Автореферат (Разработка метода расчета и создание пневмовакуумной установки концентрирования химических растворов), страница 2

Из них 3 работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ,общим объемом 4,1 п. л.Структура и объем диссертацииРабота состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 117 страницах текста, включая 44 иллюстрации и 7 таблиц. Библиография насчитывает 113 наименований.Содержание работыВо введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальностьисследования, сформулирована научная новизна и практическая ценность работы, определены объект и предмет исследования.В первой главе приведен обзор методов концентрирования химическихрастворов с выделением наиболее подходящего для микрообъемов жидкости.Приведены общие сведения об установках концентрирования химических растворов, в частности установках с дистилляционным принципом действия, и ихосновных характеристиках.

Подробно рассмотрен вопрос математическогоописания рабочих процессов, протекающих в концентраторах растворов, ипредставлены определяющие их расчетные зависимости. Определены основные4факторы, влияющие на рабочие процессы в концентраторах химических растворов.Обзор методов концентрирования растворов показал, что наиболее подходящим методом концентрирования микроколичеств химических, биологических и молекулярно-биологических образцов является метод выпаривания (дистилляционный метод концентрирования).Дистилляционный метод концентрирования химических растворов реализован в центрифужных, роторных и пневматических концентраторах растворов.Анализ требований, предъявляемых пользователями к оборудованию для концентрирования химических растворов, а также типов концентраторов, позволилсформулировать критерии оценки для выбора концентраторов жидкости и показал, что ни один из существующих типов установок для концентрированияхимических растворов не удовлетворяет этим требованиям.Проведенный обзор научно-технической литературы показал отсутствие воткрытых источниках печати методов расчета рабочих процессов в установкахконцентрирования химических растворов, что существенно затрудняет процесссоздания нового оборудование для этих целей.Рабочим процессом, определяющим эффективность работы концентраторов химических растворов, является испарение жидкости при взаимодействии спотоком рабочего газа в проточной части устройства под действием перепададавления.Анализ существующих конструкций, а также изучение алгоритмов и методов проведения работ в специализированных лабораториях позволил сформулировать основные требования, предъявляемые пользователями к оборудованию для концентрирования:1.

возможность концентрирования проб объемом менее 2 мл, расположенных в выпускаемых на текущий момент пробирках;2. обеспечение низкой вероятности перекрестного загрязнения (кроссконтаминации) одновременно концентрируемых образцов;3. высокая скорость испарения растворителя из образца;4. отсутствие существенной потери исследуемого образца (более 20%);5. возможность управления температурой пробы;6. возможность концентрирования различного количества проб;7.

компактность установки; возможность автономного использованияустановки (в полевых условиях).Наиболее важными критериями при выборе оборудования являются время выпаривания жидкости из раствора, вероятность перекрестного загрязненияи потери образца. Для повышения эффективности концентрирования химических растворов с помощью концентраторов жидкости проведены расчетнотеоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов, протекающих в рабочих ячейках данных установок.Обзор теории и методов рабочих процессов в установках для концентрирования химических растворов (диффузия пара в воздух, течение рабочего газав камере, теплообмен между рабочей жидкостью и стенками пробирки) позволил определить основные зависимости, описывающие данные процессы.

Обзор5работ, посвященных проблемам испарения жидкости в газовую среду, показалневозможность применения существующих методов к определению параметровработы концентраторов жидкости.На основе анализа состояния вопроса исследования рабочих процессов вустановках для концентрирования химических растворов сформулированы цельи задачи исследования.Вторая глава посвящена разработке математической модели рабочих процессов в концентраторе химических растворов – модели испарения жидкостипри взаимодействии с потоком рабочего газа.Область протекания рабочих процессов в установке концентрированияхимических растворов, состоящая из входной камеры 2 и направляющей трубки1, которые образуют цилиндрические и кольцевые каналы, сообщающиеся собластью смешения 3, а также термостатирующего устройства 4 представленана Рисунке 1.Рисунок 1.

Схема концентратора жидкостей.1 – направляющая трубка, 2 – входная камера, 3 – область смешения, 4 – термостатирующее устройство, 5 – область жидкости.Для моделирования рабочих процессов использование общей рабочейобласти ( 1 ) (Рисунок 2,а) является трудоемкой задачей, решение которойнеобходимо только на стадии оценки работоспособности всего изделия вцелом.Поэтому в качестве расчетной области для проведения основного объемарасчетно-теоретических исследований была выбрана ячейка, рассматриваемаядля описания отдельно течения рабочего газа ( 2 ) (Рисунок 2,б) и испаренияжидкости со свободной поверхности ( 3 ) (Рисунок 2,в).Расчетная область, включающая одну ячейку концентратора химическихрастворов, используется для описания математической модели течения рабочего газа. На Рисунке 3 показано сечение расчетной области вдоль оси симметриирабочей ячейки.6а)б)в)Рисунок 2.

Расчетные области математической модели: а – общая расчетная область ( 1 ), б – область одной ячейки для описания течения рабочего газа ( 2 ),в – область одной ячейки для описания испарения жидкости ( 3 ).1 – проточная часть входной камеры, 2 – пневмосистема, 3 – проточная частьвыходной камеры, 4 – подводящий кольцевой канал, 5 – поворотная камера, 6 –отводящий цилиндрический канал, 7 – жидкость, 1 – поток рабочего газа.Описание процессов течения рабочего газа, испарения жидкости и смешения потоков пара и рабочего газа в данной области позволяет определить основные параметры, необходимые для проектирования пневмовакуумной установки для концентрирования химических растворов.Размеры пробирок, используемых в существующих установках для концентрирования химических растворов, определяют внешние геометрическиеразмеры расчетной области (объем пробирки 2,0 мл, внутренний диаметр10 мм).

На Рисунке 3 показаны также основные геометрические параметры расчетной области: h – расстояние между межфазной границей и срезом направляющей трубки, d2 – диаметр направляющей трубки, d4– внутренний диаметрпробирки.В математической модели принимаются следующие допущения: рабочий газ не содержит примесей; рабочий газ несжимаем (плотность  не зависит от давления); температура на входе в расчетную область постоянна; процесс испарения рассматривается как квазистационарный; поверхность раздела фаз полупроницаема; на стенках направляющей трубки и пробирки не конденсируетсяжидкость; для моделирования турбулентного режима течения применяетсямодель турбулентности Ментера (SST).Для описания процесса течения рабочего газа в расчетной области используется система уравнений:1.Уравнения движения Навье-стокса в стационарной постановке длярабочего газа с учетом несжимаемости рабочей среды:7u xuup u y x  u z x     div(gradu x ),xyzxuuupu x y  u y y  u z y     div(gradu y ),xyzyuuupu x z  u y z  u z z     g   div(gradu z ),xyzzгде p – давление газа, u – скорость течения газа,  – динамическая вязкостьгаза, g – ускорения свободного падения.2.Уравнение неразрывности потока рабочего газа:divu  0 .uxРисунок 3.

Сечение расчетной области математической модели.Ω – область парогазовой смеси;S2в, S2а, S4T, S3 – границы входа, выхода, с окружающей средой и межфазная граница.3.Уравнение сохранения энергии для газа в пневмосистеме с учетомотсутствия внутренних источников тепла в стационарной постановке для несжимаемой жидкости:div(Tu)  adiv(gradT ),где a   / (  c p ) – коэффициент температуропроводности.4.Для описания течения газа при турбулентном режиме используетсямодель Ментера: t k  *(  u j k ) ()  Pk  Gb    k ,x jx j  k x j 8( u j ) x jx j t   1 k *2.(   )  Pk     (1  F1 )2   2xvxxj jj tДля описания процесса испарения жидкости используется уравнениедиффузии в движущейся среде:cccccc( D x )  ( D y )  ( D z )  ux x  u y y  uz z ,xxyyzzxyzгде D – коэффициент диффузии, c – концентрация паров жидкости.Математическая модель дополняется граничными условиями, определяющими решение системы уравнений математической модели.На входе в расчетную область 1 задается постоянное давление и температура газа (граничное условие 1 рода):pвх1  pin  const ,Tвх1  Т in  const .На выходе из расчетной области 1 задается постоянное давление рабочего газа (граничное условие 1 рода):pвых1  pout  const .На поверхностях стенок расчетной области 1 скорость течения газа считается равной 0:uст1  u wall  0.Граничные условия для расчетной области 2 совпадают с граничнымиусловиями для расчетной области 1 , что подтверждено в результате численного расчета течения газа в проточной части концентратора жидкостей, приведенного в Главе 3:pвх 2  pвх1 ,pвых 2  pвых1 ,Т вх 2  Т вх1 ,uст 2  0.Для расчетной области 3 граничными условиями будут являться содержание паров жидкости в рабочем газе, температура рабочего газа, температураиспаряемой жидкости, толщина зоны градиента концентрации:  const ,Т г  Т г 2 ( x, y, z ),Т ж  const ,h  h( x, y ).9Значения температуры газа и толщины зоны градиента концентрацииопределяется из результатов численного расчета течения рабочего газа в расчетной области 2 .Для решения составленной системы дифференциальных уравнений дополненных граничными условиями используется метод контрольных объемовна основе итерационных методов решения (SIMPLE алгоритмов).Третья глава посвящена разработке метода расчета и проведению расчетно-теоретических исследований рабочих процессов, протекающих в пневмовакуумном концентраторе химических растворов.Метод расчета рабочих процессов заключается в условном разделениипроцессов течения рабочего газа и процессов испарения жидкости со свободнойповерхности и определении взаимного влияния одного процесса на другой.