Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Назначение, способы и особенности закалки 2 часть



где СХкоэффициент сопротивления шара (определяется по формуле В. А, Олевского).

Для критерия Рейнольдса в диапазоне 10-3 £ Re £ 6 · 103

, ,

где mсм – коэффициент вязкости смеси, rсм – плотность смеси.

Закон движения капли записывается в виде

.

Уравнение испарения капли выражает скорость убывания поверхности испаряющейся капли:

где - коэффициент статического испарения;

- коэффициент динамического испарения;

Dn – коэффициент диффузии пара при данной температуре;

, ,

,

- плотность смеси газа и пара в точке пограничного слоя капли со средней концентрацией пара Сср:

, , ,

, ,

, ,

где - величина, учитывающая влияние на критерий Нуссельта неравенства теплового и диффузионного потоков; ат – коэффициент температуропроводности смеси; rсм, lсм, mсм, Срсм определяются по средним значениям температур поверхности капли и газового потока.

Запишем уравнение сохранения потока теплоты на границе капли:

,

где , , a - коэффициент теплоотдачи, , l – теплотаиспарения,

Скорость увеличения температуры капли зависит от скорости распространения теплоты по ее объему, которая определяется значениями критериев Bi и Fo:

, .

Если значение Bi£(0,1÷0,2), то частицу можно рассматривать как хорошо турболизованную жидкость, обладающую очень большой теплопроводностью, а следовательно, одинаковой по всему объему температурой. Исходя из этого принимаем lж=¥.

После преобразования уравнения сохранения потока теплоты на границе капли, получим уравнение прогрева капли:

.

Уравнение испаряемости капли:

.

Уравнение сохранения расхода двухфазной смеси:

,

где S – площадь поперечного сечения канала.

Уравнения импульсов для двухфазной смеси:

, .

Уравнение сохранения энергии двухфазной смеси:

,

где , .

Уравнение состояния смеси пара и газа:

, .

Решение системы приведенных выше уравнений позволяет определить скорость закалки и характер изменения температуры в пространственно-ременных координатах в зависимости от размера капель, соотношения жидкой и газовой фаз, рода жидкости и др.

Рассмотрим результаты расчетов процесса закалки продуктов пиролиза метана в азотной плазме распыленной водой (рис 24).

Рис. 25. Зависимость скорости закалки от температуры для разных значений d(a) и b(б):

1 – d=30 мкм; 2 – d=50 ; мкм 3 – d=100 мкм; 4 – b = 9;

5 – b = 7; 6 –- b=5; 7 – b=3

Расчеты показывают, что скорость охлаждения газового потока мало зависит от начальной скорости газа. Более существенно сказываются на профиле и скорости снижения температур начальный диаметр капли d1 и отношение массового расхода жидкости к газу b. Изменяя эти величины, можно получить необходимые профиль и скорость снижения температуры газа. Увеличивать скорость закалки целесообразнее посредством уменьшения d1поскольку это не приводит к росту расхода жидкости.



Как видно из рис. 24, скорость закалки распыленной водой достигает 105–107 К/с, причем в начале процесса скорость закалки может быть на порядок выше, чем в конце.

Таким образом, совместное решение уравнений кинетики, газовой динамики и уравнений течения двухфазного потока позволяет рассчитать процесс закалки распыленной жидкостью.

Закалка диспергированием газовой фазы. Сравнительно высокой скорости закалки достигают при барботаже продуктов реакции через слой жидкости. Если в качестве закалочной жидкости служит сырье, то можно за счет использования избыточной тепловой энергии газового потока получить дополнительное количество целевых продуктов.

Сложность и многогранность физических процессов при барботажа затрудняют создание надежной теории тепломассообмена, которая бы послужила для обобщения опытных и расчетных данных.

Пузырьковый режим истечения наблюдается при небольших расходах газа через отверстие. Над отверстием образуются независимо друг от друга пузырьки, которые, достигнув определенного размера, отрываются от кромки.

Обнаружено три характерных режима образования пузырьков: статический, динамический и с постоянной частотой. При малых расходах газа через отверстие пузырьки образуются при квазистатических условиях, т. е. под действием подъемной силы и силы поверхностного натяжения. При равенстве этих сил пузырек отрывается. В динамической области повышение расхода газа приводит к увеличению как размеров пузырьков, так и частоты их образования. Объем пузырьков увеличивается потому, что они отрываются не мгновенно, а за некотрое время tотр. Во время отрыва происходит дополнительное натекание газа в пузырьки. Обычно время отрыва составляет несколько сотых долей секунды.



В динамической области частота образования пузырьков с увеличением скорости газового потока асимптотически приближается к постоянному значению. Причем начинается попарное взаимодействие пузырьков в слое жидкости. При взаимодействии один из пузырьков догоняет раннее образовавшийся и сливается с ним. Вначале взаимодействие пузырьков происходит вдали от отверстия. По мере увеличения скорости газового потока место встречи взаимодействующих пузырьков приближается к плоскости отверстия. При определенной скорости газового потока образующиеся пузырьки взаимодействуют нeпосредственно около отверстия.

Скорость всплытия больших пузырьков (с диаметром более 5×10-3 м) постоянна и находится в пределах 0,3 м/с.

Для анализа переноса массы и теплоты между фазами предложен ряд теорий: пленочная, обновления, пограничного диффузионного слоя, свободной (межфазовой) турбулентности и др. Исходные предпосылки во всех теориях одинаковы:

· в ядре потока распределяемое вещество (теплота) переносится в основном за счет конвекции (ламинарная область) или турбулентных пульсаций (турбулентная область). Роль молекулярной диффузии мала;

· в пограничной области по мере приближения к границе раздела фаз конвективные токи (или турбулентные пульсации) затухают; около границы раздела фаз сосредоточено основное сопротивление массоотдаче и происходит резкое изменение концентрации и температуры.

В случае барботажа дымовых газов с температурой 873–2073 К через слой жидкости предложено уравнение для определения коэффициента теплоотдачи со стороны газа:

где X – коэффициент теплопроводности газа; wm – скорость невозмущенного потока жидкости равная скорости всплытия пузырька; v – кинетический коэффициент вязкости газа; х – координата в направлении движения.

Особенностью процесса закалки продуктов плазмохимических реакций являются высокая начальная температура газа и большое изменение его теплофизических свойств.

Приведем методику расчета процесса закалки, полученную авторами на основании анализа литературных данных и собственных экспериментов. В связи со сложностью задачи в расчетах принят ряд допущений:

· образующийся пузырек является сферой c гладкой поверхностью; определяющим параметром передачи теплоты к границе раздела фаз является теплопроводность парогазовой смеси;

· все падение температуры происходит в парогазовой фазе, термическое сопротивле­ние жидкости не учитывается;

· теплота, отдаваемая газом при охлаждении, расходуется на нагревание жидкости, испарение и подогревание образовавшегося пара; если жидкость нагрета до температуры кипения, сток теплоты в жидкость отсутствует;

· парциальное давление паров жидкости у поверхности раздела фаз принимается равным давлению насыщенного пара при температуре жидкости.

Принятые допущения позволяют в первом приближении выполнять расчет процесса тепломассообмена с помощью системы алгебраических уравнений. При этом одновременно протекающие процессы подачи плазмы в пузырек, рост пузырька, охлаждение его и испарение жидкости рассматриваются как процессы, протекающие последовательно за малые промежутки времени.

1. Уравнение нагревания парогазовой смеси:

,

где Т0 – температура плазмы на срезе сопла, Тi – промежуточная температура парогазовой смеси, G0 – расход плазмообразующего газа, - количество пара, образовавшегося за время ∆t, С0 – теплоемкость плазмообразующего газа при Т0, , - средняя теплоемкость газа и пара в интервале температур Тi - Тi-1.

2. Уравнение состояния парогазовой смеси:

,

где R – универсальная газовая постоянная, Ri – радиус пузырька в интервале времени ∆t.

3. Уравнение охлаждения пузырька:

,

где Тж – температура жидкости.

4. Уравнение парообразования (для взаимодействия плазменной струи с кипящей жидкостью):

,

,

где ,

где l – скрытая теплота парообразования, - теплоемкость пара при Тi*, ai – коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси, b - коэффициент массоотдачи.

Критический объем пузырька в момент отрыва определяем по уравнению

.

Результаты расчета среднемассовой температуры парогазовой смеси в зависимости от времени представлены на рис. 25. Перегиб на кривых соответствует отрыву пузырька от сопла. На рис. 26 показана зависимость радиуса пузырька от времени закалки.

Рис. 26. Зависимость среднемассовой температуры парогазовой смеси от времени для расхода газа:1 - 0,003, 2 - 0,002, 3 - 0,001 моль/с. Т = 313 К, ------ Т = 353 К Рис. 27. Зависимость радиуса пузырька от времени при T = 353К , G0= 0,002 моль/с, Т = 7000К 1 – расчетные данные, 2 -эксперимент

Как видно из графика, результаты эксперимента хорошо совпадают с расчетными данными.

Опыты показали, что в широком диапазоне расходов, диаметров отверстий и температур режим течения остается пузырьковым. Время от начала образования до отрыва пузырьков колеблется в пределах (0,4...0,6)•10-2 с. В начальный момент времени (до отрыва) пузырек растет за счет подвода газа и испарения жидкости с поверхности раздела фаз. После отрыва пузырька протекают конкурирующие процессы – увеличение объема пузырька за счет испарения жидкости и уменьшение его объема за счет интенсивного охлаждения парогазовой смеси. Максимальный диаметр пузырек имеет во время отрыва.

Таким образом, основное снижение среднемассовой температуры газа прс исходит в период образования пузырька. Режим пузырькового течения может быть рекомендован при определенных условиях как один из возможных вариантов закалки продуктов реакции с частичным использованием теплоты для дополнительного получения целевых продуктов. Скорость закалки при этом достигает 104– 106 К/с.

Закалочное устройство барботажного типа показано на рис. 27. Продукты реакции через патрубок 1 подаются в слой закалочной жидкости. Скорость закалки увеличивается с уменьшением диаметра пузырьков, поэтому газовый поток дробят на распределительной решетке 2. Образовавшаяся парогазовая смесь через патрубок 3 поступает в конденсатор 4. Газ отделяется в сепараторе 5, а жидкость через патрубок 6 вновь возвращается в емкость 7. Патрубок 8 служит для слива жидкости.

Рис. 28. Закалочное устройство барботажного типа

 

Закалка продуктов происходит за счет расходования их энергии на испарение жидкости. Эквивалентное количество энергии выделяется в теплообменнике при конденсации пара. Однако практическое использование этой энергии затруднено из-за относительно низкой температуры конденсации.

2.4. Закалка газовой фазой

 

Подмешивая холодный газ к горячим продуктам реакции можно понизить температуру последних до безопасного уровня. Массовый расход холодного газа находим из теплового баланса:

,

где G1, G2 – массовые расходы горячего и холодного газа соответственно; I–энтальпия газа; индексы: н – начальная; к – конечная.

Конечная энтальпия газов соответствует конечной температуре закалки, обеспечивающей термодинамическую устойчивость целевых продуктов.

Скорость закалки лимитируется скоростью смешения. Для достижения высокой скорости закалки необходимо обеспечить эффективное смешение. Закалка производится подачей холодных струй в горячий поток продуктов реакции (рис. 28).

Рис. 29. Схема закалки газом:

1-закалочное устройство, 2-котел-утилизатор, 3-подогреватель воды, 4-задвижки, 5-газодувка

 

Среднюю скорость закалки можно определить так

где ТН, ТКначальная и конечная температуры продуктов реакции соответственно; i – продолжительность смешения

t=L/W

где L – длина зоны закалки; W – средняя скорость газа в зоне закалки,

W = 4V/(pD2),

где V – объемный расход газа, проходящего через закалочную зону; D – диаметр закалочного канала.

 

Длина зоны закалки будет наибольшей при спутной подаче холодных струй и наименьшей – при встречной. Технически удобна радиальная подача холодных струй. При такой подаче L £ 3,2D. Определение длины зоны смешения в каждом конкретном случае сводится к решению задачи о смешении газовых струй.

Недостатком рассматриваемого способа закалки является разбавление продуктов реакции закалочным газом. Эффективность закалки повышается, когда в качестве закалочного газа используют охлажденные продукты реакции.

Во всех других случаях необходимо подбирать хладоагент, химически совместимый с целевыми продуктами.

 

2.5. Газодинамическая закалка

 

В соответствии с уравнением сохранения энергии (уравнением Бернулли) при адиабатическом течении сумма полной энтальпии и кинетической энергии газа в любом сечении канала остается постоянной

,

где Iп – полная энтальпия газа; А – переводной множитель; W – линейная скорость газа; g – ускорение свободного падения.

Следовательно, если учесть скорость газа при адиабатическом расширении, то тепловая энергия газа будет переходить в кинетическую и газ будет охлаждаться.

Если газ, ускоренный в результате адиабатического расширения, вновь адиабатически затормозить, то кинетическая составляющая полной энергии газа снова превратится в тепловую энергию и в энергию давления. При этом газ приобретает так называемую температуру торможения. Полная энтальпия адиабатически заторможенного потока газа и его температура (температура торможения) будут равны его начальной энтальпии и начальной температуре.

Расчеты показывают, что для достижения темпа охлаждения 106–108 К/с газовый поток необходимо разгонять до сверхзвуковых скоростей. Сопло, обеспечивающее получение сверхзвукового потока газа, называется сверхзвуковым соплом (рис. 29). В самом узком сечении сверхзвукового сопла (критическом сечении) скорость потока равна звуковой.

Совместное решение уравнения неразрывности потока и уравнения сохранения энергии приводит к зависимости

,

где Ткр – температура в критическом сечении сопла, Т – температура в произвольном сечении сопла, k – показатель адиабаты, М = W/а – число Маха (отношение скорости потока к скорости звука).

Для получения заданного числа Маха необходимо иметь достаточный запас давления в камере перед соплом. Зная распределение температуры:

,

где Т0 – температура торможения, Р0 – полное давление, Р – местное давление, зависимость между температурой и площадью поперечного сечения сопла устанавливается выражением

.

Для определения скорости закалки в сверхзвуковом сопле предложено уравнение

,

где ТГ1, ТГ2 – температура газового потока до и после закалки соответственно, dK – критический диаметр сопла, R – универсальная газовая постоянная, k – показатель адиабаты.

 

Рис. 30. Сверхзвуковое сопло

 

Расчеты, проведенные для смеси водород – ацетилен, показали что в сверхзвуковом сопле темп снижения температуры достигает 107–108 К/с. Однако при этом требуются большой перепад давлений в сопле и дополнительные затраты энергии на сжатие газа.

Основным недостатком закалки продуктов плазмохимических реакций в сверхзвуковом сопле является повышение температуры газа по мере его торможения. По этой причине такой способ закалки может применяться только в комбинации с другими способами, препятствующими повышению температуры потока после достижения заданной степени охлаждения. Для этой цели можно использовать, например, систему, включающую в себя сверхзвуковое сопло и газовую турбину. В этом случае кинетическая энергия газа, ускоренного в сверхзвуковом сопле, расходуется на выполнение механической работы – вращение турбины. Схематакой системы показана на рис. 30.

 

Рис. 31. Устройство для газодинамической закалки

Продукты реакции поступают на закалку в сверхзвуковое сопло 1, где охлаждаются до заданной температуры за счет превращения тепловой энергии в кинетическую при ускорении газового потока. Далее газ поступает на лопатки газовой турбины 2, где кинетическая энергия газа преобразуется в механическую, а затем и в электрическую, вырабатываемую генератором постоянного тока 3, соосно соединенным с турбиной. Полученная электроэнергия может быть вновь использована в плазмотронах.

Сравнительная характеристика и выбор способа закалки.Для того, чтобы наилучшим способом выбрать способ закалки, следует ответить на вопросы, главными из которых являются следующие:

· какой должна быть скорость закалки?

· каким должен быть закон изменения температуры во времени?

· допускается ли разбавление продуктов реакции закалочной средой?

· какой способ закалки дает лучшие возможности для использования тепловой энергии?

Последнее обстоятельство особенно важно, поскольку в плазмохимических процессах только часть подводимой энергии, и, как правило, меньшая, используется для перестройки химических связей. Остальная энергия расходуется на физическое нагревание реагентов. Использование этой энергии на стадии закалки – одно из главных направлений повышения эффективности плазмохимических процессов. Следует принимать во внимание и технико-экономические показатели того или иного способа закалки, при определении которых необходимо учитывать степень сохранения полученных в реакторе продуктов, расход электроэнергии, газа или закалочной жидкости на стадии закалки, гидравлическое сопротивление и стоимость закалочного устройства. Оптимальным будет тот вариант закалки, который наилучшим образом отвечает всем перечисленным требованиям.

Важнейшим параметром является скорость закалки. Ниже приводятся характерные значения скорости закалки для различных способов закалки:

 

Способ закалки К/с

В поверхностном теплообменнике 105–107

Твердыми частицами 106–107

Распыленной жидкостью 105–107

Затоплением в жидкую фазу 104–105

Смешением газов 105–106

Газодинамический 106–108

Из приведенных данных видно, что максимальная средняя скорость достигается при закалке твердыми и жидкими частицами, а также при Газодинамической закалке; минимальная – при затоплении в жидкую фазу. При газодинамической закалке, а также при закалке в поверхностном теплообменнике и твердыми частицами продукты реакции практически не разбавляются. Однако в последнем случае возникают затруднения с отделением твердых частиц от продуктов реакции.

Для газодинамической закалки необходим перепад давлений в 2–3 МПа. Кроме того, при торможении газового потока его температура вновь возрастает. Поэтому такой способ закалки можно применять только в комбинации с другими способами.

При закалке распыленной жидкостью и затоплением в жидкую фазу происходит разбавление продуктов реакции. Однако правильный выбор закалочной жидкости позволяет увеличивать выход целевых продуктов.

При закалке газом разбавление целевых продуктов частично компенсируют применением охлажденных продуктов реакции.

 

Вопросы для самоконтроля:

 

1. Каково назначение процесса закалки продуктов плазмохимических процессов?

2. Перечислите основные способы закалки.

3. Сформулируйте требования к процессу закалки.

4. Какие особенности необходимо учитывать при организации процесса закалки плазмохимических процессов?

5. Что такое скорость закалки?

6. В каких случаях применима закалка газовой фазой?

7. Назовите достоинства закалки газовой фазой?

8. Назовите недостатки закалки газовой фазой?

9. В каких случаях применима закалка жидкой фазой?

10. Как зависит скорость закалки диспергированной жидкостью от размера капель?

11. Назовите достоинства закалки диспергированной жидкой фазой.

12. Назовите недостатки закалки диспергированной жидкой фазой.

13. В каких случаях применима закалка диспергированием газовой фазы?

14. Назовите характерные режимы образования пузырьков в закалочном устройстве барботажного типа.

15. Как зависит скорость закалки диспергированием газовой фазы от размера пузырьков?

16. Назовите достоинства закалки диспергированием газовой фазы.

17. Назовите недостатки закалки диспергированием газовой фазы.

18. В каких случаях применима закалка твердой фазой?

19. Как зависит скорость закалки дисперсной твердой фазой от размера частиц?

20. Как зависит скорость закалки дисперсной твердой фазой от критерия Bio длятвердых частиц?

21. Назовите достоинства закалки дисперсной твердой фазой.

22. Назовите недостатки закалки дисперсной твердой фазой.

23. В каких случаях применима закалка в теплообменниках?

24. Назовите достоинства закалки в теплообменниках.

25. Назовите недостатки закалки в теплообменниках.

26. Каков физический смысл газодинамической закалки?

27. Назовите достоинства газодинамической закалки.

28. Назовите недостатки газодинамической закалки.

29. Перечислите способы утилизации тепловой энергии в процессах закалки.

30. Какой способ закалки дает лучшие возможности для использования тепловой энергии?

 

3. РАЗДЕЛЕНИЕ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

Сравнительно редко все входящие в плазмохимический реактор вещества без остатка превращаются в целевые продукты. В большинстве случаев на выходе из реактора имеется система, состоящая из целевых продуктов, побочных продуктов, непрореагировавшего сырья, плазмообразующего газа. Назначением стадии разделения является выделение целевых и побочных продуктов (если последние токсичны – то их обезвреживание), выделение и возвращение в цикл непрореагировавшего сырья и плазмообразующего газа. Таким образом, работу плазмохимического реактора и блока разделения следует рассматривать в неразрывной связи, поскольку эффективность технологии в целом зависит от оптимальной работы обеих стадий процесса (рис. 31). Целевой продукт на выходе из плазмохимического реактора может быть в твердом, газообразном или парообразном фазовом состоянии, которое и обуславливает выбор системы разделения. Выбор методов разделения и очистки должен учитывать специфику продуктов плазмохимического синтеза: высокую дисперсность частиц, их большую концентрацию в газе и др.

 

 

Рис. 32. Схема совместной работы плазмохимического реактора и блока разделения

3.1. Разделение системы газ – твердое вещество

При переработке газов, жидкостей или твердых веществ в плазменных струях целевой продукт часто получают в виде частиц размером меньше 10-6 м. Такие частицы образуются также при плазмохимической переработке твердофазных веществ во взвешенном и даже в неподвижном слое за счет механического разрушения последних [1-5]. Система, состоящая из твердых частиц, взвешенных в газе называется пылью.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!