Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Теплофизика и молекулярная физика

Диссертационная работа:

Шадрина Алёна Борисовна. Развитие методов моделирования процессов тепломассообмена в полидисперсных системах на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по свойствам : диссертация... кандидата технических наук : 01.04.14 Екатеринбург, 2007 154 с. РГБ ОД, 61:07-5/3476

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 16

  1. Методы моделирования процессов тепло- массопереноса в полидисперсных системах 16

  2. Испарение полидисперсных капель 21

  3. Растворение твердых частиц 23

  4. Сжигание жидкого распыленного топлива 26

  5. Сжигание пылевидного топлива 28

  6. Математическое моделирование процессов тепло- массопереноса в полидисперсном потоке 29

  7. Полидисперсная кристаллизация 33

1.8. Выводы и задачи исследования 34

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АВТОМОДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
ЭВОЛЮЦИИ АНСАМБЛЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ,
РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО СВОЙСТВАМ 36

  1. Эволюция ансамбля при пропорциональной зависимости скорости превращения частицы от содержания специй 38

  2. Скорость превращения не зависит от радиуса частицы 40

  3. Скорость превращения частиц зависит от радиуса 42

  4. Автомодельный режим эволюции ансамбля полидисперсных частиц в стационарном потоке 45

2.4.1. Скорость превращения специи пропорциональна содержанию её в
частице 46

2.4.2. Скорость превращения специи зависит от радиуса частиц 47

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО- МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ СУШКЕ АНСАМБЛЯ ПОРИСТЫХ ЧАСТИЦ 51

3.1. Квазистационарный режим сушки пористых частиц 52

  1. Кинетика сушки системы частиц с различной начальной влажностью....62

  2. Кинетика сушки полидисперсных частиц в период падающей скорости.65

  3. Кинетика автомодельного режима сушки полидисперсной системы частиц 66

ГЛАВА 4. КИНЕТИКА ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ ИЗ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ

СИСТЕМЫ ЧАСТИЦ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 75

ГЛАВА 5. ТЕПЛОМАССООБМЕН ПОЛИДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ
ЧАСТИЦ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ В СТАЦИОНАРНОМ ПОТОКЕ 83

  1. Эволюция полидисперсного ансамбля и сушка частиц в потоке 83

  2. Кинетика горения полидисперсной системы частиц в потоке 88

  1. Диффузионный режим горения распыленного жидкого топлива 88

  2. Диффузионный режим горения полидисперсного твердого топлива.97

  3. Кинетический режим горения пылевидного твердого топлива 111

5.3. Моделирование горения полидисперсных частиц топлива в кипящем слое
120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126

ЛИТЕРАТУРА 129

ПРИЛОЖЕНИЯ 139

Введение к работе:

Дисперсные среды находят применение в самых разнообразных технологических процессах: сушке и химико-термической обработке зернистых материалов, нагреве и термообработке металлических и других изделий в кипящем слое; нагреве и охлаждении в циклонах-пылеуловителях; сжигании твердого топлива в котлах с кипящим и циркуляционным кипящим слоем и в факеле камерных топок; сжигании жидкого распыленного топлива в камерных топках, двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках и т. п.

Широкое использование дисперсных сред требует дополнительного изучения процессов тепломассообмена. В технологических процессах находят применение как монодисперсные, так и полидисперсные системы. В последнем случае возникают дополнительные задачи, связанные с учетом распределения частиц по размерам или каким-либо другим свойствам. Аналогичные задачи возникают для монодисперсных частиц, различающихся по свойствам.

В области практического использования дисперсных сред накоплен богатый опыт, базирующийся на обширных результатах экспериментального и теоретического изучения гидромеханики, тепломассообмена и других процессов. При этом, естественно, возникали новые задачи, формировались новые подходы к их решению и формулировались новые постановки. К последним относится, например, использование кинетического уравнения для функции распределения частиц по радиусам при исследовании процессов экстрагирования, кристаллизации и растворения полидисперсных систем, которые широко используются в различных химических технологиях. К таким же процессам относятся тепло- и массообмен во взвешенном слое частиц, гетерогенные химические реакции, сопровождающиеся тепловыми и диффузионными потоками к частицам и т.п.

Учёт полидисперсности, основанный на решении кинетического уравнения для функции распределения частиц по различным свойствам (радиусам, влажностям, содержанию каких-либо компонентов и др.) является достаточно

5 универсальным, поскольку кинетика тепломассообменных процессов определяется скоростью превращения отдельной частицы, которая для многих реальных процессов определена экспериментально или теоретически. Этим методом решён целый ряд задач на испарение, горение, растворение, кристаллизацию, восстановление полидисперсной системы частиц.

Во многих задачах достаточно было ограничиться рассмотрением автомодельных функций распределения частиц по радиусам, вид которых определялся конкретной кинетикой рассматриваемого процесса для отдельной частицы. Полученные результаты неплохо согласуются с экспериментальными данными. Появилась необходимость в обобщении полученных ранее решений для автомодельных режимов при рассмотрении различных кинетик превращения свойств частиц.

Многие процессы происходят в стационарных потоках смеси, свойства которой изменяются по направлению потока. Этому вопросу в литературе уделено недостаточно внимания.

Цель работы. Целью работы является обобщение автомодельных режимов тепломассообменных процессов в полидисперсных системах для различных кинетик превращения частиц, распространение автомодельных режимов на превращение полидисперсных систем в стационарном потоке и использование полученных результатов для решения ряда конкретных задач.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

проведен теоретический анализ нестационарных автомодельных режимов эволюции ансамбля полидисперсных частиц при различных кинетиках тепломассообменных процессов одиночных частиц;

проведен теоретический анализ автомодельных режимов эволюции ансамбля полидисперсных частиц в стационарном потоке при различных кинетиках превращения одиночных частиц;

рассмотрена кинетика квазистационарного режима сушки влажной пористой частицы при граничных условиях III рода и эволюция

ансамбля монодисперсных частиц, различающихся по начальной влажности;

проведён анализ автомодельного режима сушки полидисперсного ансамбля влажных пористых частиц при пропорциональной зависимости скорости сушки частиц от влажности в нестационарных условиях и в стационарном потоке;

проведён анализ автомодельного режима выхода летучих из полидисперсного ансамбля частиц твердого топлива при пропорциональной зависимости скорости выхода летучих от содержания летучих;

решены задачи кинетики горения полидисперсных жидкого и распыленного твердого топлива в одномерных стационарных потоках.

Научная новизна. Научная новизна заключается в получении следующих основных результатов:

методом характеристик и методом Фурье проведен теоретический анализ автомодельных режимов эволюции ансамбля полидисперсных частиц в нестационарных условиях и в одномерном стационарном потоке при различных кинетиках превращения отдельных частиц, обобщающий имеющиеся литературные данные;

показано, что для автомодельных режимов превращения многие задачи решаются в конечном виде;

получены математические модели сушки, выхода летучих и горения в одномерном стационарном потоке, позволяющие производить расчетно-теоретические исследования превращения полидисперсных систем в различных установках и агрегатах;

показано, что при скорости превращения отдельной частицы, пропорциональной изменению свойства в частице, ансамбль ведет себя как монодисперсный;

показано, что для автомодельных режимов текущая функция распределения частиц по свойствам представляется произведением начальной функции распределения и функции, зависящей от временной (или координатной для стационарных потоков) части скорости изменения свойства частицы, а массовая доля непревращенного материала равна временной (или координатной) части автомодельной функции распределения;

получены численные значения относительных скоростей диффузионного и кинетического горения топлив в процессе эволюции полидисперсного ансамбля частиц. Установлено что при диффузионном горении относительная скорость монотонно уменьшается, а при кинетическом - проходит через максимум.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

предложенная методика расчета тепломассообменных процессов в полидисперсных системах позволяет для конкретных технологических процессов (сушка, испарение, растворение, горение топлив, термическая обработка материалов и т.п.) рассчитать ряд параметров, таких как степень превращения массы реагирующего материала, время полного превращения этой массы, длину пути полного превращения или превращения до заданного предела и т.п. На основании этих расчетов можно оптимизировать конструктивные решения создаваемых технологических аппаратов;

методика учета полидисперсности для автомодельных режимов превращения частиц может быть распространена и на неодномерные стационарные потоки с привлечением численного счета;

проведенные исследования расширяют знания в области тепломассообменных процессов полидисперсных систем и могут быть использованы в учебном процессе при изучении различных технологий обработки дисперсных сред.

Работа выполнена на кафедре «Физики и методик обучения физике» ГОУВПО «Магнитогорский государственный университет» в соответствии с координационным планом АН России по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» №ГР 018400052222 (Научно-техническая программа Министерства Образования и науки Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»)

Автор выражает глубокую признательность д.ф.-м.н., профессору Ясникову Г.П. и к.т.н. Платонову Н.И. за помощь и внимание к работе.

9 Условные обозначения

Русские и латинские символы

R0 - начальная функция распределения частиц по размерам

(по Розину-Раммлеру);

R (г ) - координатная часть функции распределения частиц по размерам;

R - газовая постоянная, радиус частицы;

W - скорость изменения свойства частиц;

Wq - начальная влажность;

W - относительная влажность;

N, No - текущее и начальное число частиц в ансамбле;

N(r) - координатная часть скорости превращения (уравнение

1.22);

N(z) - число частиц, оставшихся непрореагировавшими по

длине канала;

Мт, А/го - текущая и начальная масса топлива;

МШК,М - массы инерта, кислорода, продуктов сгорания соответственно;

M(t) - временная часть скорости превращения частиц

(уравнение 1.22);

с , сп - удельные теплоёмкости газа и пара;

10
с - теплоёмкость частиц;

с,, с2, ст - теплоёмкости паров топлива, продуктов сгорания, инерта соответственно;

Q» Qo ~ концентрация кислорода текущая и начальная;

cv, cvf, с - теплоёмкости пара перед и за фронтом испарения, газовой смеси соответственно;

С*, С, С0 ~ концентрации насыщенного раствора, текущая и начальная соответственно;

7" 1 Тч - температуры среды, газа и частицы соответственно;

TR, Т - температуры поверхности и фронта испарения частицы соответственно;

Tf - температура фронта испарения;

Ts,Tb - температура кипения;

F(t) - временная часть функции распределения частиц по

свойствам;

F(p) - прямое преобразование Лапласа;

К - относительное массовое содержание специи;

коэффициент массообмена (уравнение 1.19); комплекс теплофизических параметров (уравнение 1.22); константа скорости реакции (уравнение 1.25); константа скорости выхода летучих (уравнение 4.1);

К00 - предэкспоненциальный множитель;

E - энергия активации;

Д D0 - коэффициент диффузии кислорода текущий и начальный соответственно;

Q - комплекс теплофизических параметров (уравнение 1.22)

V - скорость движения частиц;

А - константа интегрирования;

Ф(г) - координатная часть функции распределения частиц по длине канала;

L - удельная теплота испарения;

QR - теплота сгорания топлива;

b - характеристика тонкости помола;

п - показатель полидисперсности состава; число частиц,

оставшихся непрореагировавшими; показатель степени (уравнение 2.12); порядок моментов;

у о - плотность распределения;

У - степень превращения массы частиц;

f,fo - текущая и начальная функции распределения частиц по

радиусам соответственно;

г, г0 - текущий и начальный радиус частиц соответственно;

гт - радиус наиболее крупной частицы;

12 радиус-вектор в физическом пространстве;

усреднение по функции распределения;

время;

параметр, порядок моментов;

показатель степени (уравнение 1.9); текущая масса летучих, содержащихся в частице;

плотности пара в смеси и насыщенного пара соответственно;

константа, константа разделения;

координата течения смеси;

параметры (уравнение 1.12);

свойство частицы;

скорость превращения свойства частицы;

коэффициент пропорциональности (уравнение 2.4); константа скорости химической реакции;

влагосодержание частицы;

Греческие символы

Sj, S0 - текущий и начальный размеры частиц соответственно;

Soi - начальный размер наиболее крупной частицы;

р - плотность;

a, ag - коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи соответственно;

ju - относительная концентрация частиц;

Я - параметр (уравнение 1.11); коэффициент

теплопроводности;

0{t) - функция плотности пара (уравнение 1.15);

в - среднее время пребывания элемента объёма в системе

(уравнения 1.32);

р - отношение начальной массы твёрдой фазы к объёму

жидкости (уравнение 1.19); кинетический коэффициент (уравнение 1.33); комплекс теплофизических параметров (уравнение 1.22 и 3.6); отношение массы топлива к массе кислорода;

X, Xf - коэффициенты теплопроводности перед и за фронтом реакции;

Яс - коэффициенты теплопроводности материала частицы;

у - отношение массы угля к количеству прореагировавшего

кислорода (уравнение 1.26);

(0\z) - координатная часть скорости изменения свойства ансамбля частиц в одномерном потоке;

co{t) - временная часть функции распределения частиц по

радиусам;

Е, - текущий радиус фронта испарения частицы;

- относительный текущий радиус фронта испарения

частицы;

тс - полное время сушки;

т - время;

0,(г) - координатная часть функции распределения частиц по радиусам;

^«' &„0 ~ зависимости от текущей и начальной и функции распределения частиц по свойствам (глава 2);

v{z) - скорость течения смеси;

и0 - средняя скорость одномерного течения смеси;

<90 - температурный напор (уравнение 3.53)

Г - гамма-функция Эйлера;

Критерии Nu, NuA - тепловой и диффузионный критерий Нуссельта;

Re - критерий Рейнольдса;

Рг - критерий Прандталя;

Bi - критерий Био;

Ki - критерий Кирпичёва;

Индексы

к - кислород; ч - частица; 0 - начальное значение; г, g - газ; пр -приведенный; ин - инерт; 1 - до фронта горения; 2 - после фронта горения; пг - продукты сгорания; ср - среда; т, т - топливо; s - кипение; д - диффузионный. Остальные обозначения в тексте.

Подобные работы
Трошкина Галина Николаевна
Математическое моделирование процессов теплообмена в системе "солнечный коллектор - аккумулятор тепла"
Фиртыч Дмитрий Александрович
Моделирование процессов тепломассопереноса в щелевых каналах систем сублимационного охлаждения
Абдуллин Руслан Хаернасович
Моделирование процессов тепломассообмена при горении газа в вентилируемых системах
Клинов Александр Вячеславович
Теплофизические основы процессов разделения многокомпонентных гетерофазных систем
Белоусов Виктор Семенович
Развитие методов эксергетического анализа и исследование процессов в однофазных и дисперсных средах на основе неравновесной термодинамики
Митрофанова Ольга Викторовна
Методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями
Казанцев Сергей Алексеевич
Моделирование диффузионного массопереноса в многокомпонентных жидких смесях методом молекулярной динамики
Сидоров Александр Сергеевич
Моделирование процессов тепломассопереноса в сферической емкости при неравномерном внешнем тепловом воздействии
Мессерле Алексей Владимирович
Математическое моделирование процессов термохимической подготовки пылеугольного топлива с использованием электродуговых плазмотронов
Костоломов Игорь Валентинович
Математическое моделирование процессов тепло-воздухообмена в помещениях

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net