Диссертация (1144032), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Таким образом, вламинарном потоке концентрированная водная суспензия демонстрируетодинаковый характер движения в трубе.В случае числа Рейнольдса 900 (рисунок 3.7) наблюдается изменениескорости по профилю сечения трубы при увеличении концентрации пульпы.При этом к центру сечения скорость уменьшается по сравнению с чистойжидкостью, а у стенок трубы наблюдается увеличение скорости. Такоеизменение профиля скоростей может свидетельствовать о проявленииэффектов турбулентности в потоке суспензии.74Рисунок 3.7 Зависимость скорости течения потока от диаметра трубы приразличных концентрациях твердой фазы при числах Рейнольдса 900: 1 чистая жидкость, 2 – при концентрации твердой фазы от 1.5 до 2Полученные данные по гидравлическому сопротивлению (рисунок 3.2)были сопоставлены со справочными данными для заданных чиселРейнольдса для воды [80].Таблица 3.2 Сопоставление результатов расчета со справочными даннымиReСправочноеРасчётноеРасхождениезначение λзначение λ(%)1200.530.577.59000.0710.10852Сопоставление показало, что расчетные данные по гидравлическомусопротивлению пульпы близки к справочным для воды в случае малого числаРейнольдса и имеют существенное расхождение для больших чиселРейнольдса, что может быть вызвано влиянием частиц суспензии нагидравлическое сопротивление при турбулизации потока.753.5 Исследование процесса формирования и старения геляВыполнено экспериментальное и численное исследование процессаиспарения жидкости из геля в процессе его формирования и полимеризации.Вэкспериментальномисследованиииспользовалсяагарозныйгельразличных концентраций.
Определён интервал установления стационарнойтемпературы при формировании геля и произведено математическоемоделирование процесса испарения на данном интервале. Результатымоделирования были сопоставлены с результатами эксперимента. Полученызависимости изменения массы геля от времени и определены характерныережимы формирования геля.Развитие аддитивных технологий, в том числе биопечати, в такихобластях как медицина и биотехнологии, требуют понимания динамикипроцессов формирования и старения гелей с целью разработки оптимальныхтехнологических процессов нанесения гелей с помощью технологийбиопринтинга[82].Формированиегелейсвязанососложнымигидродинамическими и теплофизическими процессами, происходящими вовнутренней микроструктуре геля.
При этом процессы массопереноса в гелесопряжены с взаимодействием нескольких фаз на малых линейныхмасштабах [83]. С целью определения динамики процесса испаренияжидкостиприформированиигеля,проведеноэкспериментальноеичисленное исследование с целью измерения скорости испарения жидкойфазы в процессе остывания образца геля.76Экспериментальная установка представлена на рисунке 3.8.Рисунок 3.8 Экспериментальная установка: 1 – слой агарозного геля, 2 –термопара, 3 – чашка Петри, 4 - теплоизолирующая пластина, 5 –электронные весыУстановка включает в себя электронные весы (5), на которыеустанавливалась чашка Петри (3) с нанесённым слоем геля (1). В гельпомещаласьтермопара(2)дляизмерениятемпературы.Приэтомповерхность чашки Петри была изолирована от площадки весов с помощьютеплоизолирующей пластины из пенопласта (4) с целью исключениятепловых потерь при контакте ёмкости с площадкой весов.В экспериментальном исследовании использовался агарозный гельконцентрацией 0,6 и 1%.
В начале эксперимента приготовленный образецгеля при температуре 60°C наносился на поверхность чашки Петри. Затемчашка устанавливалась на теплоизолирующую пластину на площадке весов.Далее в гель вводилась термопара. Перед началом эксперимента включалсятаймер для отсчёта времени.
Изменения показаний термопары и электронныхвесов фиксировались в таблице с соответствующим значением времени потаймеру.Расчётная модель процесса испарения основана на представлении гелякак системы капилляров. При этом движение жидкости внутри гелясопряженосдвижениемжидкойфазывмикроканалахсложнойконфигурации, включающее действие капиллярных сил, обеспечивающихподвод жидкости из внутренних слоёв геля к поверхности в процессеиспарения.В данной задаче при математическом моделировании рассматривался77случай испарения жидкости при подводе жидкой фазы по системекапилляров к поверхности геля. Производился расчёт парового потока,направленного по нормали к поверхности геля, проходящего черезэффективнуюплощадьповерхностикапилляровпристационарнойтемпературе (3.7).F = -Dò div(n) × ds(3.7)где F – паровой поток, D – коэффициент диффузии, n – нормаль, ds –элементарная единица поверхностиФиксация изменений массы и температуры производилась в течение 2часов 40 минут.
Данный временной интервал позволяет зафиксироватьхарактерные стадии формирования и старения геля, включая начальнуюстадию формирования структуры и его полимеризации.На основеполученных данных была построена зависимость изменения массы геля отвремени (рисунок 3.9).Рисунок 3.9. Динамика испарения геля во времени при различныхконцентрациях78В первые 20 минут эксперимента наблюдается линейная зависимостьизменения массы геля во времени. Характер зависимости может быть связанс тем, что в данный период идёт формирование геля и испарение жидкостипроизводится с поверхности геля, при этом возможен подвод жидкости изглубинных слоёв геля за счёт действия капиллярных сил.
В интервале от 20минут до 2 часов характер зависимости становится нелинейным, что можетбытьобусловленодействиемдополнительныхфакторовнапроцессиспарения, таких как процесс усадки геля. После 2 часов наблюдаетсястабилизация процесса испарения. Причина стабилизации может бытьсвязана с тем, что оставшейся жидкости недостаточно для действиякапиллярных сил для подвода жидкости к поверхности геля, что приводит ктому, что процесс испарения продолжается внутри пор, где суммарнаяповерхность испарения меньше в сравнении с поверхностью геля.Сцельюопределенияхарактернойтемпературы,прикоторойстановится справедливым применение разработанной численной модели,была построения зависимость, представленная на рисунке 3.10.Рисунок 3.10.
Динамика испарения геля на этапе стабилизации температуры79Для данного режима был произведён численный расчёт динамикииспаренияжидкостиипроизведёнсравнительныйанализсэкспериментальными результатами для агарозного геля с концентрациями0.6% и 1%.Зависимости изменения массы геля носят линейный характер наданном участке.
Динамика испарения для заданных концентраций не имеетсущественных отличий. Схожесть характера испарения жидкости для данныхконцентраций может быть связана с тем, что разница в концентрациинедостаточна для проявления изменений во внутренней структуре геля.3.6 ВыводыНа основе метода решеточных уравнений Больцмана разработаначисленная модель движения потока пульпы в трубе.
По результатамчисленногомоделированияполученыданныепогидравлическомусопротивлению потока пульпы в трубе при числах Рейнольдса 120 и 900.Построены зависимости профиля скоростей потока в трубе. Обнаруженэффект турбулизации течения при числе Рейнольдса равного 900. Расчетныеданныепогидравлическимсопротивлениямбылисопоставленысосправочными данными и показали, что для числа Рейнольдса 120гидаравлическое сопротивление суспензии близко к справочным данным дляводы, а в случае числа Рейнольдса 900 имеет существенное расхождение, чтосвидетельствует о необходимости учета влияния частиц в процессеутилизации пищевых отходов при высоком напоре воды.Разработаннаямодель была внедрена в ГБУ «Промотходы» для проведения расчетовгидравлического сопротивлении пульпы с целью оптимизации режимовработы диспоузеров на комбинатах питания г. Москвы, о чем был полученсоответствующих акт о внедрении.80ГЛАВА 4.
ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ИСТЕЧЕНИЯПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА4.1 ВведениеС целью проведения численного моделирования критическогоистечения парожидкостного потока из трубы с зернистой засыпкой на основегидродинамической модели движения газовых пузыре в зернистом слоеразвита модель критического истечения. В модели были реализованыусловия, аналогичные экспериментальным исследованиям [9].
Аналогичноэкспериментальномуисследованию,вкачестверасчетнойобластирассматривалась трехмерная расчетная область, представляющая собой трубус зернистой засыпкой. В начальный момент времени смесь пара и жидкостипоступает в трубу при давлении P1, при этом начальное давление в трубе P2было равно атмосферному и P2 < P1. После прохождения парожидкостнойсмесью рабочего участка, заполненного зернистым слоем, происходилоистечение парожидкостного потока через отверстие в конце трубы ификсировалась масса смеси, вышедшая за единицу времени. Давлениепарожидкостной смеси на вход трубы изменялось в диапазоне от 200 до800 кПа, длина рабочего участка составила 250 и 355 мм, диаметры зерназасыпки 2 и 4 мм.4.2 Экспериментальная установкаДля определения критического массового расхода пароводяной смесичерез зернистую засыпку была использована экспериментальная установка«Высокотемпературный контур», показанная на рисунке 4.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
