close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13877

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.12.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
F 26B 17/00
СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО ИЛИ
ЖИДКОГО МАТЕРИАЛА
(21) Номер заявки: a 20080839
(22) 2008.06.24
(43) 2010.02.28
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Акулич Петр Васильевич;
Драгун Владимир Леонидович; Акулич Александр Васильевич (BY)
BY 13877 C1 2010.12.30
BY (11) 13877
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) US 5638609 A, 1997.
BY 5819 С1, 2003.
RU 2015479 C1, 1994.
SU 1216267 A, 1986.
SU 1464020 A1, 1989.
(57)
Способ тепловой обработки дисперсного или жидкого материала, заключающийся в
том, что генерируют пульсирующий поток нагретого газа с низкой частотой колебаний
скорости газа, в который вводят материал и осуществляют его контакт с нагретым газом в
режиме пневмотранспорта, отличающийся тем, что пульсирующий поток нагретого газа
генерируют с отношением частоты колебаний скорости газа f, Гц, к расчетной частоте колебаний скорости газа fp, Гц, в диапазоне 1-5, причем при направлении потока газа вверх
расчетную частоту колебаний скорости газа fp определяют из выражения:
1  3ρг υA 30νρг
g 
− A ,
+ 2
fp =

2π  10dρ ч d ρч υ 
а при направлении потока газа вниз - из выражения:
1  3ρг υA 30νρг
g 
+ A ,
+ 2
fp =
2π  10dρ ч d ρч υ 
где π - постоянная величина, π = 3,14;
ρг - плотность газа, кг/м3;
υA - амплитуда колебаний скорости газа, м/с;
d - диаметр частиц, м;
ρч - плотность частиц, кг/м3;
ν - кинематическая вязкость газа, м2/с;
g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м2/с,
причем амплитуду колебаний скорости газа υA создают в диапазоне:
2


  30νρг 

ρ
νρ
6
g
30
3ρг
г
г
− 2 
< υA < c ,
  2  +
  d ρ ч  5dρ ч d ρч  5dρч


где с - скорость звука, м/с.
BY 13877 C1 2010.12.30
Изобретение относится к тепловой обработке и сушке дисперсных материалов и жидкостей (растворов, суспензий, эмульсий) и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен способ [1] сушки и тепловой обработки дисперсных материалов, состоящий
в том, что через слой дисперсного материала продувается поток газа с периодически меняющейся во времени скоростью. Скорость потока газа в зависимости от требований процесса и свойств материала может изменяться или по синусоидальной зависимости около
определенного среднего значения, или ступенчато. При подаче газа с максимальной скоростью слой дисперсного материала находится во взвешенном состоянии, а с уменьшением ее опускается на решетку. Вследствие нестационарного взаимодействия ожижающего
потока газа со слоем дисперсного материала при каждой пульсации (изменении скорости)
изменяется укладка частиц и предотвращается образование каналов. В данном способе
взаимодействие фаз происходит в условиях концентрированного периодически взвешиваемого слоя и активная поверхность контакта фаз меньше реальной поверхности частиц.
Кроме того, скорость газа меньше скорости витания частиц. Она строго ограничена высотой выброса частиц над решеткой. При малой частоте (менее 1 Гц) велика доля пассивной
части периода (без дутья), а при больших частотах (более 5 Гц) колебательные движения
слоя вырождаются и слой практически не отличается от обычного кипящего слоя. При
этом оптимальная частота пульсаций газа зависит от времени осаждения слоя частиц. Частоту колебаний определяют на основе опытных данных. Недостатком данного способа
является более низкая эффективность тепловой обработки материалов (для ряда материалов и технологических задач тепловой обработки) по сравнению с гидродинамическим
режимом пневмотранспорта в условиях колебаний скорости газа.
Известна энергетическая система с пульсирующим горением [2], включающая пульсационную камеру горения, связанную с питателем материала и обрабатывающей трубой,
по которой движется материал, связанную с парой циклонов коллекторов, которые сепарируют материал при его движении. Вибрационный генератор горения включает в себя
вращающийся клапан, камеру горения, внешнюю и внутреннюю части трубы питателя.
Камера горения и внутренняя подводящая труба являются коническими, и трубчатые секции монтируются по направлению волны сжатия, а силы сжатия преобразуются внешними силами за счет соединения камеры горения и хвостовой части трубы путем сильной
обратной связи.
В данной системе тепловую обработку (сушку) дисперсных и жидких материалов
производят в низкочастотном пульсирующем высокотемпературном потоке продуктов
сгорания в условиях пневмотранспорта частиц в вертикальном или горизонтальном канале. Пульсации газа создаются камерой пульсационного горения. При этом устройство камеры (комбастора) позволяет регулировать частоту колебаний газа (параметры
образующейся стоячей волны в сушильном канале). В данном устройстве и способе выбор
частоты колебаний потока газа не связан с параметрами частиц и отсутствует научное
обоснование задания параметров пульсирующего потока (частоты, амплитуды). Поскольку интенсивность процесса тепломассообмена зависит от параметров колебаний газа, то
необоснованность выбора частоты колебаний скорости газа влечет низкую эффективность
процесса сушки (тепловой обработки), что является недостатком данного способа.
Известны способ и устройство для сушки и нагрева [3]. Устройство для сушки и
нагрева содержит устройство пульсационного горения, в котором в результате сжигания
топлива создаются пульсирующий поток продуктов сгорания и волна акустического давления. Недостатком данного способа является низкая эффективность процесса сушки и
нагрева из-за отсутствия зависимости оптимальной частоты колебаний скорости газа от
свойств дисперсных частиц и газа.
Наиболее близким техническим решением являются способ и устройство для сушки и
нагрева [4] (прототип). Согласно способу для сушки и нагрева (тепловой обработки) мате2
BY 13877 C1 2010.12.30
риалов генерируют пульсирующий поток продуктов сгорания (нагретого газа) и акустическую волну давления. Пульсации потока продуктов сгорания ускоряют и создают высокоскоростной пульсирующий поток продуктов сгорания, которые затем приводят в контакт
с материалами: дисперсными или жидкими, которые распыливаются и смешиваются с
продуктами сгорания (в режиме пневмотранспорта).
В данном способе генерируют пульсирующий поток нагретого газа с низкой частотой
(до 500 Гц) и большой амплитудой колебаний скорости газа, в котором амплитуда смещения частиц газа намного больше диаметра дисперсных или жидких частиц. Для процесса
обтекания частиц характерен квазистационарный режим (поле скоростей газа в каждый
момент времени подчиняется закономерностям стационарного обтекания). При этом на
интенсивность межфазного тепломассообмена существенное влияние оказывают параметры (амплитуда и частота) колебаний скорости потока газа. Недостатком данного способа
является снижение эффективности процесса тепловой обработки (сушки) из-за отсутствия
зависимости оптимальной частоты колебаний скорости газа от свойств дисперсных частиц
и газа.
Задачей изобретения является повышение эффективности процесса тепловой обработки дисперсных и жидких материалов.
Задача решается следующим образом. В известном способе тепловой обработки дисперсных или жидких материалов генерируют пульсирующий поток нагретого газа с низкой частотой колебаний скорости газа, в который вводят материалы и осуществляют их
контакт с нагретым газом в режиме пневмотранспорта. Согласно предлагаемому изобретению, пульсирующий поток нагретого газа генерируют с отношением частоты колебаний
скорости газа f, Гц, к расчетной частоте колебаний скорости газа fр, Гц, в диапазоне 1-5,
причем при направлении потока газа вверх расчетную частоту колебаний скорости газа fр
определяют из выражения:
1  3ρг υA 30νρг
g 
− A ,
+ 2
fp =
2π  10dρ ч d ρч υ 
а при направлении потока газа вниз - из выражения:
1  3ρг υA 30νρг
g 
+ A ,
+ 2
fp =

2π  10dρ ч d ρ ч υ 
где π - постоянная величина, π = 3,14;
рг - плотность газа, кг/м3;
υA - амплитуда колебаний скорости газа, м/с;
d - диаметр частиц, м;
ρч - плотность частиц, кг/м3;
ν - кинематическая вязкость газа, м2/с;
g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м2/с,
причем амплитуду колебаний скорости газа υA создают в диапазоне:
2


  30νρг 

ρ
νρ
6
g
30
3ρг
г
г
− 2 
< υA < c ,
  2  +
  d ρ ч  5dρ ч d ρч  5dρч


где с - скорость звука, м/с.
Определение расчетной частоты колебаний скорости газа в области низких частот по
приведенной выше формуле обеспечивает минимальное ее значение при заданной амплитуде колебаний скорости газа, параметрах частиц (диаметре, плотности) и газа (плотности,
кинематической вязкости). Обоснованием этого служит следующее.
На фигуре представлен график зависимости среднего числа Нуссельта от частоты колебаний скорости газа.
3
BY 13877 C1 2010.12.30
Уравнение движения твердой (жидкой) частицы в пульсирующем потоке газа, направленном вверх, в простейшем случае записывают в виде:
2
υ−w
dw
m
= − mg + ξρг
,
dt
2
(1)
где m - масса частицы, кг;
w - скорость частицы, м/с;
t - время, с;
g - ускорение свободного падения, м/с;
ξ - коэффициент сопротивления частицы;
ρг - плотность газа, кг/м3;
υ = υ + υA sin(2πft ) - скорость газа, м/с;
υ - средняя скорость газа м/с;
υA - амплитуда колебаний скорости газа, м/с;
π = 3,14 - постоянная величина;
f - частота колебаний скорости газа, Гц.
В пульсирующем потоке газа с низкой частотой и большой амплитудой колебаний
скорости газа амплитуда смещения газа А в волне значительно больше диаметра d твердых (жидких) частиц (A/d>>1), и процесс их обтекания характеризуется квазистационарным режимом. Поэтому коэффициент сопротивления частицы определяют по формуле:
40
ξ = 0,4 +
,
(2)
Re
dυ−w
где Re =
;
ν
ν - кинематическая вязкость газа, м2/с.
Уравнение (1) преобразуют к виду:
du
3ρг 2 30νρг
u − 2 u,
= 2πfυA cos(2πft ) + g −
(3)
dt
10dρч
d ρч
где u = υ − w - абсолютная величина относительной скорости фаз (газ, частица), м/с.
В пучностях зависимости относительной скорости фаз от времени относительная скоdu
= 0, тогда
рость фаз принимает максимальное значение u = uмах. Поэтому
dt
3ρг 2 30νρг
2πfυA cos(2πft ) + g −
u − 2 u = 0.
(4)
10dρч
d ρч
Максимальная относительная скорость движения фаз равна uмах ≈ υA, когда частицы
практически не успевают следовать за газом вследствие их инерционности и колебаний
скорости газа. С учетом данного условия из формулы (4) находят расчетную частоту колебаний скорости газа, при которой достигается максимальная относительная скорость
фаз, которую при направлении потока газа вверх определяют по формуле:
1  3ρг υA 30νρг
g 
+ 2
fp =
− A .
(5)
2π  10dρ ч d ρч υ 
В формуле диапазон изменения амплитуды скорости газа
2


  30νρг 

ρ
νρ
6
g
30
3ρг
г
г
− 2 
< υA < c ,
(6)
  2  +
  d ρч  5dρч d ρч  5dρч


где с - скорость звука, м/с.
4
BY 13877 C1 2010.12.30
Нижний предел значения амплитуды скорости газа обусловлен тем, что сила аэродинамического сопротивления частицы должна быть больше силы тяжести, действующей на
частицу (расчетная частота не может принимать отрицательные значения в формуле (5)).
Верхний предел значения обусловлен необходимостью создания высоких значений уровня
звукового давления, достигающего 190 дБ, трудностями технической реализации и создания звукоизоляции при реализации способа, а в расчетах обусловлен необходимостью дополнительного учета сжимаемости газа.
Аналогичным образом получают выражение для расчетной частоты колебаний скорости газа при направлении потока газа вниз, которое имеет вид:
1  3ρг A 30νρг
g 

fp =
υ + 2
+ A  .
(7)
2π  10dρч
d ρч
υ 
Нижний предел амплитуды колебаний скорости газа в формуле (6) принимает небольшие значения. Поэтому при направлении потока газа вниз для повышения интенсивности тепломассообмена задают значения амплитуды колебаний скорости газа больше
нижнего предела в формуле (6).
При значении отношения частоты колебаний скорости газа к расчетной частоте колебаний скорости газа в диапазоне 1-5 достигается максимальная относительная скорость
фаз, а следовательно, интенсивность теплообмена, а также и массообмена при удалении
свободной влаги.
Нижнее значение соответствует расчетной частоте колебаний скорости газа. Верхнее
значение обусловлено следующим. С увеличением частоты колебаний скорости газа интенсивность теплообмена возрастает и затем с замедлением темпа стремится к максимальному значению. Поскольку нижнее значение расчетной частоты колебаний скорости
газа, как показывают расчеты, несколько меньше максимального значения, предусмотрено
увеличение частоты колебаний скорости газа для достижения устойчивого максимального
числа Нуссельта, при котором интенсивность теплоотдачи или тепловой обработки материалов максимальна. Расчеты показывают, что данное увеличение частоты колебаний
скорости газа достигает пяти.
Способ осуществляют следующим образом. Для тепловой обработки материалов в канале, например в трубе, генерируют направленный в вертикальном направлении (вверх,
вниз) пульсирующий поток нагретого газа с низкой частотой колебаний скорости газа с
отношением частоты колебаний скорости газа f, Гц, к расчетной частоте колебаний скорости газа fр, Гц, в диапазоне 1-5, причем при направлении потока газа вверх расчетную частоту колебаний скорости газа fр определяют из выражения:
1  3ρг υA 30νρг
g 
− A ,
+ 2
fp =
2π  10dρ ч d ρ ч υ 
а при направлении потока газа вниз - из выражения:
1  3ρг υA 30νρг
g 

+ 2
fp =
+ A  ,
υ 
2π  10dρ ч
d ρч
причем амплитуду колебаний скорости газа υA создают в диапазоне:
2


  30νρг 

ρ
νρ
6
g
30
3ρг
г
г
− 2 
< υA < c ,
  2  +
  d ρ ч  5dρ ч d ρч  5dρч


в который вводят дисперсные или жидкие материалы, и осуществляют контакт последних
с нагретым газом в режиме пневмотранспорта. Для генерации пульсирующего потока газа
с предлагаемыми параметрами частоты колебаний скорости газа используют камеры
пульсационного горения, клапаны и прерыватели потока газа.
5
BY 13877 C1 2010.12.30
Осуществление способа подтверждают нижеприведенные примеры. Методом численного моделирования выполнен расчет интенсивности теплообмена сферических частиц
различного диаметра d и плотностью ρ4 = 1800 кг/м3 в пульсирующем потоке нагретого
воздуха, направленном вверх, с температурой 473 К, средней его скоростью υ = 60 м/с и
амплитудой колебаний скорости газа υA = 40 м/с в зависимости от частоты колебаний
скорости газа. На фигуре представлена зависимость среднего числа Нуссельта от частоты
колебаний скорости газа. Кривая 1 - d = 2⋅10-5 м; 2 - 1⋅10-4; 3 - 5⋅10-4; 4 - 1⋅10-3.
αd
Nu =
,
λ
где α - средний коэффициент теплоотдачи от газа к частице, Вт/(м2⋅К);
λ - коэффициент теплопроводности газа в пограничном слое, Вт/(м⋅К).
Для тех же параметров частиц определено расчетное значение частоты колебаний скорости газа по вышеприведенной формуле (5). Значение расчетной частоты колебаний скорости газа fр по формуле (5) соответствует минимальным значениям, полученным
методом численного моделирования, при которых число Нуссельта практически перестает
зависеть от частоты. Так,
fр = 213 Гц для частиц диаметром d = 2⋅10-5 м (соответствует кривой 1 на фигуре);
fр = 15 Гц для d = 1⋅10-4 м (кривая 2);
fр = 2 Гц для d = 5⋅10-4 м (кривая 3);
fр = 1 Гц для d = 1⋅10-3 м (кривая 4).
При частотах колебаний скорости газа, меньших нижнего значения диапазона частот,
число Нуссельта Nu значительно уменьшается (падает интенсивность теплообмена). При
частотах, больших верхних значений диапазона частот, интенсивность теплообмена не
повышается и нет необходимости увеличивать частоту колебаний скорости газа и расходовать на их создание дополнительную энергию. Например, для частиц диаметром
d = 5⋅10-4 м при расчетной частоте колебаний скорости газа fр = 2 Гц используют частоты
до 10 Гц (кривая 3 на фигуре). Следовательно, выбор частоты колебаний скорости газа согласно предлагаемому изобретению позволяет достигнуть максимальной интенсивности
тепловой обработки при минимальной частоте в области низких частот.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность процесса
тепловой обработки дисперсных и жидких материалов. Данный способ может быть использован в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Источники информации:
1. Псевдоожижение / В.Г. Айнштейн, А.П. Баскаков, Б.В. Берг и др. - М.: Химия, 1991. С. 299-300.
2. Патент США 4992043, МПК F 02G 1/02, F26 17/10, 1991.
3. WO 9718426 A1, МПК F 26В 23/02, 1996.
4. Патент США 5638609, МПК F 26B 3/08, 1997.
6
BY 13877 C1 2010.12.30
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
109 Кб
Теги
by13877, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа