на Мичуринском ОАО «Прогресс», ОАО «Тамбовполимермаш», Борисоглебском заводе ОАО «Патроны», ООО «Грибановский машиностроительный завод», ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова», ОАО РЖД Локомотивное ДЕПО г. Тамбов для приготовления эффективной смазочно-охлаждающей жидкости, на Котовском заводе ОАО «КЛКЗ» при производстве эмали белой ПФ-115, на НПФ «Лионик» г. Москва при производстве сухих концентратов натуральных напитков. Получен реальный экономический эффект около 18 млн. руб.

Обобщенная методика расчета роторного аппарата используется в учебном процессе при курсовом проектировании, в учебной и научно-исследовательской работе при подготовке магистров направления высшего профессионального образования 150400 «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции «Роль молодых исследователей и конструкторов химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ и проблем (Москва, 1983); Всесоюзной научно-технической конференции «Новые разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении» (Новосибирск, 1989); Всесоюзном научном симпозиуме «Акустическая кавитация и проблемы интенсификации технологических процессов» (Одесса, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «Биотехника-89» (Москва, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «НТП в химмотологии топлив и смазочных материалов» (Днепропетровск, 1990); 4 Всероссийской научной конференции «Динамика ПАХТ» (Ярославль, 1994); Всероссийской научно-технической конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (Ставрополь, 2000); 4, 5 и 6 Международных конференциях «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2001, 2003, 2005); 15 и 18 Международных научных конференциях «Математические методы в техники и технологиях», ММТТ – 15 и 18 (Тамбов, 2000; Казань, 2005); Международной научно-технической интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» «Технология-2002» (Орёл, 2002); 2 Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (Караганда, 2003); 4 Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003); 5 Международной конференции «Наука и образование» (Белово, 2004); 1 и 2 Всероссийских научных конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2004, 2005); 2 и 3 Международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение –XXI век» (Орёл, 2004, 2005); Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004); 6 Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2006).





Публикации. По материалам исследований опубликовано 84 работы в международных, академических, зарубежных и отраслевых журналах и научных изданиях. В том числе на конструкции роторного аппарата и способы их использования получено 16 авторских свидетельств и патентов. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик получения экспериментальных данных, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов.

Структура и объём работы. Диссертация включает введение, семь глав, основные выводы и результаты, список литературы (503 наименования) и четыре приложения. Работа изложена на страницах основного текста, содержит 126 рисунков.

___________________________________________

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Юдаеву В.Ф. за неоценимую помощь при проведении данного исследования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования; определены его цели и задачи; показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов; представлены основные результаты теоретических исследований.

В первой главе проведен аналитический обзор литературных данных о состоянии теории и практики, проблемах и задачах в области использования технологического оборудования с активными гидродинамическими режимами применяемого для интенсификации различных процессов химической технологии. Показано преимущество роторных аппаратов по сравнению с другим технологическим оборудованием, используемым для проведения процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость», с позиции удельной производительности, энергоемкости и качества получаемой продукции. Проведен анализ существующих моделей нестационарного течения среды в модуляторе роторного аппарата. Показано, что модели не учитывают особенностей течения жидкости на формирование закономерностей гидродинамики потока в модуляторе роторного аппарата. Показано, что в современных моделях не учитывается сжимаемость потока жидкости, когда роторный аппарат работает в условиях гидравлического удара. Выявлено, что для адекватного описания процесса течения среды необходимо провести анализ используемых критериев и симплексов подобия, применяя теорию подобия и метод размерностей. Рассмотрены модели, описывающие гидромеханические процессы, происходящие в радиальном зазоре между ротором и статором. Установлено отсутствие моделей для нестационарного течения в зазоре в роторных аппаратах с цилиндрическими ротором и статором и трехмерных моделей для роторных аппаратов с коническими ротором и статором. На основании проведенного анализа показано, что современные методики для определения энергозатрат при использовании роторных аппаратов являются полуэмпирическими и содержат большое количество экспериментальных коэффициентов и показателей степени, что затрудняет их применение при обосновании выбора технологического оборудования. Установлено, что возникновение явления резонанса в объеме роторного аппарата способствует интенсификации ХТП и может привести к резкому снижению потребляемой мощности. Показано, что на современном этапе исследований не учитывается соотношение центробежной и кориолисовой сил инерции и их влияния на процесс течения среды в модуляторе и, соответственно, на закономерности кавитационных явлений в роторном аппарате. На основании анализа современных моделей динамики кавитационного пузыря установлено, что отсутствуют теоретические исследования, подтверждающие экспериментальные данные о влиянии содержания свободного газа в жидкости на характер акустической импульсной кавитации. Выявлено, что существующие методики расчета конструктивных и режимных параметров роторного аппарата не в полной мере отражают особенности гидромеханических, акустических, кавитационных процессов в роторных аппаратах. На основании проведенного анализа обоснованы признаки объекта исследования, сформулированы проблема и задачи диссертационной работы и определены подходы к их решению.

Во второй главе рассмотрены общие вопросы теории нестационарных и стационарных течений обрабатываемой среды в роторном аппарате. Проведено аналитическое исследование гидромеханических процессов в каналах ротора, статора и в радиальном зазоре между ротором и статором (рис.1). В совокупности рассмотренная часть роторного аппарата носит название модулятор, т.е. устройство, осуществляющее изменение площади поперечного сечения потока жидкости по определенному закону. Закономерности течения среды в модуляторе в основном определяют эффективность работы роторного аппарата.

Современные модели течения жидкости в каналах модулятора основаны на исследовании нестационарного уравнения Бернулли. При этом вращение ротора учитывается изменением гидравлического сопротивления диафрагмы, образуемой стенками перекрывающихся каналов ротора и статора. В то время как закономерности течения во вращающихся с угловой скоростью и неподвижных каналах различны.

При построении математической модели нестационарного движения жидкости в каналах роторного аппарата использован зонный подход. Каналы ротора и статора имеют размеры одного порядка и являются двумя зонами со

a) б) в)
Рис.1. Конструктивная схема роторного аппарата: а) с цилиндрическим ротором, б) с коническим ротором, в) схема модулятора.


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.