ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ВЫСОКОФОРСИРОВАННОГО КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОГО ПЕНОГЕНЕРАТОРА ГАЗО(ПАРО)-МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕНЫ

​АННОТАЦИЯ

Приводится экспериментальные исследования и расчет высокофорсированного капиллярно-пористого пеногенератора газо(паро)-механической пены применительно к области промышленной и станционной теплоэнергетики. Они предназначены для генерации двухфазных потоков в теплоэнергетических установках; могут использоваться в области противопожарной техники для тушения пожара в аппаратах, зданиях и сооружениях; могут быть полезным в различных отраслях народного хозяйства для пылеподавления. Для повышения производительности и улучшения характеристик пены, пеногенератор снабжен капиллярной вставкой и формирующим каналом, первая из которых расположена на наружной поверхности, перфорированной трубы подвода пенообразующего раствора, а второй – установлен снаружи капиллярной вставки с образованием питателя. Пеногенератор дополнительно содержит регулирующие пластины, установленные по обе стороны питателя, причем с обеих сторон пластины переходят в пружинный направляющий козырек, а пакет пенообразующих сеток с увеличивающимися размерами по ходу движения газа выполнен с размерами 0,4*0,55. Такая структура в 1.5 раза форсирует производительность, интенсифицирует процесс генерации пены, уменьшает материалоемкость и габариты и в 2.5 раза массу установки. Гидравлическое сопротивление будет в сотни раз меньше, а газодинамическое – в 2.7 раза по сравнению с прототипом.

Ключевые слова: пеногенератор, пакет сеток, пена, структура.

Предложенный высокофорсированный капиллярно-пористый пеногенератор является новым классом, поскольку генерация газо(паро)-механической пены проводится безфорсуночным способом. Используется капиллярно-пористая структура, которую требуется оптимизировать. Для этих целей целенаправленно производились исследования возможностей управления теплообменом путём интегральных характеристик [1-3], так и с помощью внутренних параметров кипения и пеногенерации [4-8]. Критериальное уравнение теплообмена обобщает экспериментальные данные по кипению чистых жидкостей и пенообразующих растворов [1,2,4]. На основе исследования процессов гидродинамики и теплопередачи в капиллярно-пористых материалах разработаны различные устройства для генерации пены и пылегазоулавливания [3,5-13]. Все эти устройства безфорсуночные, содержат оптимизированные капиллярно-пористые структуры, способные турбулизировать и управлять основными параметрами пенного потока и эффективностью улавливанию пыльных и ядовитых газовых компонентов.

Проведем экспериментальные исследования интенсификации пеногенерации в капиллярно-пористых структурах нового пеногенератора (рис. 1).

Как показали наши экспериментальные исследования в лабораторных условиях, пакет пенообразующих сеток, собранных из сеток с более крупными размерами ячеек на просвет, по сравнению с прототипом (традиционным классом пеногенераторов), позволяет проверить процессы генерации с большей производительностью за счет более высокой устойчивости пленок пенообразующего раствора и большей форсировки процесса(табл.1).

Таблица 1.

Форсировка процесса генерации в гидродинамическом пограничном двухфазном слое пакета сеток.

Рисунок 1. Высокоэффективный безфорсуночный капиллярно-пористый пеногенератор газо (паро) – механической пены

1,2 – входной и выходной патрубки; 3 – пакет пеногенерирующих сеток (оптимизированная капиллярно-пористая структура вида 0,4*0,55); 4 – корпус распылителя; 5 – капиллярная вставка; 6 – перфорированная труба; 7 – формирующий канал; 8 – питатель; 9 – пластины; 10 – пружинный направляющий козырек; 11 – поток газа(пара); 12 – пенный поток; 13 – пенообразующий раствор; 14 – звуковые волны.

В таблице 1 пакет сеток 0,4*0,55 означает, что он собран из двух слоев металлических сеток, установленных последовательно по ходу набегающего газового, потока, с размерами ячеек 0,4*10­^-3 м; 0,55*10^-3м.

Преимущество сеток с более крупными ячейками в том, что в мелких сетках, как в прототипе (0,08*10^-3 м) а.с СССР 1498511,1989, ухудшается процесс пенообразования, поскольку пузыри закупоривают их ячейки и наступает гидродинамический кризис, при котором прекращается приток свежих порций пенообразующей жидкости. Эту картину авторы изобретения наблюдали с помощью оптических методов исследования [1,2,4]. (голографической интерференции и скоростной киносъемки). Пакет сеток 0,4*0,55 м создает весьма устойчивый двухфазный, многокомпонентный пульсирующий тепловой гидродинамический пограничный слой, являющимися основой для генерации пены высокого качества.

Крупные ячейки, как в прототипе (1*10^-3м), приводят к резкому уменьшению величины капиллярного потенциала, пленка жидкости становится неустойчивой и кризис пеногенерации наступает даже раньше, чем для сеток с мелкими ячейками 0,08*10^-3 м.

Таким образом за счет форсировки процесса пеногенерации в пакете сеток 0,4*0,55 имеем в 1,5 раза (см. таблицу 1) увеличение производительности, происходит интенсификация процесса, а пакет сеток является турбулиратором, что позволяет примерно в 1,5 раза уменьшить материалоемкость и габариты и в 2,5 раза массу установки.

В действительности, интенсификация процессов генерации будет значительно выше за счет того, что пружинистый направляющий козырек, воздействуя на регулирующие пластины, установленные по обе стороны питателя, будет способствовать более активному и устойчивому снабжению пеногенерирющего пакета сеток раствором жидкости. Происходит суммирующее действие гравитационного, капиллярного, инерционного и вибрационного потенциалов. За счет только вибрационных движений поверхности, выполненной в виде вертикальных цилиндров интенсификации процессов может увеличится минимум в два раза, а в некоторых случаях – до десяти раз, [14, c. 321, 323, 326].

Особо отметим, что интенсификация процессов гидродинамики достигает до 10 раз для колебаний как с низкой частотой (высокой амплитудой), так и с высокой частотой (низкой амплитудой) [6].

  Определим гидравлическое сопротивление пакета сеток

Гидравлическое сопротивлениею,

,

где  – динамическое вязкость жидкости,

  Па∙с ;

 – расход жидкости; примем на 1 м3 пакета сеток величину           кг/с.

Живое сечение пакета сеток

где  – пористость сеток,

 – толщина пакета. Для сеток из нержавеющей стали 12Х18Н9Т (4МТУ-4-7-66) толщина пакета 0,4×0,55 равна:

,

где условный коэффициент проницаемости;

  – гидравлический диаметр,

– средний диаметр проволоки сеток

Тогда    

Гидравлическое сопротивление

где  – плотность жидкости,  = 958 кг/м3.

При максимальной производительности (форсировке) (см. табл. 1)

что в сотни раз меньше гидравлического сопротивления форсуночных пеногенераторов, в которых пенообразующий раствор подводится к форсункам под давлением в несколько бар (2÷5 или (2÷5) *10⁵ Па), и примерно такое же, как в прототипе, поскольку отношение (bz/d) мало изменится.

Определим гидравлическое сопротивление пакета сеток.

Гидравлическое сопротивление пакета 0,4*0,55 равно:

где q – плотность газа, q = 1,2 кг/м³;

Wвх – скорость газа на входе в пакет, Wвх = 3 м/с;

 – суммарный коэффициент гидродинамического сопротивления. Определяем по диаграмме 8-6 [15].

Критерий Рейнольдса  

где W0 – скорость газа в ячеечных сетках, W0 = Wв/E;

E – пористость сеток, Е = 0,7; – коэффициент кинематической вязкости газа, м²/с;

d – средний диаметр проволок сеток, d = 0.225*10^-3 м.

Поскольку критерий Re > 50 то

Суммарный коэффициент сопротивления

Окончательно получим

В сравнении с прототипом:  где δ = 0,1*10^-3 м.

По диаграмме 8-6 [15] ξ = 7 и ,  что в 37.8/14,04=2.7 раза больше, чем в предлагаемом исследовании, что позволит экономить энергию на привод вентилятора.

Список литературы:

1. Поляев В.М., Генбач А.А. Управление теплообменом в пористых структурах// Известия Российской академий наук. Энергетика и транспорт. – 1992.Т.38, №6. – С. 105-110.
2. Поляев В.М., Генбач А.А. Теплообмен в пористой системе, работающей при совместном действии капиллярных и гравитационных сил // Теплоэнергетика. -  1993. №7. – С.55-58.
3. Генбач А.А., Кульбакина Н.В. Пылеподавление и пылеулавливание с помощью циркуляционного пеногенератора с пористой структурой // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. – 2010. - №4. – С.62-65.
4. Поляев В.М., Генбач А.А. Управление внутренними характеристиками кипения в пористой системе// Криогенная техника и конденсирование. МГТУ. 1991. – С. 224-237.
5. Поляев В.М., Генбач А.А. Применение пористой системы в энергетических установках// Промышленная энергетика. – 1992. №1. – С. 40-43.
6. Генбач А.А., Пионтковский М.С. Пористый пылегазоуловитель с управляемой геометрией микроканалов // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. – 2010. №4. – С. 59-61.
7. Поляев В.М., Генбач А.А., Минашкин Д.В. Процессы в пористом эллиптическом теплообменнике // Известия вузов. Машиностроение. – 1991. - №4-6. – С. 73-77.
8. Генбач А.А., Генбач Н.А. Исследование пеногенератора с обогреваемой поверхностью // Вестник АИЭС. – Алматы. – 2009. – №4. С. 24-27.
9. Генбач А.А., Генбач Н.А. Исследование капиллярно-пористых систем в тепловых энергетических установках электростанций // Вестник АУЭС. – Алматы. – 2011.- №2 (13). – С. 57-62.
10. Генбач А.А., Генбач Н.А. Применение капиллярно-пористых систем в тепловых энергетических установках электростанций // Вестник АУЭС. – Алматы. – 2011. - №3(14). – С. 4-11.
11. Polyaev V., Genbach A.N., Genbach A.A. Methods of Monitoring Energy Processes // Experimental thermal and fluid science, International of Thermodynamics, Experimental of the Americas. – New York, 1995.V.10. April. – P.273-286.
12. Генбач А.А., Шоколаков К. Пористый пенный пылеуловитель // Поиск. – МОН РК. – Алматы. - №2. – 2011. – С. 266-271.
13. Поляев В.М., Генбач А.А. Плотность центров пенообразования и выброс капель из пористой структуры // Известия вузов. Машиностроение. – 1990. №9. С. 50-55.
14. Справочник по теплообменникам: в 2 Т. Т.1 // Пер. с англ. поз. ред.  Б.С. Петухова и В.К. Шикова. – М. Энергоатомиздат, 1987.
15. Идельчик И.Е. Справочник по гидровлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1975.- 559с.