Способ испытания лабораторного смесителя

 

Изобретение относится к перемешиванию. Целью изобретения является повышение эффективности испытания лабораторного смесителя за счет получения результатов, адекватных характеристикам промышленного смесителя только на одном смесителе. Способ испытания лабораторного смесителя, геометрически подобного промышленному смесителю для смешения двух турбулентных потоков различных газов - основного компонента и примеси, в качестве которых используют соответственно холодный или горячий турбулентные потоки одного и того же газа. Эти потоки подают на соответствующие входные сечения лабораторного смесителя и отношение критериев Эйлера для холодного и горячего потоков в их входных сечениях лабораторного смесителя Eи_1л/Eи_2л выбирают равным отношению критерию Эйлера для потоков основного компонента и примеси в их входных сечениях промышленного смесителя Eи_1п/Eи_2п. 2 табл.

Изобретение относится к перемешиванию и может быть использовано при испытании лабораторных смесителей для смешения двух турбулентных потоков газов с целью получения экспериментальных результатов для гарантированной разработки на их основе промышленных смесителей. Целью изобретения является повышение эффективности испытания лабораторного смесителя за счет получения результатов, адекватных характеристикам промышленного смесителя только на одном смесителе. Способ испытания лабораторного смесителя, геометрически подобного промышленному смесителю для смешения двух турбулентных потоков различных газов основного компонента и примеси, в котором в качестве основного компонента и примеси используют соответственно холодный и горячий турбулентные потоки одного и того же газа, подают эти потоки на соответствующие входные сечения лабораторного смесителя, и отношение критериев Эйлера для холодного и горячего потоков в их входных сечениях лабораторного смесителя Еи_1л/Eи_2л выбирают равным отношению критериев Эйлера для потоков основного компонента и примеси в их входных сечениях промышленного смесителя Eи_2п/Eи_2п. Безразмерные плотность и скорость холодного потока в его входном сечении лабораторного смесителя ρ_1л и V_1лпринимают равными соответствующим параметрам для потока основного компонента в его входном сечении промышленного смесителя ρ_1п и V_1п, безразмерные плотность и скорость горячего потока в его входном сечении лабораторного смесителя ρ_2л и V_2л выбирают равными соответствующим параметрам для потока примеси в ее входном сечении промышленного смесителя ρ_2п и V_2п, при этом в лабораторном и промышленном смесителях критерии Маха М_1i должны удовлетворять условию ≅ M_1i≅ 0,6 X^-0_2i^,5, где индекс i принимает два обозначения: i=л для лабораторного смесителя, i=п для промышленного смесителя; Еи_1i= P_1i/(ρ_1iV²_1i); Eи_2i=P_1i/(ρ_2iV²_2i); =ρ_1i/ρ_1i=1; V_1i=V₁i/V_1i= 1; = ρ_2i/ρ_1i; =V₂i/V_1i M_1i=V_1i/a_1i; R_ei=a_1il_1i ρ_1i/μ_1i; l_i1 и l_2i эквивалентные гидравлические диаметры соответственно входных сечений потоков основного компонента (холодного потока) и примеси (горячего потока); Gr_тi= gl³_1i ρ_1i² (T_max.i-T_min.i)/(273 μ_1i²) тепловой критерий Грасгофа; Gr_мi=gl³_1i ρ_1i²[1- ]/ μ_1i² молекулярный критерий Грасгофа; Х_2i показатель адиабаты потока примеси (горячего потока); Р_1i, ρ_1i, V_1i и μ_1i- cоответственно абсолютное статическое давление, плотность, среднерасходная скорость и динамическая вязкость основного компонента (холодного потока), взятые в его входном сечении; ρ_2i и V_2i -- соответственно плотность и среднерасходная скорость примеси (горячего потока), взятые в ее (его) входном сечении; а_1i скорость звука в потоке основного компонента (холодного потока); g ускорение свободного падения; Т_max.i и T_min.i соответственно максимальная и минимальная температуры в смесителе;
m_1i и m_2i соответственно молекулярные массы основного компонента (холодного потока) и примеси (горячего потока). Известно, что с целью моделирования любого промышленного тепломассообмена аппарата на лабораторном аппарате пользуются теорией подобия для вывода безразмерных переменных (так называемых критериев и симплексов подобия). Принимая одну из найденных с помощью данной теории переменных величин в качестве определяемой функции и варьируя другими переменными при экспериментах на лабораторном аппарате, получают зависимость для расчета выбранной функции на подобном промышленном аппарате. В соответствии с теорией подобия для вывода критериев и симплексов подобия необходимо прежде всего в полном объеме описать процесс дифференциальными уравнениями. Стационарный процесс смешения (тепломассопереноса) в вязкой, несжигаемой, неоднородной и неизотермической среде описывается следующей системой дифференциальных уравнений, выраженной в векторной форме. Уравнение движения (Навье-Стокса)
ρV grad V= ρ F-grad P + Div( μGrad V). (1)
Уравнение неразрывности среды
V grad ρ=0. (2)
Уравнение несжигаемой среды
giv V=0. (3)
Уравнение массопереноса, выраженное через массовую концентрацию примеси
ρV grad C=-div( ρCV*). (4)
Уравнение теплопереноса
С_p ρV grad T= div(λ grad T). (5) где ρ= ρ (х, у, z) плотность газовой смеси;
V=V (x, y, z) скорость течения смеси;
ρ F объемная внешняя сила;
P=P(x, y, z) абсолютное статическое давление;
С=С(х, у, z) массовая концентрация примеси;
Т=Т(х, у, z) температура смеси;
μ=μ (С, Т), С_р=С_р(С, Т) и λ=λ (С, Т) динамическая вязкость, теплоемкость при Р=const и теплопроводность смеси;
V*=V*(x, y, z) средняя скорость распространения примеси сквозь неоднородную среду в данной точке, трактуемая как скорость диффузии;
х, у, z пространственные координаты. На поверхностях, ограничивающих камеру смешения, система уравнений (1)-(5) должна удовлетворять следующим граничным условиям. На поверхности входа примеси S₁(x, y, z):
V=V₁(x, y, z), P=P₁(x, y, z). (6)
ρρ ₁(x, y, z), C=C₁=1; T=T₁(x, y, z). На поверхности входа основного компонента S₂(x, y, z). V=V₂(x, y, z). P=P₂(x, y, z). (7)
ρ _ρ2(x, y, z), C=C₂=0, T=T₂(x, y, z). На поверхности непроницаемых стенок S₃(x, y, z):
V=V₃=0, ∂C/∂n=∂C₃/∂n=0. (8)
∂ Т/∂ п=∂ Т3/∂ п=0
На поверхности выхода газовой смеси S₄(x, y, z):
V=V₄(x, y, z), C=C₄(x, y, z). (9)
T=T₄(x, y, z)
Указанное выше условие несжигаемости газовой смеси (существенно упрощающее систему дифференциальных уравнений (1)-(5)) обеспечивается для подавляющего большинства смесителей газов, в любой точке, внутри которых выполняется условие
ρ V²/P=kV²/a²=kM²<< 1, (10) где k показатель адиабаты газового потока;
a=a(m, T) скорость звука в газовой смеси;
m молекулярная масса газовой смеси;
M=V/a критерий Маха. Проведя обезмеривания дифференциальных уравнений (1)-(5), граничных условий (6)-(9) и ограничивающего условия (10) известным методом теории подобия, легко получить те восемнадцать критериев (безразмерных отношений разнородных величин) и симплексов (безразмерных отношений однородных величин), которые приведены в формуле изобретения. Поскольку критерий Маха входит в ограничивающее условие несжимаемости (10), именно он выбран в качестве определяемой величины (функции). Очевидно, что при таком выборе остальные семнадцать критериев и симплексов подобия стали определяющими величинами (переменными). Проводя эксперименты с этими переменными, исходя из условия, чтобы среднеарифметическое отклонение концентрации примеси в различных точках выходного сечения смесителя от ее среднерасходного значения ˙100%/ не превышало заданной технологией величины ±1,35% в результате обработки экспериментальных данных получено выражение для критерия Маха М_1i. П р и м е р. Для доказательства возможности получения в заявленном способе только на одном лабораторном смесителе результатов (например, по гомогенности смешения компонентов на выходе из смесителя), адекватных характеристикам промышленного смесителя, испытания проводили на одном и том же лабораторном смесителе, который был геометрически подобен ранее разработанному, ныне эксплуатирующемуся промышленному смесителю воздуха (основной компонент) и аммиака (примесь) агрегата неконцентрированной азотной кислоты АК-72 мощностью 1150 т HNO₃/сут. Для разработки данного промышленного смесителя с использованием для испытания лабораторного смесителя способа-прототипа потребовалось проведение испытаний на двух лабораторных смесителях разного масштаба. Промышленный смеситель представлял из себя образованный двумя соосными обечайками кольцевой канал, на наружной обечайке которого со стороны входа воздуха были выполнены равномерно распределенные по окружности радиальные отверстия для раздачи аммиака струями в двигающийся по кольцевому каналу поток воздуха. Внутренний диаметр наружной обечайки 1200 мм, наружный диаметр внутренней обечайки 1080 мм, ширина кольцевого зазора 60 мм, высота обечаек (кольцевого канала) 1100 мм; количество отверстий для раздачи аммиака (примеси) диаметром 4 мм 918. Укажем, что степень гомогенности смешения на выходе из смесителя по условиям технологии агрегата азотной кислоты составляла 100 /= ± 1,3 где Δ - cреднеарифметическое отклонение концентрации аммиака в различных точках выходного сечения кольцевого канала промышленного смесителя от ее среднерасходного значения , или в принятых выше обозначениях
= и = . Использованный в настоящих испытаниях лабораторный смеситель, геометрически подобный описанному промышленному смесителю, имел следующие размеры: внутренний диаметр наружной обечайки 230 мм, наружный диаметр внутренней обечайки 207 мм, ширина кольцевого зазора 11,5 мм, высота обечаек (кольцевого канала) 211 мм, количество отверстий для раздачи горячего воздуха (примеси) диаметром 2 мм 135. При испытании лабораторного смесителя на вход кольцевого канала подавался поток холодного воздуха (имитирующий основной компонент воздух в промышленном смесителе), в который через отверстия в наружной обечайке струями раздавали горячий воздух (имитирующий примесь аммиак в промышленном смесителе). Концентрацию кольцевого канала лабораторного смесителя С_2л определяли путем измерения температуры смеси в этих точках и пересчета ее известным методом в концентрацию. По полученным данным рассчитывали фактическое среднеарифметическое отклонение концентрации горячего воздуха в различных точках выходного сечения от ее среднерасходового значения в процентах из указанного выше соотношения ˙100% /. В опытах измеряли и другие требуемые параметры потоков. Эти параметры приведены в табл.1. В табл. 2 для каждого опыта приведены различные параметры, указанные в формуле изобретения, а также полученные результаты по гомогенности смешения. В этой таблице, как и в табл.1, приведены данные, полученные авторами ранее для промышленного смесителя. Как видно из сопоставления в табл.2 режимных параметров Eи_1i/Eи_2i, , , , M_1i для лабораторного и промышленного смесителей, испытания лабораторного смесителя в опытах 1-3 проведены по заявленному способу, в опытах 4,5 за заявленными пределами по критерию Маха М_1л, в опыте 6 по способу-прототипу (с соблюдением только режимных параметров, указанных в ограничительной части формулы изобретения). Из сравнения в табл. 2 результатов по гомогенности смешения на выходе из лабораторного и промышленного смесителей 100%/ видно, что в опытах 1-3 (по заявляемому способу) получены результаты, адекватные данному параметру в промышленном смесителе. В опытах же 5-6 (не по заявленному способу) получены существенно более худшие результаты, чем в промышленном смесителе (т.е. исследователь по результатам этих опытов мог бы подумать, что данная конструкция смесителя не обеспечит требуемой по условиям технологии агрегата азотной кислоты гомогенности смешения в промышленном смесителе и решать в этой связи два вопроса: либо проводить еще одни лабораторные испытания на другом геометрически подобном лабораторном смесителе большего масштаба, либо разрабатывать новую конструкцию смесителя). Таким образом, заявленный способ испытаний лабораторного смесителя позволяет получить только на одном лабораторном смесителе результаты, адекватные характеристикам будущего геометрически подобного промышленного смесителя. Сравнение затрат времени и материальных средств на лабораторные испытания по заявленному способу (на одном лабораторном смесителе) и по способу-прототипу показало, что эти затраты в заявленном способе меньше соответственно примерно в 2 и в 3 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СМЕСИТЕЛЯ, геометрически подобного промышленному смесителю для смешения двух турбулентных потоков различных газов основного компонента и примеси, в котором в качестве основного компонента и примеси используют соответственно холодный и горячий турбулентные потоки одного и того же газа, подают эти потоки на соответствующие входные сечения лабораторного смесителя и отношение критериев Эйлера для холодного и горячего потоков в их входных сечениях лабораторного смесителя Eи_1л / Eи_2л выбирают равным отношению критериев Эйлера для потоков основного компонента и примеси в их входных сечениях промышленного смесителя Eи₁ / Eи₂, а безразмерные полости и скорость холодного потока в его входном сечении лабораторного смесителя принимают равными соответствующим параметрам для потока основного компонента в его входном сечении промышленного смесителя отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности испытания лабораторного смесителя за счет получения результатов, адекватных характеристикам промышленного смесителя, только на одном смесителе, безразмерные плотность и скорость горячего потока в его входном сечении лабораторного смесителя выбирают равными соответствующим параметрам для потока примеси в ее входном сечении промышленного смесителя при этом в лабораторном и промышленном смесителях критерии Маха M_1i должны удовлетворять условию

где индекс i принимает два обозначения: i л для лабороторного смесителя, i п для промышленного смесителя;
Eи_1i= P_1i/(ρ_1iV²_1i);
Еи_2i=P_1i/(ρ_2iV²_2i);




M_1i=V_1i/a_1i;
Re_i=a₁; l_1iρ_1i/μ_1i;
l_1i и l_2i эквивалентные гидравлические диаметры соответственно входных сечений потоков основного компонента (холодного потока), и примеси (горячего потока);
Gr_Ti=9l³_1i ρ²_1i(T_{max i}-T_{min i})/(273μ²_1i)-
тепловой критерий Грасгофа;

молекулярный критерий Грасгофа;
X_2i показатель адиабаты потока примеси (горячего потока);
P_1i,ρ_1i, V_1i и μ_1i
соответственно абсолютное статическое давление, плотность, среднерасходная скорость и динамическая вязкость основного компонента (холодного потока), взятые в его входном сечении;
ρ_2i и V_2i соответственно плотность и среднерасходная скорость примеси (горячего потока), взятые в ее (его) входном сечении;
а_1i скорость звука в потоке основного компонента (холодного потока);
g ускорение свободного падения;
T_max и T_min соответственно максимальная и минимальная температуры в смесителе;
m_1i и m_2i соответственно молекулярные массы основного компонента (холодного потока) и примеси (горячего потока).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 07.07.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 19-2003

Извещение опубликовано: 10.07.2003        

---