Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред
Проведен анализ механизмов ДИВЭ, которые реализуются при работе роторнопульсационных аппаратов. Показано, что механизмы взрывного вскипания и кавитации, а также механизм сдвиговых напряжений оказывают существенное влияние на эффективность этих устройств в процессах обработки гетерогенных смесей. Про...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61149 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред / А.А. Долинский, Г.К. Иваницкий, А.Н. Ободович // Промышленная теплотехника. — 2008. — Т. 30, № 4. — С. 5-13. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860178740618723328 |
|---|---|
| author | Долинский, А.А. Иваницкий, Г.К. Ободович, А.Н. |
| author_facet | Долинский, А.А. Иваницкий, Г.К. Ободович, А.Н. |
| citation_txt | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред / А.А. Долинский, Г.К. Иваницкий, А.Н. Ободович // Промышленная теплотехника. — 2008. — Т. 30, № 4. — С. 5-13. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Проведен анализ механизмов ДИВЭ, которые реализуются при работе роторнопульсационных аппаратов. Показано, что механизмы взрывного вскипания и кавитации, а также механизм сдвиговых напряжений оказывают существенное влияние на эффективность этих устройств в процессах обработки гетерогенных смесей.
Проведено аналіз механізмів ДІВЕ, що реалізуються в роторно-пульсаційних апаратах під час їх роботи. Показано, що механізми вибухового скипання і кавітації, а також механізм зсувних напружень в значній мірі впливають на ефективність цих апаратів в процесі обробки гетерогенних сумішей.
We analyze the DPEI mechanisms, which are realized in the course of operation of rotor-pulse devices. It is shown that the explosive- boiling and cavitation mechanisms as wellas the shear stress mechanism affect substantially the efficiency of these devices in the processes of treatment of heterogeneous mixtures.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:01:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
Введение
Роторно;пульсационные аппараты находят
широкое применение в различных отраслях про;
мышленности, прежде всего при проведении ба;
зовых технологических операций измельчения,
диспергирования, эмульгирования, связанных с
гомогенизацией обрабатываемых многокомпо;
нентных текучих смесей. Особенно перспектив;
ным является использование этих устройств с це;
лью обработки продуктов растительного
происхождения и сложных биологических сис;
тем для нужд пищевой, консервной и фармацев;
тической индустрии. Накопленный в Институте
технической теплофизики НАН Украины много;
летний опыт по созданию, совершенствованию и
промышленной эксплуатации роторно;пульса;
ционных аппаратов (РПА) различных модифика;
ций доказал многовекторность их практического
применения и принципиальную возможность ра;
ционального и надежного использования для ре;
шения различных технологических задач [1,2].
Высокую эффективность аппараты этого типа
показали при проведении операций смешения и
гомогенизации высоковязких смесей, например
для получения водо;мазутных, водо;топливных
эмульсий и СОЖ, а также при обработке вязко;
пластичных материалов растительного проис;
хождения [3–7]. На основе модифицированной
конструкции РПА разработана и внедрена в про;
изводство инновационная технология приготов;
ления гомогенизированной соевой пасты для
детского питания, которая базируется на термо;
влажностной и роторно;пульсационной обра;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4 5
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Проведено аналіз механізмів ДІВЕ,
що реалізуються в роторно�пуль�
саційних апаратах під час їх роботи. По�
казано, що механізми вибухового ски�
пання і кавітації, а також механізм
зсувних напружень в значній мірі впли�
вають на ефективність цих апаратів в
процесі обробки гетерогенних сумішей.
Проведен анализ механизмов ДИВЭ,
которые реализуются при работе роторно�
пульсационных аппаратов. Показано, что
механизмы взрывного вскипания и кавита�
ции, а также механизм сдвиговых напряже�
ний оказывают существенное влияние на
эффективность этих устройств в процес�
сах обработки гетерогенных смесей.
We analyze the DPEI mechanisms,
which are realized in the course of opera�
tion of rotor�pulse devices. It is shown that
the explosive� boiling and cavitation mech�
anisms as wellas the shear stress mecha�
nism affect substantially the efficiency of
these devices in the processes of treat�
ment of heterogeneous mixtures.
УДК 541.182: 532.517
ДОЛИНСКИЙ А.А., ИВАНИЦКИЙ Г.К., ОБОДОВИЧ А.Н.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДИВЭ
ПРИ РОТОРНО�ПУЛЬСАЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ
ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД
F – сила;
G – скорость сдвига;
g – ускорение;
p – давление;
P – напряжение;
Q – объемный расход;
R – радиус;
r – радиальная координата;
v – скорость;
uac – скорость звука;
δ – ширина зазора;
μ – динамический коэффициент вязкости;
ρ – плотность;
τ – время;
ω – угловая скорость;
РПА – роторно;пульсационный аппарат;
СОЖ – смазываемо;охладительная жидкость.
Индексы:
l – жидкость;
r – радиальный;
sh – сдвиговой;
ϕ – тангенциальный.
ботке бобов сои [7–9]. Микроструктурный ана;
лиз полученной по данной технологии белковой
пасты показал, что в результате роторно;пульса;
ционной обработки происходит разрушение
структуры сои до клеточного уровня [7]. Это до;
казывает чрезвычайно высокий уровень динами;
ческих эффектов, создаваемых в аппарате.
Совершенствование технологии приготовле;
ния сусла из крахмалосодержащего сырья в спир;
товом производстве с применением роторно;
пульсационной обработки для сверхтонкого
измельчения зерна [5,6] позволило при сокраще;
нии энергозатрат на 30% добиться существенно
более высокой степени дисперсности помола по
сравнению с той, которую обеспечивают тради;
ционные измельчающие устройства (молотко;
вые, шаровые, ролико;маятниковые дробилки).
Использование РПА в данной технологии позво;
лило создавать силовые воздействия на микро;
уровне, в результате чего зерна крахмала вследст;
вие разрушения внутренних межклеточных
связей приобретают свойства растворимого крах;
мала. Учитывая, что разрушающие усилия при
сдвиговом скалывании крахмалосодержащего
эндосперма зерен пшеницы, ячменя, кукурузы
(основных видов сырья в данном производстве)
измеряются в мегапаскалях, а при продольном
сжатии – в десятках мегапаскалей [10], можно
количественно оценить уровень силовых воздей;
ствий, которые инициируются в РПА.
Проведенные экспериментальные исследова;
ния кинетики процесса инверсии сахарозы при
производстве глюкозо;фруктозного продукта с
использованием роторно;пульсационного аппа;
рата позволило почти в 20 раз сократить продол;
жительность технологического процесса и за счет
этого существенно снизить энерго; и ресурсозат;
раты при очевидном улучшении биологических и
органолептических показателей готового про;
дукта [11]. Полученные в результате исследова;
ния данные о том, что основными факторами ин;
тенсификации процесса инверсии сахарозы при
использования РПА является температура рас;
твора и величина сдвиговых напряжений, позво;
ляют сделать заключение об основных физичес;
ких механизмах, реализуемых в аппарате,
которые обеспечивают столь высокую степень
влияния на скорость протекания химических
процессов. Величина энергии разрыва межмо;
лекулярных связей при инверсии сахарозы
(1070 кДж/моль) позволяет судить о количест;
венных величинах энергетических воздействий,
который обеспечивается в аппарате при реализа;
ции конкретного механизма.
Различные модификации РПА находят широ;
кое применение в технологиях сушки. В процес;
сах сушки обрабатываются самые разнообразные
жидкие продукты, например, в фармацевтике,
пищевой и химической промышленности. На
практике процесс сушки в большинстве случаев
является завершающей стадией технологической
цепочки. Перед подачей на вход сушильной ка;
меры исходное сырье (зачастую, растительные и
животные продукты или продукты микробиоло;
гического синтеза) подвергают предварительной
обработке с целью его измельчения и увеличения
удельной поверхности испарения [12, 13].
Высокая диспергирующая способность ротор;
но;пульсационных аппаратов эффективно исполь;
зуется в процессах абсорбции слаборастворимых
газов, прежде всего за счет создания весьма высо;
кой удельной поверхности контакта фаз [14,15]. В
качестве основного механизма диспергирования
газовой фазы рассматривается дробление газовых
пузырьков под действием сдвиговых напряжений в
узком зазоре между ротором и статором [15].
Роторно;пульсационные аппараты, использу;
емые преимущественно для интенсификации ги;
дромеханических и массообменных процессов,
могут применяться так же и как генераторы теп;
ловой энергии [16]. По расчетам авторов работы
коэффициент теплопроизводительности, кото;
рый определяется отношением суммарного ко;
личества теплоты, выделяемой в процессе рабо;
ты РПА, к затраченной энергии, достигает 1,8.
Величина КПД (отношение теплоты, израсходо;
ванной на нагрев жидкости в обогревательном
контуре, к энергии, поступающей на вход аппа;
рата) составляет 60…70%. Анализируя работу ро;
торно;пульсационного аппарата как генератора
тепловой энергии, обеспечивающего экологиче;
скую безопасность, экономичность, промыш;
ленную реализуемость, надежность, простоту
эксплуатации, авторы рассматривают в качестве
основной причины выработки теплоты механизм
кавитации в каналах статора.
6 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Хотя принцип работы аппаратов роторно;
пульсационного типа известен уже на протяже;
нии нескольких десятилетий, а теоретические и
экспериментальные исследования, направлен;
ные на совершенствование его конструкции,
проводятся во многих научных центрах, вопрос о
природе физических механизмов, обеспечиваю;
щих высокую эффективность его работы в раз;
личных процессах, пока еще остается открытым.
Считается общепризнанным, что в основе рабо;
ты роторно;пульсационных аппаратов лежит
принцип дискретно;импульсного ввода энергии,
что обеспечивает многообразие физических ме;
ханизмов, инициируемых в процессе работы ап;
парата, и многофакторность их воздействия на
обрабатываемый продукт [1,2,16,17].
Целью настоящей статьи является анализ ме;
ханизмов дискретно;импульсного ввода энер;
гии, которые реализуются в рабочих элементах
аппарата в процессе его работы, и оценка эффек;
тивности каждого из этих механизмов примени;
тельно к решению конкретных технологических
задач с применением РПА.
Механизмы интенсификации
гидромеханических процессов РПА
Роторно;пульсационные аппараты в качестве
гомогенизирующего устройства применяются
для обработки дисперсных сред: газ – жидкость,
жидкость – жидкость и твердое тело – жидкость.
Характерно, что непрерывной средой обрабаты;
ваемой гетерогенной смеси всегда является жид;
кость, что обеспечивает принципиальную воз;
можность реализации в аппарате широкого
спектра факторов гидродинамического воздейст;
вия, которые в совокупности рассматриваются как
базовые механизмы ДИВЭ [18,19]. Применитель;
но к работе роторно;пульсационных аппаратов
эти факторы проявляются следующим образом.
1. Силовое воздействие со стороны непре;
рывной жидкой фазы на дисперсные частицы
вследствие резкого торможения или ускорения
потока. Это приводит к резкому перепаду давле;
ния и возникновению разрушающего продоль;
ного напряжения сжатия.
2. Инициирование явления гидродинамиче;
ского удара.
3. Гидроакустическое воздействие на диспер;
сии вследствие периодического развития мелко;
масштабных пульсаций давления, явлений
взрывного вскипания и кавитации.
4. Чрезвычайно высокие скорости сдвига и,
как следствие, сильные сдвиговые напряжения,
действующие на дисперсную фазу.
Кроме указанных гидродинамических факто;
ров, высокая степень диспергирования обеспе;
чивается также механическим воздействием на
частицы гетерогенной среды, которое заключает;
ся в ударных, срезывающих и истирающих на;
грузках при непосредственном контакте диспер;
сий с рабочими элементами РПА.
Рассмотрим особенности работы роторно;
пульсационного аппарата применительно к ре;
шению задач гидромеханической обработки и го;
могенизации дисперсных систем и основные
факторы, которые используются в аппарате при
решении этих задач.
В качестве базовой модели РПА используем кон;
струкцию аппарата цилиндрического типа, состоя;
щую из трех коаксиально размещенных цилиндри;
ческих элементов – двух статоров и вращающегося
между ними ротора. Между ротором и статором су;
ществуют очень узкие кольцевые зазоры. На поверх;
ностях статоров и ротора параллельно оси вращения
с равной периодичностью расположены узкие щеле;
вые отверстия одинаковой ширины, которые взаим;
но перекрываются при вращении ротора. Если вну;
три аппарата находится жидкость, вращение ротора
обеспечивает тангенциальное движение жидкости в
кольцевых зазорах и, вследствие действия центро;
бежных сил, ее радиальное перемещение через ще;
левые отверстия ротора и статоров.
Конструктивные характеристики базовой мо;
дели РПА следующие [2]:
Расстояние внутренней поверхности ротора от
оси вращения Rr1 = 30·10–3 м.
Расстояние внешней поверхности ротора от
оси вращения Rr2 = 34·10–3 м.
Толщина стенок ротора и статоров l = 4·10–3 м.
Ширина щели на поверхности ротора и стато;
ров a = 4·10–3 м.
Высота щели ротора и статоров h = 24·10–3 м.
Расстояние между щелями b = 3·10–3 м.
Ширина зазора между ротором и статорами
δ = 0,15·10–3 м.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4 7
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Количество щелевых отверстий на поверхнос;
ти ротора (статора) n = 30.
Режимные параметры:
Объемный расход обрабатываемой смеси
Q = 10–3 м3/с.
Угловая скорость вращения ротора ω = 47,5 об/с
= 298 рад/с.
Тангенциальная скорость внутренней поверх;
ности ротора = 8,95 м/с.
Тангенциальная скорость внешней поверхнос;
ти ротора = 9,53 м/с.
Усредненное значение тангенциальной скоро;
сти ротора = 9,54 м/с.
Конструкции роторно;пульсационных аппа;
ратов, разработанных в ИТТФ НАНУ, их дина;
мические и энергетические характеристики, осо;
бенности распределения потоков в аппаратах,
диссипативные эффекты при обработке смесей,
примеры использования РПА при обработке вы;
соковязких сред и биологических систем деталь;
но рассмотрены в работах [1,2]. В данной статье
ставится задача проанализировать кратко роль
базовых механизмов ДИВЭ, реализуемых в дан;
ном аппарате, с целью выбора оптимальных ва;
риантов конструкции и технологических режи;
мов при решении конкретных технологических
задач.
Рассмотрим, каким образом указанные выше
механизмы ДИВЭ реализуются в рабочих эле;
ментах роторно;пульсационного аппарата в про;
цессе его работы.
Гидродинамические процессы в каналах
внутреннего статора
Поток обрабатываемой смеси, протекающий
через аппарат, многократно прерывается, благо;
даря взаимному перекрытию отверстий ротора и
статора, с периодичностью порядка 2 кГц. При
перекрытии щелей статора поверхностью ротора
жидкость в щелевых каналах I статора резко тор;
мозится.
Время от начала перекрытия отверстий до
полного перекрытия = 0,3 мс, длитель;
ность полного перекрытия = 0,1 мс,
а время раскрытия отверстий = 0,3 мс.
Такой цикл изменения проходного сечения кана;
ла для движения жидкости в радиальном направ;
лении повторяется каждые 0,7 мс, так что при ра;
боте аппарата стадия полного раскрытия канала
фактически отсутствует.
При перекрытии целевого отверстия и связан;
ного с этим резкого торможения потока в жидко;
сти в каналах первого (внутреннего) статора воз;
никают высокоамплитудные пульсации давления.
При этом кинетическая энергия потока периоди;
чески трансформируется в потенциальную энер;
гию с инициированием явления гидравлического
удара в качестве сопутствующего эффекта. В ще;
левых каналах второго статора, вследствие резко;
го сброса давления при закрытии канала и его
быстрого последующего восстановления в про;
цессе открытия, периодически создаются быст;
родействующие мощные эффекты взрывного
вскипания и кавитационного схлопывания. Час;
тота и амплитуда этих пульсаций зависит как от
скорости вращения ротора, так и от количества
щелей и скорости потока внутри аппарата.
Перемещение жидкости в радиальном направле;
нии происходит в пульсирующем режиме, так что
линейная скорость движения жидкости в щелевых
каналах меняется от максимального значения –
до минимального – . Среднее зна;
чение радиальной скорости = 0,463 м/с
существенно меньше тангенциальной скорости
потока в зазорах. Максимально достижимая ра;
диальная скорость определяется условия;
ми перекрытия канала и равна 1,08 м/с, что на
порядок меньше тангенциальной скорости пото;
ка у поверхности ротора. Следствием невысоких
значений линейной скорости потока является
сравнительно низкий уровень развития динами;
ческих эффектов, связанных с торможением и
ускорением потока и сопутствующих эффектов
гидравлического удара.
Величина ускорения в канале I статора, при
перекрытии и последующем раскрытии щеле;
вых отверстий, определяется по формуле
и составляет 3,6·103 м/с2.
Это намного меньше тех ускорений, которые ре;
ализуются в таких аппаратах ДИВЭ, как пульса;
ционный диспергатор с активной диафрагмой
или вакуумный эмульгатор [19].
При быстром перекрытии отверстий на выхо;
де из каналов I статора в каждом из этих каналов
( )max min 1l r r
g v v= − τ
maxrv
r
v Q nah=
min
0
r
v ≈
maxr
v
3
a vϕτ =
( )2
b a vϕτ = −
1
a vϕτ =
( )1 2
2v v vϕ ϕ ϕ= +
2 2r
v Rϕ = ω
1 1r
v Rϕ = ω
8 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
возникает эффект гидравлического удара. В мо;
мент полного открытия канала жидкость движет;
ся в канале длиной l со скоростью =1,08 м/с
и к моменту полного перекрытия канала =0,3 мс
тормозится до значения 0. Вследствие
этого в выходном сечении канала формируется
импульс высокого давления Δp, который распро;
страняется навстречу потоку к входному сечению
канала со скоростью звука uac, которая зависит от
свойств обрабатываемой среды. Через промежу;
ток времени (т.н. фаза удара) повышен;
ное давление сменяется разрежением, и в тече;
ние времени жидкость находится под
низким давлением. Период колебаний давления
в канале, связанных с инициированием явления
гидравлического удара, определяется величиной
.
Если непрерывной жидкой фазой является
вода, период колебания давления в канале I
статора равен 11,5 мкм, а фаза удара длится
5,7 мкс. За время полного перекрытия отвер;
стия =0,1 мс в канале успевает произойти
около десяти осцилляций давления. Если вре;
мя перекрытия канала превышает длитель;
ность фазы удара, происходит непрямой гид;
равлический удар, для которого амплитуда
импульса давления зависит от соотношения
фазы удара ко времени закрытия и определя;
ется по формуле . Для рассмат;
риваемого аппарата величина амплитуды ос;
цилляций равна 0,028 МПа, а частота
затухающих колебаний – около 90 кГц. Ха;
рактерно, что при непрямом гидравлическом
ударе (в отличие от прямого) амплитуда дав;
ления не зависит от скорости звука в обраба;
тываемой среде.
При средней радиальной скорости =0,463 м/с
жидкость проходит щелевой канал I статора за
время порядка 10 мс, и за этот промежуток време;
ни осуществляется около 15 перекрытий канала
и, следовательно, столько же раз каждый элемент
обрабатываемой среды успевает подвергнуться
действию гидравлического удара. Хотя амплиту;
ды пульсаций давления при гидравлическом уда;
ре сравнительно невелики, непрерывность и вы;
сокая частота этих пульсаций несомненно вносят
определенный вклад в процесс гидромеханичес;
кой обработки продукта.
Гидродинамические процессы в каналах
внешнего статора
Качественно иные явления наблюдаются при
периодическом перекрытии отверстий в канале
II статора. В момент совмещения щелевых отвер;
стий ротора и статора в канале внешнего статора
скорость жидкости максимальна. При перекры;
тии отверстий поступление жидкости в канал
статора замедляется, а затем фактически прекра;
щается, так как ее незначительное поступление
происходит только за счет транзитного течения
из радиального зазора между ротором и стато;
ром. Жидкость, находящаяся в канале, стремится
к выходу из канала, и инерционные силы созда;
ют в ней растягивающие напряжения. По мере
опорожнения канала давление быстро снижается
от нормального до давления насыщенного пара
при температуре среды, что вызывает взрывное
вскипание жидкости внутри канала. В течение
времени = 0,4 мс происходит интенсив;
ный рост пузырьков, причем в начальной стадии
скорость роста достигает 1000 м/с. При открытии
отверстия в канал I статора поступает импульс
высокого давления, что приводит к интенсивно;
му схлопыванию большой совокупности пузырь;
ков с выделением высокоамплитудного импульса
давления. В результате за короткое время давле;
ние возрастает до нескольких атмосфер к момен;
ту последующего перекрытия отверстий. Таким
образом, внутри канала II статора постоянно с
частотой порядка 2 кГц происходят высокоамп;
литудные колебания давлений, вследствие чего
возникает мощный гидроакустический эффект.
Кавитационные явления, происходящие в кана;
ле статора, и сопутствующие им фазовые превра;
щения можно рассматривать как акустическую
кавитацию, которая является одним из наиболее
жестких механизмов ДИВЭ и которая широко
используется с целью интенсификации массооб;
менных и гидромеханических процессов в дис;
персных средах [17,19,21]. Тождественность ка;
витационных процессов, протекающих во
внешнем статоре РПА, и явления акустической
кавитации подтверждают экспериментальные
данные. В работе [17] приведены фотографии ка;
витационного кластера, образованного над ульт;
развуковым магнитострикционным излучателем
21 τ+τ
r
v
max 1
2
l r
P v lΔ = ρ τ
2
τ
4
ac
l uτ =
2
ac
l uτ =
2
ac
l uτ =
≈minrv
1τ
maxrv
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4 9
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
при статическом давлении 0,2 МПа, и фотогра;
фии кавитационного кластера в канале статора
роторно;импульсного аппарата. Сходство фор;
мы и структуры обоих кластеров дает основания
предполагать о тождественности механизмов их
формирования и стабилизации.
Сдвиговое течение в межцилиндровых
зазорах РПА
Мощные пульсационные эффекты являются
одним из основных факторов, обеспечивающих
высокую эффективность РПА в процессах гомоге;
низации и измельчения различных продуктов,
прежде всего структурированных продуктов расти;
тельного и биологического происхождения. Не
менее важный вклад, особенно при дроблении
твердых частиц и эмульсий, вносит механизм
сдвиговых напряжений в узких зазорах между ро;
тором и статором. Величина линейной скорости
обрабатываемой жидкости в зазорах изменяется от
нуля на границе с поверхностью статора до значе;
ния тангенциальной скорости вращения ротора на
границе с его поверхностью. В этой зоне аппарата
происходит наибольшая диссипация энергии, но
именно в ней происходит наиболее сильное разру;
шающее воздействие на дисперсные частицы.
Использование напряжений сдвига в сдвиго;
вых течениях является одним из базовых меха;
низмов ДИВЭ, обеспечивающих жесткое воздей;
ствие на дисперсные частицы [18]. Сила
взаимодействия частицы с жидкостью пропор;
циональна градиенту . Возможность раз;
рушения дисперсии зависит от того, насколько
быстро изменяется величина тангенциальной
скорости потока в зазоре вдоль координаты r. В
отличие от других механизмов ДИВЭ в этом слу;
чае трансформация энергии происходит не во
временных, а в пространственных координатах
[19]. Энергетическим показателем эффективнос;
ти этого механизма является “скорость” измене;
ния плотности кинетической энергии потока
в радиальном направлении оси, т.е. величина
.
Величина сдвиговой скорости, достигаемая в
зазорах РПА, зависит только от технических ха;
рактеристик аппарата и определяется формулой
. Для рассматриваемого здесь образца
аппарата G ≈ 600000 с–1, что соответствует стан;
дартным значениям этого параметра в современ;
ных промышленных аппаратах (104...105 с–1)
[4,17]. В соответствии с законом Гука, величи;
на действующего на частицу растягивающего
напряжения , где Sm – площадь
миделева сечения частицы плоскостью, перпен;
дикулярной потоку, а – растягива;
ющая сила. Коэффициент гидродинамического
сопротивления ζ можно оценить по формуле
, а число Рей;
нольдса для сдвиговых течений определяется со;
отношением .
Таким образом, величина растягивающего на;
пряжения Psh в сдвиговых течениях в зазорах
РПА зависит главным образом от числа Re, и в
соответствии с этим вязкость обрабатываемой
жидкой смеси должна оказывать определяющее
влияние на степень динамического действия.
Оценка величины сдвигового напряжения,
действующего на частицу в зазорах РПА, прове;
дена при G = 60000 с–1 для частиц с диаметром d
в интервале от 1 до 1000 мкм при различных зна;
чениях динамической вязкости в интервале от
0,001 до 15 Па·с.
Результаты расчета представлены в табл. 1 для
различных значений вязкости потока в указан;
ном интервале значений d и μc.
2
Re
l l
GR= ρ μ
( )0,5
2,25 16 Re 2,2 Re 0,6ζ = + +
2 2
l m
F S Gζ ∝ ζρ
0,5
sh m
P F Sζ=
1r
G R= ω δ
k
d drε
k
ε
drdvϕ
10 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Та б л . 1 . Растягивающие напряжения (в МПа), действующие в зазоре РПА на частицы
различного размера при разных значениях вязкости несущей жидкости μc
При всех заданных значениях вязкости потока
μc величина растягивающих напряжений P в ин;
тервале 1 мкм <d<100 мкм слабо зависят от раз;
мера частиц. Для более крупных частиц величина
напряжений заметно возрастает с увеличением
диаметра частицы. Значения сдвиговых напря;
жений оказываются достаточно высокими даже
для малых частиц и заметно возрастают по мере
увеличения вязкости несущей фазы потока.
Для оценки размера дисперсий, разрушаемых
под действием сдвиговых напряжений в промы;
шленных РПА, необходима информация о при;
роде разрушаемых связей и усилиях, которые не;
обходимо приложить для разрыва этих связей в
каждом конкретном случае.
Возможность разрушения твердых частиц в за;
зоре аппарата роторного типа исключительно
под действием сдвиговых напряжений показана в
работе [22], где приведены результаты экспери;
ментальных исследований разрушения агрегатов
малого размера, образованных из частиц измель;
ченного цемента, и приводятся данные по вели;
чине связей между частицами агрегатов различ;
ного размера.
Объектом исследования выбрана суспензия
измельченного цементного порошка в водо–гли;
цериновом растворе с вязкостью в интервале от 2
до 5 Па·с. Содержание дисперсной фазы в сус;
пензии – 2 г/л. Исследуемая смесь пропускалась
через узкий зазор между двумя цилиндрами,
внешний из которых с диаметром 108 мм вра;
щался с высокой скоростью. Ширина зазора со;
ставляла 2 мм. Стенки цилиндров сплошные без
целевых отверстий. Частота вращения внешнего
цилиндра в эксперименте изменяется от 50 до
120 с–1, что для указанной ширины зазора соот;
ветствует изменению величины сдвиговой ско;
рости в интервале от 5200 до 13000 с–1.
Испытания проводились с фракцией частиц с
диаметрами в интервале 40…63 мкм, среди кото;
рых лишь 32% составляли агрегаты, которые по;
тенциально могли быть разрушены с помощью
исследуемого метода. Заметное разрушение агре;
гатов начиналось при частоте вращения ротора
60 с–1. При частоте вращения 75 с–1 эффект за;
метно возрастал – при таком режиме в суспензии
появилось свыше 10% частиц с диаметром менее
20 мкм, которых не было в исходной суспензии.
Автор отмечает, что при указанных режимах об;
работки материала число Рейнольдса находилось
в пределах 10…20, так что режим обтекания бли;
зок к стоксовскому.
Полученные в этой работе результаты доказыва;
ют возможность разрушения частиц в аппаратах
роторного типа только за счет сдвиговых напря;
жений в зазоре без необходимости дополнитель;
ного учета каких;либо других механизмов. Кро;
ме того, в этой работе указана природа связей
частиц в агрегатах и приводятся численные зна;
чения напряжений, которые необходимы для
разрушения цементных агрегаций за счет разры;
ва частиц. Испытания показали, что в проведен;
ных экспериментах при указанных режимах раз;
рушить удается только агрегаты, частицы
которых связаны силами Ван;дер;Ваальса. Ес;
ли частицы в агрегатах спеклись или подверг;
лись брикетированию, силы сцепления между
частицами на два порядка выше и такие образо;
вания не поддаются разрушению при условиях
опыта.
В работе [22] представлена таблица, в которой
по данным эксперимента показано, какие напря;
жения необходимо создать, чтобы разорвать свя;
зи между частицами в агрегатах различного раз;
мера и разрушить эти агрегаты. К этой таблице
нами добавлены колонки, в которых по результа;
там проведенного нами расчета показано, какая
величина сдвиговых напряжений достигается в
условиях указанного эксперимента при необхо;
димости разрушить агрегаты определенного раз;
мера (см. табл. 2).
Заключение
Проведенный анализ показал, что в аппаратах
РПА рассмотренной модификации в полной ме;
ре реализуются механизмы взрывного вскипания
и гидроакустической кавитации (в каналах внеш;
него статора) и механизм сдвиговых напряжений
(в межцилиндровом зазоре). В меньшей степени
используются механизмы ускорения потока и ги;
дравлического удара (в каналах внутреннего ста;
тора). Вместе с тем трудно сделать однозначное
заключение о том, какой именно механизм пре;
валирует в каждом конкретном случае при ис;
пользовании промышленных РПА для решения
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4 11
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
конкретных технологических задач [4 – 16]. Так,
в работе [5] показано, что роторно;пульсацион;
ный аппарат может быть успешно использован в
качестве диспергатора на стадии сверхтонкого
измельчения зерна (пшеницы, ячменя, кукуру;
зы) в спиртовом производстве. Отмечено, что
крахмал, содержащийся в эндосперме зерна, при
обработке в РПА теряет свойственную ему мор;
фологическую структуру и в результате наруше;
ния внутренних межклеточных связей приобре;
тает свойства растворимого крахмала, что
является основной задачей этой операции. Изве;
стно, что разрушающее усилие при сжатии муч;
нистого эндосперма пшеницы для освобождения
зерен крахмала составляет 1,7 МПа, а при сдви;
говом скалывании – 0,4…0,6 МПа [10]. Для зерен
кукурузы эти показатели выше. Как следует из
табл. 1, достижение таких показателей при ис;
пользовании механизма сдвиговых напряжений
возможно лишь при предельно высоких значени;
ях вязкости среды (μl>10 Па·с). По;видимому, в
данном случае существенный склад вносит меха;
низм кавитации, при котором реализуются силь;
ные ударные воздействия и высокие значения
напряжений сжатия и сдвига на микроуровне. В
работе [10], в частности, приводится пример ус;
пешного силового воздействия на семена различ;
ных зерновых культур путем резкого сброса дав;
ления в камере от 0,12…0,17 МПа до 0,1 МПа.
Такой перепад давления вызывает резкое измене;
ние структуры зерна. Растительные клетки раз;
рываются, а крахмальные зерна набухают. Воз;
можно, что аналогичные явления должны
возникать в каналах внешнего статора РПА на
стадии разрежения и взрывного вскипания жид;
кости.
При анализе работы РПА, используемых для
решения конкретных технологических задач в
различных отраслях промышленности, необхо;
димо учитывать и количественно оценивать
вклад каждого механизма ДИВЭ в интенсифика;
цию данного процесса. Это обеспечивает воз;
можность выбора наиболее подходящей модифи;
кации аппарата и оптимальных режимных
параметров с целью успешного решения постав;
ленных задач.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долинский А.А., Павленко А.М., Басок Б.И.
Теплофизические процессы в эмульсиях.–К.:
Наукова думка, 2005. – 263 с.
2. Накорчевский А.И., Басок Б.И. Гидродина;
мика и тепломассоперенос в гетерогенных систе;
мах и пульсирующих потоках –К.: Наукова дум;
ка, 2001. –345 с.
3. Басок Б.И., Гартвиг А.П., Коба А.Р., Горя$
чев О.А. Оборудование для обработки и получе;
ния высоковязких дисперсных сред //Пром. теп;
лотехника. –1996. –Т.18, №1. – С.50–56.
4. Ободович А.Н. Розробка різновидів ротор;
но;імпульсних апаратів для реалізації процесів
дискретно;імпульсного вводу енергії в рідинних
дисперсних середовищах //Восточно;европей;
ский журнал передовых технологий. – 2007. –
№ 6/5. – С. 48–50.
5. Ободович А.Н., Грабова Т.Л., Коба А.Р., Го$
рячев О.А. Совершенствование технологии при;
готовления сусла из крахмалосодержащего сырья
в спиртовом производстве с применением метода
дискретно;импульсного ввода энергии // Пром.
теплотехника. – 2007. –Т.29, №4. – С.59–63.
12 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Та б л . 2 . Анализ разрушения агрегатов цемента в аппаратах роторного типа по данным [22]
6. Басок Б.И., Ободович А.Н., Пироженко И.А.,
Коба А.Р. Дискретно;импульсный ввод энергии в
технологии бродильного производства //Пром.
теплотехника. –2003. –Т.25, №4. – С.94–96.
7. Басок Б.И., Пироженко И.А., Булавка Д.В.
Дисперсный анализ соевой пасты, полученной
при роторно;пульсационной гомогенизации
//Пром. теплотехника. –2003. – Т.25, №4. –
С.88–92.
8. Грищенко А.В., Терлецкая Я.Т., Шаркова Н.А.,
Жукотский Э.К. Разработка высокобелковых ком;
позиций на соевой основе для лечебно;профилак;
тического питания //Пром. теплотехника. –
2003. – Т.25, №4. – С.115–116.
9. Шаркова Н.О., Жукотський Е.К., Грищенко Г.В.
Особливості технології виробництва соєвих про;
дуктів //Пром. теплотехника. – 2004. – Т.26, №6. –
С. 93–96.
10. Маринченко В.А., Цыганков П.С., Швец В.Н.
и др. Интенсификация спиртового производства. –
К.: Техніка, 1983. – 127 с.
11. Басок Б.И., Ободович А.Н., Давыденко Б.В.,
Экспериментальное исследование массообмена
при обработке углеводосодержащих сред //В кн.
Збірник наукових праць Національного універ;
ситету кораблебудування. –Миколаїв: НУК, –
2007. – №5. –С.88–94.
12. Басок Б.И., Ободович А.Н., Пироженко И.А.,
Коба А.Р. Энергосберегающая безотходная техно;
логия гомогенизации плодоовощного и цитрусо;
вого сырья //Пром. теплотехника. –2003. –Т.25,
№4. –С.90–93.
13. Переяславцева Е.А., Грабова Т.Л., Турчина Т.Я.,
Карповец А.А. Особенности гидродинамической
обработки и распылительной сушки в техноло;
гии получения новых бактериальных препаратов
// Труды II Международной научно;практ. конф.
“Современные энергосберегающие тепловые
технологии (сушка и тепловые процессы)”
СЭТТ–2005.–М.:–МЭИ.–Т.2. –С.287–290.
14. Долинский А.А., Басок Б.И., Шетанков О.К.,
Чайка А.И. Энергосберегающие абсорбционные
технологии в производстве газированных напит;
ков //Пром. теплотехника. – 2001. –Т.23, №4–5. –
С.137–140.
15. Корнюшенко Д.А., Блиничев В.И., Бондаре$
ва Т.И. Адсорбция диоксида углерода водой при
импульсном высокоэнергетическом воздействии
//Изв. ВУЗов, Химия и химическая технология. –
2003. –Т.46, вып.5. – С.14–16.
16. Промтов М.А., Акулин В.В. Механизмы
генерирования тепла в роторном импульс;
ном аппарате //Вестник Тамбовского гос.
техн. университета. – 2006. – Т.12, №2А. –
С.363–369.
17. Промтов М.А. Машины и аппараты с им;
пульсными энергетическими воздействиями на
обрабатываемые вещества. – М.: Машинострое;
ние, 2004. –136 с.
18. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Теоре;
тическое обоснование принципа дискретно;
импульсного ввода энергии. I. Модель дина;
мики одиночного парового пузырька
//Пром. теплотехника. – 1995. – Т.17, №5. –
С.3–28.
19. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Принци;
пы разработки новых энергоресурсосберегаю;
щих технологий и оборудования на основе ме;
тодов дискретно;импульсного ввода энергии
//Пром. теплотехника. – 1997. – Т.19, №4–5. –
С.24.
20. Иваницкий Г.К. Исследование механизма
деформирования и разрушения капель в сдвиго;
вых потоках //Материалы XX науч. конф. стран
СНГ “Дисперсные системы”.–Одесса: Астро;
принт, 2002. – С.114–115.
21. Кардашев Г.А. Физические методы интен;
сификации процессов химической технологии. –
М.: Химия, 1990. – 206 с.
22. Scheibe W. Formation and dispersion of
agglomerates during dry fine;grindings //ZKG
International. – 1991. – N2. – P.57–62.
Получено 14.07.2008 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 4 13
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61149 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:01:04Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долинский, А.А. Иваницкий, Г.К. Ободович, А.Н. 2014-04-26T11:26:20Z 2014-04-26T11:26:20Z 2008 Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред / А.А. Долинский, Г.К. Иваницкий, А.Н. Ободович // Промышленная теплотехника. — 2008. — Т. 30, № 4. — С. 5-13. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61149 541.182: 532.517 Проведен анализ механизмов ДИВЭ, которые реализуются при работе роторнопульсационных аппаратов. Показано, что механизмы взрывного вскипания и кавитации, а также механизм сдвиговых напряжений оказывают существенное влияние на эффективность этих устройств в процессах обработки гетерогенных смесей. Проведено аналіз механізмів ДІВЕ, що реалізуються в роторно-пульсаційних апаратах під час їх роботи. Показано, що механізми вибухового скипання і кавітації, а також механізм зсувних напружень в значній мірі впливають на ефективність цих апаратів в процесі обробки гетерогенних сумішей. We analyze the DPEI mechanisms, which are realized in the course of operation of rotor-pulse devices. It is shown that the explosive- boiling and cavitation mechanisms as wellas the shear stress mechanism affect substantially the efficiency of these devices in the processes of treatment of heterogeneous mixtures. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред Using the DPEI mechanisms in rotor-pulse treatment of heterogeneous media Article published earlier |
| spellingShingle | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред Долинский, А.А. Иваницкий, Г.К. Ободович, А.Н. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред |
| title_alt | Using the DPEI mechanisms in rotor-pulse treatment of heterogeneous media |
| title_full | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред |
| title_fullStr | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред |
| title_full_unstemmed | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред |
| title_short | Использование механизмов ДИВЭ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред |
| title_sort | использование механизмов дивэ при роторно-пульсационной обработке гетерогенных сред |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61149 |
| work_keys_str_mv | AT dolinskiiaa ispolʹzovaniemehanizmovdivéprirotornopulʹsacionnoiobrabotkegeterogennyhsred AT ivanickiigk ispolʹzovaniemehanizmovdivéprirotornopulʹsacionnoiobrabotkegeterogennyhsred AT obodovičan ispolʹzovaniemehanizmovdivéprirotornopulʹsacionnoiobrabotkegeterogennyhsred AT dolinskiiaa usingthedpeimechanismsinrotorpulsetreatmentofheterogeneousmedia AT ivanickiigk usingthedpeimechanismsinrotorpulsetreatmentofheterogeneousmedia AT obodovičan usingthedpeimechanismsinrotorpulsetreatmentofheterogeneousmedia |