Константин Ефанов

Аппараты с перемешивающими устройствами

Введение

Монография охватывает почти полностью все проблемы, возникающие при проектировании химических и нефтяных аппаратов с мешалками, применен междисциплинарный подход к проблемам.

Материал монографии направлен на обмен опытом и облегчение работы инженерам-конструкторам аппаратов с механическими перемешивающими устройствами.

В монографии рассмотрены:

– теория расчета валов на основе теории колебаний, приведены примеры расчетов и построения эпюр

– теория расчета валов методом конечных элементов

– теория подбора мешалок, предложен новый подход к подбору мешалки с объединением подходов их химической технологии и проектирования лопастных устройств,

– приведен пример технологического расчета аппарата с мешалкой по критериальным зависимостям и модели идеальных реакторов с определением его геометрических размеров и расходов теплоносителей.

– приведена информация о большем физическом обосновании расчетов процессов перемешивания методами вычислительной гидродинамики по сравнению с расчетами по критериальным уравнениям и по моделям реакторов идеального смешения,

– приведена теория моделей идеальных реакторов, ячеечной модели, оценки степени отклонения от идеального перемешивания,

– приведена теория расчета методами вычислительной гидродинамики.

Результатом ознакомления с представленной в работе теорией и умелом ее применении в практике конструирования перемешивающих устройств, будет являться разработка наилучших и оптимальных конструкций химических и нефтяных аппаратов с перемешивающими устройствами. И как следствие, создание в КБ серьезного центра компетенций по проблемам этого оборудования, повышения престижа компании-производителя среди прочих.

__

Посвящается Господу Богу Иисусу Христу!

Благодарность моей маме Татьяне Викторовне, работавшей инженером в нефтяном машиностроении.

Расчет и проектирование валов

Основные требования к аппаратам с мешалками установлены ГОСТ 20680-2002. Аппараты, изготавливаемые по каталогам изготовителей считаются стандартными, аппараты, изготавливаемые по индивидуальному техническому проекту считаются нестандартными. Нестандартные аппараты могут иметь отступления в конструктивных параметрах от ГОСТ 20680.

Мешалки устанавливаются на консольных валах и пролетных валах, имеющих опору в днище аппарата.

Верхняя опора вала состоит из двух разнесенных подшипников, что создает дополнительный пролет. В расчете этот дополнительный пролет учитывается/не учитывается на усмотрение расчетчика.

Самая простая схема верхней опоры вала в состоит в креплении вала в плоском мотор-редукторе и использовании подшипников редуктора в качестве верхней опоры вала [1]:

В этом случае вал уплотняется манжетным кольцом в крышке аппарата, торцовые уплотнения не используются. К недостатку можно отнести отсутствие возможности измерения температуры подшипников и затруднение их обслуживания, ограничения по массе подвешиваемого вала.

Сложные конструкции верхних опор валов реализуются с использованием опорных стоек, например по данным ОСТ 26-01-1225-75…ОСТ 26-01-1228-75 «Приводы вертикальные для аппаратов с перемешивающими устройствами. Типы, конструкции и основные размеры»:

Реализация верхней опоры вала с использованием опорной стойки является наиболее технически обоснованным решением. Такое решение аналогично опорным стойкам для полупогружных насосов типа ХП. Стойки мешалок имеют более сложную конструкцию.

В опорной стойке устанавливается торцовое уплотнение с подведенной системой охлаждения (аналогично нефтяным насосам), две подшипника, один из которых выполняет функцию осевого удержания, второй функцию удержания от поворота в плоскости чертежа, соединительную муфту.

Их соединительных муфт предпочтительнее в применении стягивающая валы продольно-разъемная муфта:

Сравнивая конструкции верхней стойки со стойками полупогружных насосов [29], можно отметить, что для аппаратов с мешалками они более сложные.

Нижние опоры однопролетных валов конструктивно оформляют по типу опор по ОСТ 26-01-55-77:

Мощность электродвигателя подбирается на основании расчета по РД 26-01-90-85 «Механические перемешивающие устройства. Метод расчета». Однако, методики, заложенные в этом документе являются устаревшими и мощность следует выбирать по результатам расчета процесса перемешивания методом конечных элементов.

Валы конструктивно выполняются сплошного сечения, ступенчатыми, полыми (из трубы). В необходимых случаях на поверхность вала наносится защита.

Расчет валов на резонанс, прочность и жесткость выполняется по РД РТМ 26-01-72–82. Валы вертикальных аппаратов с перемешивающими устройствами, методы расчёта.

Методика РД РТМ 26-07-72-82 вызывает вопросы в части ее корректности.

Расчеты валов на резонанс в сравнении с методикой РД РТМ 26-07-72-82 более обоснованно выполнять напрямую с использованием теории колебаний или методом конечных элементов.

Расчет по теории колебаний может быть автоматизирован применением математических пакетов программирования таких как MathCAD.

Расчет методом конечных элементов является теоретически самым обоснованным методом расчета валов и выполняется в специальном программном пакете. Используемый программный пакет может выступать в роли стандарта по-умолчанию на расчет валов на резонанс.

Расчет валов на резонанс по теории колебаний

Колебания при вращении вала происходят в результате отсутствия равновесия между внутренними силами упругости металла и внешними динамическими нагрузками. При гармоническом колебании отклонение оси вала от прямой происходит по синусоиде, т.е.:

Под степенью свободы понимается определение положения вала относительно системы координат с помощью одной координаты. Этой одной координате соответствует одна мешалка на валу.

Если колебания вала возникают из-за колебаний упругих внутренних сил, колебания являются свободными или собственными. Если под действием внешней силы по закону с заданной периодичностью, то колебания являются вынужденными.

Положительным расчетом вала на колебания является результат, по которому частота собственных колебаний не совпадает и не имеет близкого значения с критической частотой, т.е. с частотой вынуждающей силы.

При расчета по теории колебаний рассчитываются собственные и критические частоты. В случае их совпадения изменяется жесткость вала или устанавливается другая частота вынужденных колебаний.

Изменение жесткости вала связано с изменением статической деформации, которая связана со свободной частотой по формуле:

На резонансной частоте амплитуда вынужденных колебаний неограниченно возрастает при отсутствии внешних сопротивлений:

При наличии ограничителей колебаний, при резонансе амплитуды не превышают какого-либо максимального значения. Для валов мешалок в условиях отсутствия элементов, ограничивающих колебания, важно обеспечить расчетом отсутствие совпадения частот свободных колебаний и резонанса. При разгоне вала до рабочих оборотов, происходит быстрый переход через резонансную частоту, не оказывающий влияния на вал.

Для значений частот, близких к резонансной возникают биения вала. Для случая вала мешалки при отсутствии сопротивлений биению, колебания имеют вид:

Затухающие биения при отходе от частот, близких к резонансным имеет вид:

Для получения формулы вынужденных колебаний с учетом сопротивлений к внешним силам добавляют периодическую возмущающую силу (к внешним силам прибавляется сила препятствующая движению).

Упругие колебания системы с одной степенью свободы в общем случае (вторые два члена формулы относятся к вынужденным колебаниям):

Уравнения для всех трех приведенных случаев колебаний можно получить из него как частные случаи:

– собственные колебания без учета сопротивлений (f = 0, q = 0)

– собственные затухающие колебания (вынуждающая сила W = 0, )

– вынужденные колебания без учета сопротивлений (, , в формуле получается, что первый член является вынужденными колебаниями, остальные два члена свободными колебаниями)

Формула вынужденных колебаний получается из вторых двух членов уравнения упругих колебания после отбрасывания свободных колебаний и замены в формуле

Т.е. вынужденные колебания являются гармоническими (так же как и собственные)

Амплитуда вынужденных колебания находится возведением в квадрат указанных двух членов формулы и последующим сложением:

Как видно из формулы амплитуда вынужденных колебаний пропорциональна возмущающей силе, зависит от сравнительной частоты свободных р и вынужденных m колебаний, определяющих затухание свободных колебаний f.

При m<p амплитуда С приближается к статической деформации вала.

При m=p амплитуда С достигает больших величин, наступает явление резонанса вала.

В отсутствии сопротивлений произойдет разрушение вала через определенный промежуток времени.

При m>p амплитуда С стремиться к нулевому значению, колебания отсутствуют.

Приведем график амплитуд колебаний:

Как видно из рисунка, при резонансной частоте происходит разрыв кривой прогиба вала и разрушение вала.

При расчете вала необходимо не допускать наличия расчетных частот в пределах биения, то есть в пределах близких к резонансной частоте для недопущения разрушения вала. Запас может превышать критическую частоту на 20%. Такой запас, например, установлен для валов центробежных нефтяных насосов в ГОСТ 32601.

При сложении свободных и вынужденных колебаний получается результирующее колебание как результат наложения колебаний, колебание получается в форме биений:

Для описания положения мешалки используется обобщенная координата, то есть независимая величина, которая определяет изменение формы оси вала (положение системы).

Обобщенной силой является сила, которая полностью определяет действующую систему сил.

Обобщенная координата и сила связаны формулировкой: в результате произведения приращения обобщенной координаты на обобщенную силу получается работа.

Движение вала с мешалкой описывается уравнениями в обобщенных координатах. Между обобщенными координатами и декартовыми координатами всегда существует зависимость в виде функции декартовых координат от обобщенных координат.

Из общего уравнения движения системы, полученного в декартовых координатах, получают уравнение движения в обобщенных координатах. В результате получается запись:

Для кинетическая энергия системы

находится производная по обобщенным координате и скорости и после преобразований:

Уравнение движения запишется в виде

Силы, действующие на вал, зависят только от положения и не зависят от времени, скорости. В этом случае, согласно теоремы Кастильяно, обобщенная сила равна производной потенциальной энергии (при этом совершаемая работа переводит потенциальную энергию в кинетическую):

По теореме Кастильяно [5,с.319] прогиб точки приложения сосредоточенной силы (P) равен частной производной потенциальной энергии деформации по этой силе, а производная потенциальной энергии деформации по обобщенной силе равна обобщенному перемещению:

В результате получается уравнение движения Лагранжа:

__

Равновесное положение системы вала принимается за начало обобщенных координат, т.е.

Кинетическая и потенциальная энергии системы:

-

коэффициенты инерции,

– коэффициенты жесткости.

Существует форма записи обобщенного закона Гука [5,с.314], связывающая все силы и перемещения:

В условиях равновесия:

С учетом этого, уравнение Лагранжа можно записать в виде системы линейных однородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами:

Частными решениями уравнений системы будут уравнения:

В частных решениях (j = 0, 1,2,3…s):

Частным решениям соответсвуют резонансные частоты колебаний.

Для неизвестных получают систему линейных однородных уравнений подстановкой полученного частного решения в приведенную систему уравнений (основные уравнения система малых колебаний с s степенями свободы):

Полученная система уравнений имеет решение, отличное от нуля в случае равенства нулю определителя этой системы.

На этом основании записывается вековое уравнение (уравнение частот). Вековое уравнение является уравнением s-степени относительно :

Искомые частота колебаний р и амплитуды μ, возникающие при этой частоте (k = 1,2,3…n), находятся из:

– основных уравнений системымалых колебаний с s степенями свободы,

– векового уравнения.

Вековое уравнение является уравнением s степени относительно k^2. И из этого уравнения находятся все частоты свободных колебаний k системы.

Так как определитель Δk_2 = 0, одно из уравнений системы при μ = 1 является следствием других уравнений системы. Последовательно подставляя в уравнения системы все полученные значения k^2 получается система уравнений:

Находятся значения коэффициентов μ:

– определитель матрицы, получаемый вычеркиванием из определителя

первых столбца и строки.

– минор элемента первой строки и

j

–го столбца со знаком (-1) основного

определителя

– коэффициенты распределения равные 1.

В результате частные решения первой системы уравнений:

– первое главное колебание с частотой

k

1

и начальной фазой β

1

.

– второе главное колебание с частотой

k

2

>

k

1

и начальной фазой β

2

.

– третье главное колебание с частотой

k

3

>

k

2

и начальной фазой β

3

.

…..

Коэффициенты определяют форму главных колебаний:

– форму первого главного колебания,

– форму второго главного колебания,

– форму третьего главного колебания,

и тд.

Общее решение первой системы уравнений можно получить суммированием частных решений:

2s неизвестные постоянных определяются по 2s и по начальным обобщенным скоростям и координатам:

На основании приведенного выше, алгоритм полного исследования свободных колебаний системы с s степенями свободы состоит из следующих действий:

а) нахождение частот свободных колебаний k_1, k_2 … ks из векового уравнения,

б) нахождение коэффициентов распределения

в) нахождения амплитуд и начальных фаз

Применение программы MathCAD

Яблонский отмечает [3,с.143] если число степеней свободы превышает 4, то доя полного решения задачи потребуется громадная вычислительная работы.

Однако, в настоящее время возможно применение математических пакетов таких как MathCAD.

Программа MathCAD позволяет для матриц выполнять нахождение определителя, решать матричные уравнения. Применение этой программы исключает выполнение громоздких ручных расчетов и позволяет по приведенному выше алгоритму получать точное решение без каких-либо приближенных методов.

MathCAD позволяет выполнять с матрицами символьные вычисления.

Для решения матричного уравнения типа:

необходимо записать матрицу

вставить определитель

, вызвать команду «→».

В результате получается запись многочлена из определителя. Многочлен копируется в отдельное место. Выделяют переменную «Х» в многочлене и в панели инструментов выбирают полиноминальный коэффициент. В результате этого получится матрица с коэффициентами из полученного многочлена:

Затем вызывается или записывается вручную команда polyroots, в которую добавляется полученная матрица в виде:

М_1 и М_2 –являются корнями матричного уравнения.

Для подробного ознакомления с вычислением матриц в MathCAD следует обратиться к учебному пособию по программе.

__

Рассмотрим пример построения эпюры свободных колебаний

Находим значение кинетической и потенциальной энергии:

Находим коэффициенты инерции и жесткости системы:

Для системы с 2 степенями свободы, уравнения частот записываются в виде:

После выполнения операции исключения μ из системы двух уравнений, получается одно уравнение частот:

Корни уравнения частот

и

определяют частоты свободных колебаний

k

1

и

k

2

(частоты главных колебаний системы).

Частота k_1 (k_1 < k_2) является основной частотой колебаний.

Значения коэффициентов инерции и жесткости подставляются в полученное уравнение частот:

После преобразований:

В условии примера

Корни:

Значения частот k_1 и k_2 по результатам сопроматского расчета (см. работу Беляева [5]):

С учетом этого значения корней:

Коэффициенты распределения:

Эпюра главных колебаний:

__

Форма эпюр подчиняется теореме об узлах собственных форм колебаний [4,с.120]. По этой теореме амплитуды для разных частот колебаний не имеют одинакового знака. То есть, если амплитуда первой формы положительная, то амплитуда остальных форм должна иметь минимально одну перемену знака. Число перемен знака или число узлов собственной формы колебаний m-го порядка равно m-1.

Бабаков [4,с.124] для балки с 3 точечными нагрузками приводит три возможные формы колебаний:

__

Решение приближенным методом Релея

По методу Релея допускается:

– масса системы не изменяет типа колебаний

– перемещение системы при колебании имеют ту же форму, что и при статической деформации (сходство формы не означает равенство величин деформации).

Ошибка по методу Релея не превышает 1,5% [2,с.60].

Метод Релея состоит в том, что в конкретный момент времени находится перемещение точек вала по формулам статической деформации. Для других моментов времени перемещения могут отличаться от выбранного момента времени. Так как действующая на вал сила Р, состоящая из веса груза и сил инерции зависит от времени.

__

Рассмотрим по методу Релея колебания консольной балки (вала) с защемленным концом [2,с.73].

р – круговая частота собственных колебаний в этом примере и ниже.

Обобщенное перемещение:

Кинетическая энергия груза:

в этом уравнении квадрат скорости

Кинетическая энергия элемента балки dc:

Уравнение упругой линии:

Минуя выкладки, полная кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

Уравнение Лагранжа:

В этом уравнении круговая р_0 частота:

Статический прогиб на консоли балки:

И

Решение уравнения :

– период колебания

– частота

– круговая частота

__

Рассмотрим по методу Релея колебания двухопорной однопролетной балки (вала), нагруженной сосредоточенной силой посередине [2,с.65].

Обобщенное перемещение:

Кинетическая энергия груза:

Уравнение упругой линии:

Интегрируя последовательно:

Прогиб:

Прогиб посередине пролета:

Следовательно,

Как видно, прогибы x и xc являются динамическими прогибами, а не статическими, и имеют переменное значение, зависящее от времени.

Так, формула прогиба имеет переменное от времени значение так как сила Р, состоящая из веса груза и сил инерции зависит от времени.

Кинетическая энергия стержня:

Полная кинетическая энергия системы:

Потенциальная энергия системы:

Уравнение Лагранжа:

Эта формула аналогична формуле движения груза, подвешенного на пружине, имеющий общий интеграл .

Используя этот интеграл находим:

– период:

– частоту

– круговая частота

Если собственную массу балки не учитывать:

Т.е. к массе мешалки необходимо прибавить от веса вала.

__

Рассмотрим по методу Релея колебания двухопорной однопролетной балки (вала), нагруженной сосредоточенной силой в произвольном положении [2,с.70].

Обобщенное перемещение:

Кинетическая энергия груза:

Кинетическая энергия элемента балки dc:

Уравнение изогнутой оси балки (вала):

В точке приложения груза:

При формула имеет вид, как для предыдущего примера:

Потенциальная энергия системы:

Уравнение Лагранжа:

Для статического удлинения k необходим груз:

Находим:

– период

– частоту

– круговая частота

__

Рассмотрим по методу Релея колебания двухопорного однопролетного вала, нагруженной двумя произвольно приложенными сосредоточенными силами [2,с.76].

Ограничения метода Релея приводят систему к системе с 1 степенью свободы. При точном рассмотрении системы, она имеет множество степеней свободы.

Перемещение каждого груза:

Наибольшие перемещения грузов являются амплитудой для, для

Скорости грузов:

Максимальная скорость при

Максимальная скорость соответсвует переходу точки через статическое равновесие, т.к. фаза pt равна 0° или 180° при положении точки с на оси балки.

Скорость колебаний переменная, так как колебание происходит по закону синусоиды, например,. При изменении положения и скорости точки, меняется энергия колебания. При колебании происходит непрерывный взаимный переход кинетической энергии в потенциальную.

Сумма энергий постоянна и является полной энергией системы при рассмотрении идеального случая без потерь:

Для какого-либо конкретного положения системы:

При нахождении точки на оси абсцисс (оси вала), потенциальная энергия равна нулю, кинетическая максимальная:

Т.е. вся полная энергия системы является максимальной кинетической энергией.

Для фазы pt равной 90° или 270° кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная энергия максимальная:

Т.е. вся полная энергия системы является потенциальной энергией.

Можно записать:

Для случая рассматриваемого груза:

Из этой формулы находится круговая частота:

Период колебаний:

___

Для трех грузов на валу, круговая частота запишется по формуле:

__

Для n грузов круговая частота запишется по формуле:

Как можно видеть, определение круговой частоты сводится к нахождению статических прогибов. Прогибы могут быть также найдены графоаналитически.

Для одного груза круговая частота запишется по формуле:

__

Рассмотрим по методу Релея колебания двухопорного однопролетного вала, нагруженной распределенной нагрузкой [2,с.81].

Мешалки являются сосредоточенной нагрузкой на валу и пример приводится для сведения.

Балка с распределенной нагрузкой условно разбивается на ряд участков с заменой распределенной нагрузки, приходящейся на каждый участок, сосредоточенной силой, приложенной по центру тяжести участка.

Колебания системы с распределенной нагрузкой находятся по приведенной выше формуле:

Точность решения зависит от числа n участков.

Прогибы находят по уравнению упругой линии с равномерно распределенной нагрузкой:

Для 8 участков (8 прогибов):

С учетом этого, уравнение упругой линии:

С учетом того, что

__

Рассмотрим по методу Релея колебания балки на нескольких опорах [2,с.87].

Схема трехопорного неразрезного вала подходит для однопролетного вала, имеющего дополнительный короткий пролет в верхней стойке привода электродвигателя.

В целом многопорный вал больше соответствует конструкциям полупогружных насосов, погружных электродвигателей, но пример трехопорного вала нужно использовать в проектировании химических и нефтяных аппаратов с перемешивающими устройствами.

Форма прогиба такая же как у статического прогиба под действием сил, применяя принцип Даламбера (приводя динамическое нагружение к статическому приложению сил).

Силы инерции вызывают дополнительный прогиб х_1 и х_2. Их уравновешивают дополнительные силы упругости, возникшие из-за этого прогиба.

k_1 – прогиб в сечении I от силы равной 1 и приложенной в сечении I,

k_2 – прогиб в сечении I от силы равной 1 и приложенной в сечении II,

k_3– прогиб в сечении II от силы равной 1 и приложенной в сечении I,

k_4 – прогиб в сечении II от силы равной 1 и приложенной в сечении II,

Сила инерции в сечении I:

Сила инерции в сечении II:

Сила равная 1 приложенная в сечении I вызывает прогиб k_1, а сила инерции в этом же сечении вызывает прогиб:

Прогиб в этом же сечении от силы инерции, приложенной в сечении II:

Полный прогиб в сечении I:

Полный прогиб в сечении II:

Полученные уравнения для х_1 и х_2 являются дифференциальными уравнениями движения для рассматриваемого случая трехопорного вала.

Коэффициенты в уравнениях находятся по принципу сложения сил, по которому прогиб в любой точке вала под действием сосредоточенных сил получается в виде суммы прогибов от каждой из силы по отдельности (для прогиба в сечении I находятся и суммируются прогибы от сил Q_1, Q_2, RC).

Уравнение упругой линии для левой части вала (с – расстояние между правой опорой и точкой приложением силы):

Прогиб в месте приложения груза:

Находится неизвестная реакция опоры RC для статически неопределимого трехопорного вала (балки). Для нахождения реакции RC принципом сложения сил отбрасывается средняя опора вала и заменяется направленной снизу вверх реакцией RC. Так получается статически определимая система, нагруженная 3 силами: известными Q_1 и Q_2 и неизвестной реакцией RC. Сумма прогибов от каждой силы в точке с равна нулю так как в этой точке находится опора. И из условия равенства нулю прогибов находится реакция RC.

Прогиб от силы Q_1 в точке с:

Прогиб от силы Q_2 в точке с:

Прогиб от силы RC в точке с:

Вместо прогибов в формулу подставляются их значения:

Из этоф формулы находится Rc

Находится прогиб в сечении I по известной RC. Прогиб равен сумме прогибов от сил Q_1, Q_2, RC

Прогиб в сечении I от силы Q_1 (c = l – a_1)

Прогиб в сечении I от силы RC (c = l_2 и y = a_1)

Подставляя значение RC

Прогиб в сечении I от силы Q_2 (c = a_2 и y = l – a_2)

Суммарный прогиб в сечении

Формула прогиба в сечении I зависит от силы Q_1 и силы Q_2. Группируются члены, содержащие силу Q_1 c получением формулы прогиба в сечении от силы равной Q_1, приложенной в сечении I:

Если в эту формулу вести Q_1 = 1, то формула покажет прогиб в сечении I от единичной силы, приложенной в сечении I:

Если в полученном уравнении Q_2 = 1

если в эту формулу вести Q_2 = 1,

Прогиб в сечении II от силы Q_1

Прогиб в сечении II от силы RC

Прогиб в сечении II от силы Q_2

Полный прогиб в сечении II

Группируя члены для сил Q_1 и Q_2 и принимая эти силы равными 1:

Теперь решаются уравнения прогибов х_1 и х_2. Коэффициент k_3 заменяется на равный k_2.

Вал совершает гармонические колебания:

Производные этих последних уравнений по времени:

Теперь в полученные ранее формулы для х_1 и х_2 подставляются вторые производные:

После преобразований:

Для определения частоты р необходимо приравнять нулю определитель:

После группировки членов, содержащих р_2 и р_4:

Полученная формула решается для нахождения р^2:

В результате решения получаются два значения частот, соответствующих двум возможным формам колебания вала. При первой форме два груза движутся вверх, при второй форме один груз движется вверх, а другой груз движется вниз.

Критические скорости вала:

Аналогично двухпроленому валу находят частоты колебаний для многопролетных неразрезных валов.

__

Критические скорости валов относительно поперечных колебаний

Рассмотрим однопролетный вал с силой, приложенной посередине [2,с.97].

Вал жесткий:

Массой вала пренебрегаем, центр тяжести нагрузки и ось вала не совпадают за счет неточности изготовления и прогиба системы от собственного веса.

При вращении возникает центробежная сила:

Внутренняя сила упругости:

Уравнение прогиба по условию равновесия:

После решения относительно х:

Вводится обозначение:

(р – круговая частота собственных колебаний)

Получается:

Из формулы видно, что при совпадении собственной частоты поперечных колебаний со скоростью вала прогиб стремиться к бесконечности и наступает явление резонанса.

Скорость вала, равная частоте собственных поперечных колебаний, является критической скоростью.

Критическое число оборотов вала:

Нахождение критического числа оборотов вала состоит в задаче нахождения частоты собственных поперечных колебаний.

При скоростях свыше критической, центр тяжести вала устанавливается между точкой эксцентриситета на предыдущем рисунке и недеформированной осью вала.

Гибкий вал:

В этом случае формула изменится на формулу:

т.е. между х и e поменяется знак с «+» на «-».

Из этой формулы:

Из формулы видно, что с ростом скорости за пределом критической частоты прогиб вала стремится выпрямится. В пределе при x = e вал имеет прямую ось.

Лунц указывает [2,с.99] о доказательстве этого положения в работе Фепля и в работе Зоммерфельда.

__

Из формулы видно, что прогиб уменьшается с уменьшением или .

При конструировании вала необходимо уменьшать критическую частоту вала или равную ей частоту собственных поперечных колебаний вала.

Из формулы собственной круговой частоты

видно, что для уменьшения частоты р (равной критической) следует увеличить статическую деформацию вала. То есть сделать вал гибким, число оборотов которого выше резонансной частоты.

Здесь под гибким валом не понимается вал со свободно перемещающимся сечением и осью с двоякой кривизной [2,с.100].

Для изменения жесткости вала изменяют его длину, размеры сечения (инерциальные характеристики).

__

Приведем несколько отличающееся описание выкладок расчета критических оборотов вала в работе Тимошенко [31].

Тимошенко указывает [31,с.256] о возникновении критических колебаний вследствие эксцентриситета масс, возникших при изготовлении вала (биение поверхности).

Из приведенной выше теории ясно, что колебания возникают и для идеальной оси, то есть эксцентриситет сам по себе не вызывает поперечных колебаний, но, конечно может влиять на их величину.

По Тимошенко изгиб продолжается до тех пор, пока упругие силы не уравновесят центробежную силу.

Центробежная сила:

Упругая сила:

Приравнивая:

На невысокой угловой скорости с эксцентриситетом близким к нулю, прогиб незначителен. С увеличением ω прогиб увеличивается и при становится.

В этом случае угловая скорость является критической скоростью:

При превышении критической скорости формула равновесия:

(изменился знак между y и e с «+» на «+»).

Формула показывает, что с увеличением частоты, прогиб уменьшается.

После этого Тимошенко [31,с.258] принимает для анализа вала модель, в которой сам вал вращается вокруг своей оси (изогнутой оси) с частотой ω, и плоскость вала вращается вокруг прямой оси с такой же частотой ω.

В этом случае на вал будет действовать сила

Работа центробежной силы:

Из этой формулы получается такая же формула для критической частоты.

Оценивается влияние массы вала на значение критической частоты. Используется метод Релея. Задается вид кривой изгиба вала. Этим система вала преобразуется в систему с одной степенью свободы. Для вала с одной мешалкой (η – прогиб):

Для нескольких мешалок на валу:

Второй член левой части формулы относится к работе центробежной силы.

Некорректность этих формул в том, что они не учитывают наклон плоскостей мешалок к оси вала.

Наклон мешалок за счет появления моментов сил инерции противодействует изгибу вала, т.е. повышает жесткость и увеличивает значение критической частоты.

Тимошенко [31,с.260] рассматривает вал с 4 дисками:

Горизонтальные силы уравновешиваются, вертикальные силы приводятся к паре сил и силе в плоскости xy. Пара сил:

Все пары приводятся к паре (θ – момент инерции мешалки относительно оси z).

Пара производит работу против искривления оси вала

Формула для определения критической частоты:

Тимошенко называет приведенную формулу общим решением о разыскании критической угловой скорости [31,с.260].

__

По изложенной выше теории поперечных колебаний можно определять собственные частоты колебаний валов для различных конструктивных компоновок перемешивающих устройств, а затем по приведенным выше формулам рассчитывать критические обороты вала.

Совместное действие поперечных и крутильных колебаний на вал

Тимошенко С.П. в работе [30,с.427] подробно рассмотрел проблему совместного действия изгибных и крутильных колебаний на балку. Для рассматриваемого им случая изгибные колебания проходили не в плоскости симметрии стержня, в результате чего возникают крутильные колебания. В нашем случае крутильные колебания возникают при вращении вала с мешалками. Однако, выводы полученные Тимошенко могут быть применены для анализа совместного действия поперечных и крутильных колебаний вала с мешалками.

Для вертикальной нагрузки кривая прогиба:

(w – интенсивность распределения поперечной нагрузки, за положительное направление принимается верх)

Нагрузку, распределенную вдоль центральной оси заменяют нагрузкой, проходящей через центр сдвига, и распределенный крутящий момент интенсивностью wc.

Крутящий момент:

R – крутильная жесткость, R_1 – жесткость стесненного кручения.

Дифференцируя получается:

Уравнение показывает связь между изгибом и кручением при приложении статической нагрузки вдоль оси.

Интенсивность поперечных сил инерции

Интенсивность моментов инерции

Iп – центральный полярный момент инерции сечения вала.

Формулы для совместных изгибных и крутильных колебаний:

Вал колеблется в одной из собственных форм колебаний.

р – круговая частота колебаний,

Х, Х_1 – нормальные функции, решения которых отыскиваются для удовлетворения граничным условиям.

После подстановки:

Тимошенко приводит пример стержня со свободно опертыми концами:

Функции Х и Х_1 в этом случае:

Ci и Di – произвольные постоянные.

Вводятся обозначения:

После подстановки получается:

Решения для Ci и Di находятся в случае, если определитель уравнений равен нулю.

В этом случае частотное уравнение:

Из этой формулы:

Для случая совпадения центра тяжести с центром сдвига, то есть с = 0 и λ =0:

Из формулы получаются две системы значений частот:

Полученные частоты являются несвязанных друг с другом и независимых друг от друга частот изгибных (поперечных) и крутильных колебаний. Аналогичные результаты получаются для стержней с другими условиями закрепления концов.

Связанные изгибно-крутильные колебания можно найти методом Релея-Ритца [30,с.430].

__

Итак, по представленным данным Тимошенко возможен раздельный расчет на поперечные и крутильные колебания, либо расчет на изгибно-крутильные колебания методом Релея-Ритца.

Результат этого вывода может быть использован конструкторами для упрощения проблем проектирования валов с мешалками. То есть выполнять расчет поперечных колебаний и расчет крутильных колебаний по отдельности. Для определенных технических целей необходимо выполнение только одного из видов расчетов. Изложенная теория даст более глубокое понимание физики колебаний вала. Однако, правильно выполнять расчет на изгибно-крутильные колебания вала с мешалками.

Расчет изгибно-крутильных колебаний вала с мешалками по данным [32].

Рассмотрим шарнирно опертый стержень [32,с.200]. Система уравнений распадется на две независимые системы. Уравнение, описывающее только изгибные колебания в плоскости симметрии:

Уравнения, описывающие изгибно-крутильные колебания:

Граничные условия при x = 0 и x = l:

Граничные условия удовлетворяются при:

Собственные частоты определяются из формулы:

Частоты изгибных и крутильных колебаний :

Собственные частоты колебаний:

При a_3 = 0 центр тяжести и центр изгиба совпадают,

__

Как видно, формулы Тимошенко и по справочнику [32] для определения поперечных и изгибных колебаний почти полностью совпадают.

Однако, Тимошенко указывает о независимости от и необходимости применения метода Релея-Ритца.

__

Таким образом, для вала с мешалками как для балки по приведенной выше теории должны быть рассчитаны поперечные колебания, например, для неразрезной балки на трех опорах.

Затем должны быть рассчитаны крутильные колебания. Но в процессе перемешивания крутильных колебаний может и не возникать, в этом случае критические частоты будут строго соответсвовать поперечным частотам собственных колебаний. В случае наличия крутильных колебаний, их необходимо определить и проверку прочности выполнить для поперечных и крутильных колебаний.

Метод определения критической скорости по работе Тимошенко [31], где колебания связываются с эксцентриситетом необходимо считать некорректным. Колебания возникнут и при отсутсвиии эксцентриситета, однако, условия для статической балки и вращающегося вала с учетом эксцентриситета будут отличаться.

__

Тимошенко указывает о необходимости численного выполнения расчетов колебаний в работе [30]. То есть в том числе маститый специалист признает превосходство численных методов над ручными расчетами.

__

Итак, можно сделать следующий вывод: теорию колебаний можно применять для ручного расчета на практике, но она больше необходима для глубокого понимания физики процесса колебаний, а расчеты должны выполняться методом конечных элементов в специальном программном пакете, например, ANSYS.

Расчет валов методом конечных элементов

В динамической задаче воздействие внешних сил является функцией времени. Напряженно-деформированное состояние зависит от времени. Время является дополнительным параметром, усложняющим расчет по сравнению со статическими расчетами.

Уравнения движения динамической системы выводятся с применением принципа Даламбера, на основе принципа возможных перемещений, на основе вариационного принципа Гамильтона.

Метода Даламбера удобно применять для систем с небольшим числом степеней свободы [20,с.486], к которым относятся валы с мешалками. Но вариационный подход Гамильтона является обобщением методов. Поэтому расчет вала с мешалками методом конечных элементов приведем на основе вариационного подхода Гамильтона.

Принцип Гамильтона записывается в форме [20]:

(Т и П – кинетическая и потенциальная энергии, Wne – силы демпфирования).

Функционал Лагранжа [20]:

Функционал Лагранжа по принципу Гамильтона при возможных перемещениях удовлетворяет условиям совместности и граничным условиям на контуре в течении времени от t_1 до t_2 и имеет стационарное значение.

Начальное положение для вариационной формулировки МКЭ следует при Т = 0 и Wne = 0:

Введем зависимости для Т, П и Wne от обобщенных перемещений, скоростей и сил [20]:

После подстановки в интеграл и преобразований получим уравнение движения Лагранжа:

Для конечного элемента объема V [20]

– кинетическая энергия в матричной форме:

– потенциальная энергия (складывающаяся из внутренней энергии деформации, потенциальной энергии внешних объемных и внешних поверхностных сил):

В конечном элементе поле перемещений и деформаций записываются интерполяционными функциями:

Скорость связана с обобщенной скоростью:

Силы демпфирования пропорциональны скоростям (являются неконсервативными):

Обобщенные силы в узлах конечного элемента при допущении о равномерном распределении сил демпфирования в единице объема, записываются формулой:

Формулы для кинетической и потенциальной энергии можно записать после преобразований в виде:

После подстановки записанных формул в первую формулу вариационной формулировки, получается матричная формулировка конечного элемента [20]:

m – матрица масс, c – матрица демпфирования элемента, k – матрица жесткости, Qe – вектор обобщенных сил в узлах конечного элемента.

В результате составляется уравнение движения системы конечных элементов на основе уравнений движения одного (каждого) конечного элемента [20]:

М – матрица масс, С – матрица демпфирования, K – матрица жесткости, Q – вектор обобщённых сил.

__

Собственные колебания вала находят решением последней записанной системы дифференциальных уравнений. Для колебаний без затухания, система запишется в виде [20,с.500]:

Матричное уравнение запишется в виде т.к.:

Уравнение имеет решение при равном нулю детерминанте системы:

Матрица массы конечного элемента записывается формулой:

Для плоского линейного элемента перемещения описываются полиномами Гермита [20,с.491], матрица жесткости запишется:

После преобразований [20]:

Для конечного элемента, показанного на рисунке выше, с нагрузкой вдоль оси и с узлами на концах, с применением линейных интерполяционных функций, матрица масс записывается в виде [20,с.492]:

Запишем формулу для матрицы жесткости.

На рисунке показан стержневой элемент под действием изгиба [20,с.69]:

Вектор параметров перемещений в узлах элемента имеет два перемещения и два вращения:

Перемещение выражается в виде полинома с четырьмя суммированными координатами. Можно записать:

Угол

Перемещения и вращения на концах стержня:

Матрица С [20,с.70]:

Матрица интерполяционных функций, посредством которой вводится связь между перемещениями на краях и для любой точки по оси стержневого элемента:

Делитация связана с перемещением:

Для вектора деформации:

(составляющие деформации в зависимости от составляющих перемещений находятся применением матрицы оператора над матрицей интерполяционных функций).

L – матрица-оператор, для плоских задач

Ar – матрица интерполяции

Для матрицы интерполяции могут быть приняты функции вида:

По уравнению :

Пропуская математические выкладки, получается:

Для конечного элемента так как перемещения на концах равны нулю, матрица жесткости записывается в виде [20,с.505]:

Теперь, подставив в уравнение матрицы получится:

Вводится обозначение:

Характеристическое уравнение:

В виде многочлена (см. о решении уравнений в программе MathCAD):

Для случая б), т.е. для второй части на рисунке выше, перемещение в узле 1 и вращение в узле 2 равны 0. С учетом этого матрицы k и m уменьшаются:

Характеристическое уравнение:

В виде многочлена:

Эпюра собственных колебаний вала:

__

Итак, в разделе показаны теоретические основы расчета методом конечных элементов валов на свободные колебания.

Теорию можно сравнить с теорией ручного расчета по теории колебаний. Можно сделать вывод о том, что по теории колебаний применяется принцип Даламбера, для приближенного исследования колебаний используется метод Релея, а в расчетах по МКЭ используется вариационная формулировка по принцип Гамильтона с составлением и решением матриц.

Расчет по методу МКЭ является более обоснованным теоретически и позволяет выполнять расчет валов с мешалками и опорными узлами любой конфигурации.

Можно сделать вывод о том, что квалификации расчетчиков для расчетов ручным методом по теории колебаний и расчетов МКЭ являются приблизительно одинаковыми на основании сравнения сложности расчетных методик.

Нормативная методика по РТМ не выглядит обоснованной по сравнению с расчетами МКЭ и ручными расчетами по теории колебаний.

Мешалки

В настоящее время эффективность перемешивания определяется помещением индикатора в перемешиваемый объем аппарата (или лабораторной установки) и фиксацией времени и наличия установления равномерного распределения (окрашивания) индикатора по объему.

Такой подход нельзя считать полностью корректным. Определяются неоднородность перемешивания, распределение твердой фазы в жидком объеме др. параметры, определяющие качество перемешивания.

В вытяжной трубе при аэродинамических испытаниях автомобилей или авиационной техники, конструкцию обдувают окрашенной струей и фиксируют реакцию струи в части обтекания в зависимости от геометрической формы (конфигурации) конструкции.

Для мешалок необходимо объединить два указанных подхода.

То есть наметить структуру потоков в аппарате в зависимости от его геометрических параметров, затем выбрать мешалку, которая отбрасыванием потока жидкости от лопастей создает намеченную структуру потока. И по введению индикатора можно установить степень полноты распределения индикатора, как эффективность перемешивания.

__

Приведем структуры потоков для распространенных типов мешалок по данным Ф. Стренка [27,с.46]:

Также Ф. Стренк приводит направление тока для различных положений пропелерной мешалки [27,с.60]:

Стренк приводит изменение линий тока в зависимости от высоты установки мешалки в аппарате [27,с.104]:

Для шнековой мешалки Ф. Стренк также приводит линии тока [27,с.65]:

Используя данные и направлении токов для различных мешалок в зависимости от геометрических параметров применяемого аппарата должен выполняться подбор мешалки.

Перечень конструкций корпусов аппаратов, в которых устанавливаются мешалки, приводит Стренк [27,с.68]:

Траектория после пропеллерного устройства по данным работы Прандтля [33,с.304]:

Лопасти мешалки вступают в контакт с жидкостью поочередно. На границе лопасти происходит образование поверхности раздела. Вода между лопастями имеет скорость равную скорости лопаток, затем после выхода перемешиваясь в объеме аппарата, скорость снижается. В практике изучение перемешивающих устройств анализировалось распределение и перемешивание потоков, но не выход с лопаток мешалки. Анализ направления выхода потоков струй с лопасти позволит создавать траектории потока с заданной геометрией, а не фиксировать завихрения после той или иной мешалки.

Теория гребного винта отличается от теории крыла тем, что лопасти винта описывают винтовые линии при движении вперед, а крыло движется только вперед.

В случае гребного винта вращение снижает КПД, но в случае мешалки, вращение необходимо для перемешивания. И возникает проблема эффективного рассеяния энергии в объеме аппарата. Та энергия, которая теряется для винта, для мешалки не теряется и должна использоваться для интенсификации процесса. Однако, решение о возможности перемешивания соосными мешалками противоположного вращения без закручивания будет представлено ниже.

Васильцов [1,с.82] приводит эпюру поля скоростей для лопастной мешалки и аппарата без отражательных перегородок:

Также Васильцов приводит [1,с.100] эпюру поля скоростей для турбинной мешалки и аппарата с отражательными перегородками:

Для оценки гидродинамического режима перемешивания анализируется профиль скорости.

В работе [28,с.22] рекомендуется подбирать мешалки в зависимости от режима движения жидкости при перемешивании. В этой же работе [28,с.23] отмечается, что различие в условиях перемешивания между мешалками может быть скомпенсировано частотой вращения и диаметром мешалки. Авторы приводят пример, по которому для трёхлопастной и турбинной мешалки равного диаметра для одинакового режима движения взвешенных частиц, скорость вращения турбинной мешалки должна быть ниже. Результат авторов можно объяснить траекторией линий воздействия лопастей мешалок на жидкость.

__

Мешалки выбираются по АТК 24.201.17-90 или изготавливаются с нестандартными размерами.

Мешалки конструктивно состоят из втулки и установленных на ней лопастей. Поэтому объект мешалки можно рассматривать как базовое устройство с рядом исполнений, получаемых внесением изменений в базовую конструкцию. Например, из лопастной мешалки скручиванием лопастей получается пропеллерная мешалка, открытое пропеллерное насосное колесо, введением дисков и разнесением лопастей получаются турбинные мешалки.

Такая попытка объединить конструкции мешалок позволяет лучше подбирать геометрию мешалки под намеченную структуру потока в аппарате, определяемую направлением отбрасывания жидкости от лопастей мешалки.

– лопастная мешалка с параллельными лопастями оси [20,с.254]:

– трехлопастная (или шести) мешалка с лопастями под углом 30° (получается изменением угла установки лопасти):

– пропеллерная мешалка с лопастью постоянного шага [20,с.256] (получается изменением шага лопасти):

изменение геометрии пропеллеров по Прандлю [33] (воздушный винт, тихоходный гребной винт, быстроходный гребной винт):

Как можно видеть, пропеллерная мешалка из винтов, представленных Прандтлем, занимает промежуточную конфигурацию между тихоходным и быстроходным гребными винтами.

– якорная, рамная и листовая мешалки с увеличенными лопастями (получается увеличением размеров лопасти):

– турбинная мешалка [20,с.257] (получается разнесением лопастей от втулки и введением диска):

– зубчатая мешалка (получается введением вместо лопастей диска с загнутыми зубьями, выполняющими роль лопастей):

Рабочие колеса насосов [29,с.19]:

Колеса насосов по данным [29,с.328]:

Геометрия колес насосов отличается в зависимости от коэффициента быстроходности, определяемого по формуле [29,с.328]:

Для колес насосов с изменением направления подачи жидкости с радиального на осевое и изменением коэффициента быстроходности видно изменение геометрических размеров колес.

Прандтль отмечает [33], что в осевых насосах рабочие колеса схожи с гребными винтами, а, следовательно, и с пропеллерными и лопастными мешалками. Центробежные колеса имеют существенные отличия по геометрии.

__

Перемешивание без закручивания потока соосными мешалками

В работах [14], [15] Ефановым К.В. показано перемешивающее устройство, использующее эффект от противоположного вращения пропеллерных мешалок, ранее применяемый только в гребных винтах судов и на воздушных авиационных винтах.

В случае гребного винта энергия, теряемая на закручивание снижает КПД винта. Для мешалки эта энергия не теряется, а должна быть эффективно распределена в перемешиваемом объеме так как вращательное движение необходимо для перемешивания, но должно быть ограничено во избежание образования воронки. Представим ниже вариант мешалки, позволяющий реализовать перемешивание без закручивания потока.

В существующих подходах к устранению закручивания используются отражательные перегородки, направляющие цилиндры и другие аналогичные решения. Отражательными перегородками можно изменить структуру потока увеличением осевой скорости. Соосный тандем работает в режиме осевого насоса и тем самым при отсутствии других компонент в скорости, осевой поток наиболее мощный. Для процессов перемешивания мешалками закручивание потока является следствием конструкции самой мешалки, ее лопастей, а именно распределением компонент скоростей, сообщаемых потоку лопастью. Следовательно, устранением причины закручивания в конструкции самого перемешивающего устройства, можно устранить закручивание потока как следствие. Результатом устранения закручивания является возможность проведения процесса

перемешивания в более интенсивном режиме, улучшение стабильности работы перемешивающего устройства за счет устранения гироскопического и реактивного моментов, повышение КПД механической части устройства.

Новый физический принцип и параметры процесса перемешивания.

Покажем влияние и возможность использования эмерджентного и синергетического эффектов на энергетические параметры процесса и характеристики устройства перемешивания.

Интенсивность процесса перемешивания мешалкой можно оценить временем пребывания и потребляемой мощностью. Параметр потребляемой мощности, затрачиваемой на перемешивание, непосредственно связан с параметром КПД устройства. КПД непосредственно для перемешивающего устройства характеризует его эффективность по передаче механической энергии потоку. По данным [1] КПД пропеллерной мешалки приблизительно составляет 0,61.

Производительность мешалки можно характеризовать насосным эффектом (радиальным и осевым) а также кратностью перемешивания (отношением насосного эффекта к объему аппарата).

Для лопастного устройства по теории идеального винта потеря КПД происходит при закручивании потока и трении на лопастях. Очевидно, что при устранении закручивания потока вырастет и КПД устройства. И также очевидно, что закручивание потока не является неизбежным при перемешивании в случае применения соосного тандема мешалок противоположного вращения. Для воздушных винтов отсутствие закручивания на выходе показано в работе. Для гребных винтов в работе показан более высокий КПД соосного тандема по сравнению с суммарным КПД двух

составляющих винтов по-отдельности. Осевой эффект (тяга) для перемешивающего устройства особенно важен в процессах перемешивания, в начале которых необходим подъем со дна аппарата твердых частиц. Осевая тяга соосного тандема авиационных винтов выше суммарной тяги двух составляющих винтов по-отдельности (синергетический эффект), что может быть применено для процессов перемешивания.

__

Двухрядные перемешивающие устройства можно условно разделить по критерию организации вращения взаимного вращения мешалок на два типа: мешалки с совпадающим направлением и с противоположным направлением вращения вокруг оси вала. Мешалки первого типа устанавливаются на одном валу, как правило сплошного сечения, вращаемым одним мотор-редуктором. Мешалки второго типа устанавливаются на коаксиальных валах (внутренний сплошного сечения, наружный полый). Привод коаксиальных валов может быть, как через планетарный редуктор от одного мотор-редуктора, так и от двух мотор-редукторов.

Конструкция с двумя мотор-редукторами позволяет организовать вращение мешалок в одинаковом или противоположном направлении, а также изменять скорость вращения одной

из мешалок тандема, не меняя скорость вращения другой.

Схема привода коаксиального вала с планетарным редуктором позволяет настроить взаимные параметры мешалок для работы в едином тандеме для получения наилучшей гидродинамической картины. В авиационной технике и судах основной акцент внимания смещен на само лопастное устройство, его КПД, эффективность, устранение закручивания потока на выходе для снижения гироскопических и реактивных моментов. В химических перемешивающих устройствах

внимание уделяется структуре перемешиваемого потока, и геометрия лопастей с другими параметрами мешалки оптимизируются для получения нужного «отклика» потока на выходе. Принципиальные отличия потока состоят в том, что внутри сосуда линии тока образуют про-

странственный замкнутый контур, а для гребных или воздушных винтов линии тока потока не замкнуты. Но эффективность одиночного винта или пропеллерной мешалки можно оценить по единым критериям потери КПД за счет закручивания потока на выходе с лопасти.

Применив подход из авиационной и судовой техники в конструировании перемешивающих устройств аппаратов, можно получить эмерджентный по процессу эффект за счет

нового подхода к организации потока в аппарате и повышения механических характеристик устройства за счет синергетического эффекта повышения КПД и осевой тяги (синергетический эффект относится к самому механическому устройству). Совместное прочтение винтов

и пропеллерных мешалок позволяет выполнять теория идеального винта (пропеллера), применяя которую можно описывать винты и мешалки как один вид устройств (с конструктивными отличиями) с учетом различий во внешних условиях. Новый подход в организации потока получится в результате организации направления потока лопастями второй мешалки с противоположным вращением. Особенностью является тонкая настройка взаимной работы мешалок по воздействию на жидкость. Параметры лопастей каждой мешалки тандема (такие как угол установки, угловая скорость) подбираются по параметрам потока на выходе после второй мешалки. Применение мешалок с различными параметрами лопастей в одном перемешивающем

устройстве не является новым решением для более простой конструкции перемешивающего устройства с мешалками на одном валу и с одним направлением вращения.

В существующих перемешивающих устройствах с приводом коаксиальных валов

от двух мотор-редукторов наглядно видно, что такого подхода нет, а коаксиальная конструкция необходима только для выполнения мешалками раздельных технологических операций. Для такой схемы можно применять совместно тихоходные рамные и быстроходные пропеллерные мешалки (отметим, что пропеллерные мешалки являются быстроходными, но рассматривать их только как быстроходные не в полной мере корректно). Мешалки в таких устройствах могут выполнять различные технологические функции процесса перемешивания. То есть, на таких устройствах нельзя применить авиационный и судовой подход в организации перемешиваемого потока в аппарате.

В перемешивающем устройстве с соосным тандемом по авиационному типу, мешалки используют физический принцип (обозначаемый в таких случаях как «новый физический принцип»), ранее не применявшийся в перемешивающих устройствах, в результате которого устраняется закручивание перемешиваемого потока и линии его траекторий становятся двумерными (замкнутым контурам в плоскости) взамен трехмерных траекторий для одной пропеллерной мешалки. В существующих коаксиальных перемешивающих устройствах мешалки системы работают раздельно на разных технологических операциях и фактически мешалки скомпонованы на одной оси и не связаны между собой по принципу работы. Несмотря на общий конструктивный элемент в виде коаксиальных валов, принцип действия перемешивающих устройств принципиально отличается.

При рассмотрении перемешивающего устройства как системного объекта, состоящего из идентичных конструктивных элементов, системы не сводятся к составляющим их элементам.

Системы конструкций является различными и отличаются друг от друга по назначению и принципу действия. Данное свойство для систем характеризуется термином эмерджентного эффекта.

__

В работе [16,с.339] указано об ограничении функционала описываемого программного пакета (в версии 2010 г.) для расчета соосных винтов так как для этой программы вращающиеся области не должны касаться и пересекаться. Возникает вопрос о выборе программы МКЭ, которая будет являться стандартом по умолчанию для гидродинамических расчетов.

Для программы положение стандарта по умолчанию достигается:

– возможностью пакета программ выполнять междисциплинарные расчеты из разных областей теоретической физики, которые необходимы для расчета сложного технического изделия.

– широким распространением в различных областях промышленности и опыт применения для реализации сложных технических изделий;

– знакомство и знание с программой большого числа инженеров из разных компаний в разных отраслях промышленности;

– внедрение программы в курс обучения в высших учебных заведениях.

Программный пакет является самостоятельным программным продуктом, предназначенным непосредственно для расчетов конечно-разностными методами, содержать на высоком уровне математический аппарат и вычислительный функционал.

Программные модули, встроенные в пакеты 3D-моделирования таких характеристик не имеют. Их применять для численного расчета насосов не следует. Пакеты 3D-моделирования следует использовать для построения твердотельных моделей. А в расчетных пакетах должна быть предусмотрена возможность загрузки твердотельной модели для её обработки и выполнения численного расчета.

__

Гидродинамической картине потока соосных мешалок наиболее близко соответствует линии тока для пропеллерной мешалки, установленной в диффузоре, которая работает на перемещение жидкости в осевом направлении. Вместе с тем, одиночная пропеллерная мешалка должна вызывать закручивание потока в диффузоре. Схема пропеллерной мешалки в диффузоре приведена на рисунке по данным [21,с.256]:

Также осевая структура потока организована в реакторе сернокислотного аликилирования [22,с.236]:

В этом реакторе пропеллерная мешалка работает как осевой насос.

__

Дальнейшее внедрение соосных лопастных устройств в нефтяном оборудовании показано возможным для аппаратов воздушного охлаждения (АВО) в работе Ефанова [26].

При совместном прочтении уравнений теплового баланса и теплопередачи из теплового расчета аппаратов воздушного охлаждения, можно записать

где Q – количество отведенной теплоты; Gв – массовый расход охлаждающего воздуха; tв.н, tв.к – температуры охлаждающего воздуха на входе и выходе; K – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности теплообмена (ореберенных труб); dt – температурный напор.

Выбрав аппарат минимальной металлоемкости, превышение тепловой нагрузки можно обеспечить увеличением площади поверхности оребренных труб или повышением расхода охлаждающего воздуха, как видно из уравнений в представленной форме.

При увеличении площади поверхности теплообмена для удовлетворения условию минимальной металлоемкости аппарата увеличивают длину оребренных труб, как показано в работе [2]. Такое решение обусловлено тем, что 40% удельного веса приходится на трубы, остальное на трубные решетки, коллекторы, металлоконструкцию, вентиляторное оборудование и другие элементы аппарата. Тепловая эффективность трубного пучка не изменится, так как плотность теплового потока на единицу массы трубы не изменится с ростом длины труб при неизменных конструктивных характеристиках секции.

Для уменьшения металлоемкости одноходовой секции, которая выше, чем для восьмиходовой, необходимо интенсифицировать теплообмен увеличением расхода охлаждающего воздуха. Тепловую эффективность секции аппарата воздушного охлаждения следует повысить за счет расхода охлаждающего воздуха, значительно превышающего значения, которые обеспечивают существующие вентиляторы установленных диаметров.

В конструкции существующих АВО применяются вентиляторы с одиночными колесами и различным числом лопастей для обеспечения мощности в интервале от минимального до максимального значения, соответствующих определенному диаметру колеса. При необеспечении требуемой мощности колесом заданного диаметра с максимальным числом лопастей увеличивают число вентиляторов или используют колесу следующего большего диаметра (с минимальным числом лопастей). Применение обоих вариантов вызывает рост размеров и металлоемкости аппарата.

Применение соосной комбинации противоположного вращения за счет возникающего синергетического эффекта позволит получить КПД и тягу, превышающие суммарный КПД и тягу для двух составляющих винтов и КПД для одиночного колеса такой же мощности, как показано для воздушных винтов в работе. К оценке эффективности вентилятора можно применить теорию идеального винта, согласно которой потеря КПД происходит за счет закручивания потока и трения на лопастях. Для соосной комбинации колес противоположного вращения закручивание потока на выходе будет отсутствовать. Закручивание воздуха после колеса ухудшает процесс охлаждения для АВО с рециркуляцией. Неравномерное смешение холодного и нагретого воздуха в диффузоре и последующий поворот воздуха вызывают несимметричное поле температур. Для соосной комбинации исключается его поворот на выходе.

Оформление конструкции соосного узла АВО реализуется так же через редуктор, как и на аппаратах с мешалками.

Расчет процесса перемешивания

В настоящее время при проектировании технологических установках в специальных программах производится расчет параметров аппарата на технологической схеме. Замет вызывается специальный модуль программы, в который передаются полученные данные и выполняется технологический расчет аппарата. Результатом является эскиз аппарата, который используется для проектирования конструкции.

Методы расчета потоков в аппаратах основаны на критериальных методиках гидравлики.

Расчет вычислительными методами гидродинамики, основанными на численном решении дифференциальных уравнений и учитывая при необходимости кинетики химических реакций, может реализован в специальных компьютерных пакетах расчетов методом конечных элементов.

Сравнивая два похода расчетов по критериальным методикам и методом конечных элементов, можно использовать расчет МКЭ для точного проектирования после технологического расчета по критериальным методикам. При проектировании аппарата по аналогу или с нуля по техническому заданию расчет по методу конечных элементов может применяться сразу.

Сравним теоретическое основание программ двух видов.

Нобелевский лауреат, академик Л.Д. Ландау в работе [5,с.12] отмечает: «… замечания о характере изложения гидродинамики … гидродинамику как часть теоретической физики… чтобы создать по возможности более ясную картину явлений и их взаимоотношений. … мы не излагаем в ней как приближенных методов гидродинамических расчетов, так и тех из эмпирических теорий, которые не имеют более глубокого физического обоснования»».

Критреиальные зависимости введены для возможности решения уравнений гидродинамики с использованием эмпирических результатов и методика не является теоретически точной в отличии от методов вычислительной гидродинамики.

В настоящее время при доступности программных пакетов, расчет процессов перемешивания должен выполняться точными методами гидродинамики.

Васильцов в работе [1,с.81] указывает, что для решения ряда технологических задач явлений переноса для быстроходных мешалок используется уравнение Кафарова [7,с.200]:

Это уравнение получается из уравнения полной производной концентраций [7,с.198]:

Кафаров отмечает [7,с.200], что последнее уравнение должно быть проинтегрировано совместно с уравнениями движения и сплошности в граничных условиях турбулентного потока, что вызывает непреодолимые трудности. И поэтому производится замена на критериальные уравнения.

В настоящее время с применением компьютерных пакетов МКЭ численных расчетов таких трудностей не возникает и можно получать более точные и обоснованные результаты расчета.

__

Рассмотрим критериальную методику расчета аппаратов с мешалками.

Самой простой моделью является модель реактора идеального смешения периодического или непрерывного. Эта модель не показывает структуру потоков в аппарате, а показывает изменение концентрации вещества в потоке.

Для модели идеального смешения вещество мгновенно равномерно распределяется по всему объему аппарата [6,с.111]. По этой модели можно определить необходимый объем аппарата через время пребывания, которое находится по кинетическому уравнению реакции. В этом аспекте модель полезна, в остальном некорректна.

Время пребывания и объем реактора связаны по формуле [7,с.111]:

Уравнение в графической форме [6,с.112]:

Схема модели [6,с.110]:

Условия в проточном аппарате смешения не совпадают с условиями в периодическом аппарате смешения [7,с.111]. Только при рассмотрении состояния реакционной массы в конкретный момент времени появляется соответствие между аппаратами. Поэтому проточный аппарат является аппаратов дифференциального типа.

Существует более сложная ячеечная модель [6,с.172], в которой перемешиваемый поток разделяется на ряд последовательно соединенных ячеек. В каждой ячейке происходит полное перемешивание потока, при этом перемешивание между ячейками отсутствует. Количество ячеек является характеристикой реального потока. При одной ячейке получается реактор идеального смешения, при бесконечном числе ячеек получается реактор идеального вытеснения.

Ячеечная модель аналогична каскадному соединению аппаратов идеального смешения.

В работе [7,с.238] отмечается, что степень не идеальности потока как фактор не поддающийся расчету. Однако, методами вычислительной гидродинамики структура потока рассчитывается полностью.

Кафаров отмечает [6,с.177] источники неравномерности потока по времени пребывания:

– неравномерность профиля скоростей,

– турбулизация потоков,

– молекулярная диффузия,

– застойные зоны,

– каналообразование, байпасный и перекрестный ток,

– температурные градиенты перемешиваемых потоков,

– теплообмен и массообмен между перемешиваемыми фазами.

Все перечисленные Кафаровым источники неравномерности без затруднений определяются методами вычислительной гидродинамики при расчете в специальных компьютерных пакетах.

В моделях смешения для учета неидеальности потока вводятся функции I-распределения и E-распределения.

Кафаров приводит формы кривых распределения [6,с.179]:

Вводится безразмерное время:

В работе [7,с.241] приводятся кривые I-θ и Е-θ (площади кривых равны единице):

I-функция характеризует время присутствия внутри аппарата, Е-функция характеризует плотность распределения времени пребывания потока в сосуде.

Для выбранного времени θ_1 на кривой I-θ:

– доля частиц с временем, меньшим θ_1

– доля частиц с временем, большим θ_1

Доля потока с временем выхода, меньшим θ_2

Доля потока с временем выхода, большим θ_2

Для экспериментального определения не идеальности потока в аппарат вводят трассер [7,с.242].

Отклик измеряют на выходном патрубке.

Импульсный сигнал является δ-функцией.

С-кривой является функция изменения концентрации трассера в потоке на выходном патрубке при импульсном вводе.

F-кривой является функция изменения концентрации трассера в потоке на выходном патрубке при импульсном вводе и поддержании концентрации трассера в потоке на этом уровне.

В работе [7,с.244] приводится график F-кривой, график для δ-сигнала и С-кривой:

С помощью этих кривых производится расчет реакторов с неидеальным потоком.

Модели по кривым, учитывающим отклонение потока от идеальности не показывают структуру потока.

Структуру потока можно рассчитать методами вычислительной гидродинамики в программных пакетах и представить результат в наглядном виде на цветной диаграмме со шкалой.

Определение параметров ячеечной модели

Кафаров отмечает [19,с.118] несмотря на разработанность теории идеального смешения, реальное перемешивание такой моделью не описывается. Отклонение перемешивания от идеального устанавливают подачей индикатора (см. выше) на вход в аппарат в установившемся состоянии процесса в момент времени t_0 в количестве C_0. В этот же момент замеряется концентрация индикатора на выходном патрубке аппарата:

Кафаров указывает, что доля индикатора, вышедшая за время (t-t_0) записывается в виде функции от числа аппаратов [16,с.118]:

n – число ячеек полного перемешивания,

– среднее время пребывания индикатора в аппарате.

Полученное по приведенной формуле Кафарова расчетное значение С(t) сравнивается с экспериментальной величиной С для момента времени t – для оценки числа ячеек полного смешения, которое соответствует реальным условиям перемешивания.

Кафаров [19,с.119] приводит блок-схему нахождения числа ячеек:

Кафаров приводит программу [19,с.120], записанную на одном из языков программирования. В Вычисление выполняется в виде процедуры, которая запускается из основного программного кода. В первоначальном приближении число ячеек задается равным 1, затем если Сnтеор < Сэкс, число ячеек увеличивают на 1 и повторяют вычисление. Если используется несколько экспериментальных точек определения концентрации индикатора, программа может выдавать усредненное значение. Окончание расчета происходит при сопоставлении суммы квадратов отклонений расчетной и экспериментальной кривых.

__

Пример технологического расчета аппарата с мешалкой

При технологическом расчете аппарата с мешалкой определяются его геометрические размеры и расход теплоносителя.

Расчетная схема аппарата по данным Голованчикова А.Б. [24]:

Существует «пуклеванная» конструкция рубашки аппарата, имеющая минимальную толщину стенки и максимальную жесткость за счет выполнения конусных вытяжек в рубашке и приварке отверстий в вытяжках к обечайке корпуса аппарата. В работе А.Г. Касаткина [20,с.335] такая рубашка называется рубашкой с анкерными связями:

Внутри пуклеванной рубашки происходит перемешивание потока при обтекании конусных вытяжек рубашки и за счет этого интенсифицируется теплообмен. Недостаток, характерный для коаксиальных рубашек отсутствует. Одним из преимуществ пуклеванной рубашки является высокая прочность и жесткость и за счет этого применение минимально тонкого листа для изготовления.

Прочностной расчет такой рубашки выполняется методом конечных элементов в специальной программе, например ANSYS. Как правило, толщина рубашки составляет 2 и более мм.

Существуют змеевиковые теплообменные устройства. Змеевик может быть помещен внутри аппарата или навит и приварен снаружи к обечайке, как показано в работе Касаткина [20,с.335]:

В этом случае выполняется расчет змеевикового теплового устройства.

__

Ниже приведем технологический расчет аппарата с мешалкой с коаксиальной рубашкой. Приводимый расчет основан на методиках А.Б. Голованчикова [23], [24], (а также с применением образцов расчета [20], [25]), в которых скомпилированы гидравлические и тепловые расчеты элементов для одного объекта аппарата с рубашкой.

По модели реактора идеального смешения определяются [23], [24]:

– концентрация непрореагировавшего сырья (χ – степень превращения):

– определяется скорость реакции:

(для определения скорости реакции строятся интегральная и дифференциальная кривые, программа рассчитывает интеграл по формуле Симпсона с разбиением кривой на ряд участков)

– находится среднее время пребывания:

(vrk – скорость в конце реакции по интегральной кривой)

– объем реакционной массы:

Для экзотермической реакции (с выделением тепла):

– тепловая нагрузка на аппарат:

– расход хладагента на отвод тепа:

– объемный расход хладагента:

– средняя скорость хладагента в рубашке:

Определение геометрических размеров аппарата [23], [24]:

Диаметр аппарата с эллиптически или торосферическим днищем:

Площадь эллиптического днища:

Так как стенка имеет запас по высоте, находят высоту смоченной части по объему жидкости. Для примера примем высоту равной диаметру аппарата:

Площадь смоченной поверхности стенки:

Общая смоченная поверхность на днище и стенке:

Определение параметров теплообменного устройства (рубашки аппарата) [23], [24]:

– эквивалентный зазор в рубашке:

– площадь сечения рубашки:

– средняя движущая сила теплопередачи:

– средняя температура хладагента:

– динамическая вязкость реакционной массы при рабочей температуре:

– динамическая вязкость хладагента при средней температуре:

Выбираем пропеллерную мешалку.

– диаметр мешалки:

– коэффициент, выбирается с учетом

РД 26-01-90-85 Механические перемешивающие устройства. Метод расчета

– число Рейнольдса для процесса перемешивания [20], [23]:

– число Рейнольдса для хладагента [23]:

– число Прандтля для перемешиваемой среды:

– число Прандтля для хладагента:

– отношение чисел Прандтля:

при этом, Голованчиков отмечает, что температуры накипи, отложений на стенке со стороны перемешиваемой среды рассчитываются методом половинного деления между температурой перемешиваемой среды и средней температурой хладагента.

– число Нуссельта:

– коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке:

– удельная тепловая нагрузка перемешиваемой среды:

– температура отложений со стороны хладагента:

– отношение числе Прандтля для хладагента:

– число Нуссельта для хладагента в рубашке [23]:

– коэффициент теплоотдачи для хладагента:

– удельная тепловая мощность хладагента (передача к среде):

– средняя удельная тепловая мощность:

Определение поверхности теплопередачи:

Высота рубашки, если F < FC:

Коэффициент теплопередачи:

После определения коэффициента теплопередачи, его подставляют в уравнение теплопроводности [25]:

Уравнение сравнивается с уравнением теплового баланса аппарата [25]:

Расход хладагента или его конечную температуру «отпускают» в расчете, т.е. не является фиксированной величиной.

Совпадении уравнений теплового баланса и теплопередачи означает окончание расчета так как поверхность стенки обеспечивает снятие тепловой нагрузки. Запас назначается проектировщиком около 10% по поверхности.

Если значения Q в двух уравнениях не совпадают, поверхность теплообмена увеличивают и расчет выполняют повторно до совпадения значений. Или увеличивают расход хладагента, увеличивают турбулизацию его движения для повышения эффективности теплопередачи, устанавливают внутренний змеевик.

__

Приведенные выше модели и подходы являются чрезмерно простыми, устаревшими и не подходят для расчета аппаратов (реакторов) смешения в настоящее время. Расчет должен выполняться численными методами в специальных программных пакетах.

Вместе с тем, в программных пакетах МКЭ можно встретить модель учета кинетики с применением эквивалентной схемы реакторов смешения и вытеснения, которая описывает распределение потоков. Вместе с тем, существуют уравнения химической гидродинамики [34], [35], которые можно совместно решать с дифференциальными уравнениями вычислительной гидродинамики для потока без химических реакций. Тем самым составив расширенную систему, можно учесть наличие в потоке химических реакций.

Применяемый программный пакет будет являться стандартом по умолчанию для выполнения гидродинамического расчета.

__

По результатам численного расчета находят поле скоростей, поле давлений, рассчитывают траектории движения частей потоков по объему аппарата.

Для расчета гидродинамики перемешивания могут быть применены четыре подхода:

– прямое численное решение уравнений Навье-Стокса (DNS),

– применение аналитических теорий турбулентности,

– применение моделей переноса турбулентности,

– применение моделей замыкания движений мелкого масштаба.

Турбулентное движение имеет вихревую структуру и графические материалы с картиной вихревых дорожек и картиной обтекания тел широко представлены в литературе. Между вихрями разного масштаба происходит постоянное взаимодействие. Структура турбулентности описывает эти взаимодействия. Течение переходит из ламинарного (слоистого) в турбулентное при потере устойчивости. В потоке появляются возмущения и при их развитии устойчивое ламинарное движение переходит в турбулентное. Такие возмещения могут вызываться, например, наличием каких-либо элементов конструкции на пути течения потока. Развитая турбулентность (завихренное течение) представляет собой иерархию вихрей [9,с.15], в которой крупные вихри теряют устойчивость и распадаются на вихри более мелких масштабов (турбулентное перемешивание). Каскадный процесс передачи энергии от больших вихрей к меньшим происходит до устойчивых вихрей минимального масштаба. Минимальные вихри передают энергию за счет вязкости, то есть их кинетическая энергия преобразуется в выделение теплоты.

Турбулентное течение в отличии от ламинарного имеет большое число степеней свободы. По этой причине в литературе широко используется статистическое описание турбулентных течений.

В потоке величины условно делятся на осредненные (регулярные) и пульсационные (нерегулярные) [9,с.12]. Для описания турбулентного течения используются осредненные величины по времени или пространству. Появление какой-либо определенной структуры потока среди возможных конфигураций определяется согласно законам математической теории вероятностей.

В реальных задачах находят на полное определение вероятностей, а только для отдельных характеристик [9,c.13], таких как давление средние скорости в различных точках пространства, а также вторые моменты пульсаций турбулентности интенсивность турбулентности, компоненты импульса. Решение проблемы турбулентности по существу эквивалентно нахождению всех моментов при задании общих условий.

Аналитическая теория турбулентности получается на основании системы уравнений Фридмана-Келлера [9,с.13.]. Для применения этих уравнений к реальному течению с конечным числом степеней свободы, требуется выполнить математическую операцию замыкания уравнений, так как неизвестных в уравнениях больше, чем самих этих уравнений.

Полуэмпирическая теория турбулентности, построенная с использованием результатов исследований течений крупномасштабных вихрей [9,с.14] основаны на рассмотрении турбулентности в виде хаосу. Вводятся понятия интенсивности турбулентности, пути перемешивания, коэффициенты турбулентной вязкости, диффузии и теплопроводности. Вводятся гипотезы, отражающие физический процесс. Затем гипотезы проверяют экспериментальным путем, в результате чего для полуэмпирических моделей получают константы.

Модель турбулентности «k – ε».

Существует модель однородной изотропной турбулентности, но с помощью её нельзя провести описание реального потока [9,с.16]. Существует модель локально изотропной турбулентности. Согласно этой модели турбулентные пульсации для мелких масштабов с большим числом Рейнольдса можно рассматривать как однородные изотропные. Колмогоров ввел гипотезу [9,с.18] о том, что статический режим для мелких масштабов зависит от коэффициента вязкости k и скорости (средней) диссипации энергии ε.

Между масштабом больших вихрей L и масштабом мелких вихрей η, диссипация энергии ε определяет статистический режим турбулентности, так как вязкость влияет только на мелкие масштабы. Масштаб вихрей, на который влияет вязкость получается из этой гипотезы Колмогорова с учетом соображений размерности [9,с.18]:

Прямое численное решение уравнений Навье-Стокса.

При прямом численном уравнений Навье-Стокса, уравнения решаются для несжимаемой жидкости [10,с.311]. Для решения используются граничные периодические условия. То есть учитывается изменение функций при переходе между соседними кубическими элементами сплошной среды, как показано в работе [11,с.14].

При решении уравнений с граничными условиями методом конечных элементов с применением расчетной сетки по 3D-модели, уравнения Навье-Стокса переписываются в разностной форме для узлов сетки.

Возможно решение уравнений численным спектральным методом. По этому методу решение уравнений Навье-Стокса (с учетом граничных условий) аппроксимируется в форме усеченного ряда Фурье [10,с.312].

Конечно-разностный метод расчета сравнивается со спектральным по пяти параметрам [9,с.314]:

– скорость сходимости,

– эффективность (затраты на расчет для заданной погрешности результата),

– граничные условия (точность конечно-разностных методов нарушается около границ за счет необходимости расчёта точек вне области течения, поэтому сетка корректируется вдоль границ и усложняется),

– разрывы (сглаживание разрывов при локальных ошибках),

– априорная оценка точности (для конечно-разностных методов точность сравнивается на сетках с разным числом конечных элементов).

Важной проблемой является расчет течения около поверхности рабочего колеса (импеллера) или корпуса насоса вследствие тонкого пограничного слоя жидкости. Для решения этой проблемы необходимо подробное рассмотрение течения по стенке, установление его параметров и применение этих параметров для граничных условий к расчету крупного масштаба турбулентного потока [9,с.344].

Аналитические теории турбулентности строятся на статическом подходе к описанию турбулентности [10,с.337]. Динамические параметры в этих теориях являются средними характеристиками течения потока.

Модели переноса турбулентности являются упрощенными моделями турбулентности [10,с.337] с эмпирическими параметрами, получаемыми по результатам эксперимента. Динамика взаимодействия между масштабами турбулентной пульсации рассматривается ограниченно.

Метод прямого численного моделирования DNS (Direct Numerical Simulation)

Многие авторы отмечают о том, что этот метод наиболее требователен к вычислительным ресурсам. Однако, в настоящее время существуют центры с суперкомпьютерами, выполняются параллельные вычисления и используются другие способы для выполнения затратных расчетов. На основании этого, метод DNS может быть внедрен в практику расчета проточной части насосов для получения наиболее точного результата расчета.

По методу DNS решаются уравнения Навье-Стокса напрямую непосредственно без применения моделей турбулентности (например, модели «k-ε») в отличии от других методов расчета.

При решении уравнений Навье-Стокса находят для любой точки в потоке скорость течения и давление. Результатом расчета по методу DNS является нахождение этих параметров потока.

По методу DNS возможно выполнение расчета течения для различных значений числа Рейнольдса.

В программных пакетах уравнения Навье-Стокса, то есть дифференциальные уравнения в частных производных, решаются конечно-разностным методам. Из конечно-разностных методов для решения задач гидродинамики используется метод конечных объемов (МКО).

Решение дифференциальных уравнений Навье-Стокса состоит из замены дифференциальных уравнений с назначенными граничными условиями на алгебраические дискретные уравнения и применение конечно-разностного метода решения.

В конечно-разностном методе, как указывается в работе [12,с.26], производная заменяется на алгебраическое отношение . При стремлении размеров ячейки сетки к нулю конечно-разностное отношение стремиться к производной , т.е. решение стремиться к решению дифференциального уравнения. При этом пределом является предел всего разностного уравнения, а не только его отдельных производных.

Операция дискретизации позволяет получить алгебраические уравнения, которые решаются вычислительными средствами применяемого компьютера.

Флетчер в работе [13,с.73] показал пример дискретизации на примере уравнения теплопроводности

на уравнение

В этом уравнении параметр показывает параметр Т в узле (j, n) сетки.

Таким образом, в каждом из узлов находится значение , проблема нахождения непрерывного решения дифференциального уравнения решается нахождением суммы значений.

Решение должно плавно изменяться в промежутках между узловыми точками элементов сетки. Решение в точках, не совпадающих с узловыми точками сетки, находится интерполяцией решений, полученных для окружающих её узловых точек.

Пример построения расчетной (дискретной) сетки по данным [13,с.74]:

Из указанного выше уравнения можно найти неизвестное по известным значениям на слое n (временном слое). Такая формула будет являться алгоритмом решения. Полное решение для сетки является суммой решений для всех узлов [13,с.74]:

Процесс дискретизации вносит ошибку. Для окрестности узла, в пределах которой вычисляется производная, ошибка дискретизации находится разложением в ряд Тейлора. Главный член ряда достаточной корректно оценивает ошибку дискретизации при малой величине ΔА (стороне ячейки). Ошибка дискретизации является критерием оценки ошибки решения в зависимости от уменьшения размеров ячеек расчетной сетки.

__

Метод конечных объемов

По методу конечных объемов в пространстве проточной части насоса строится расчетная сетка, структурными элементами которой являются конечные объемы. Трехмерный конечный объем может быть представлен в виде куба, тетраэдра, гексаэдра. В элементе конечного объема уравнения решаются для точки, находящейся геометрическом центре этого элемента. Метод можно назвать «методом частиц в ячейках» [12,с.48].

Метод конечных объемов обеспечивает для исходный дифференциальных уравнений Навье-Стокса выполнение законов сохранения в интегральной форме, то есть обладает свойством консервативности [12,с.51]. Законы сохранения могут быть записаны для различных величин, например, массы, импульса и др.

Скорость накопления величины А в ячейке равна сумме конвективного и диффузионного притока в единицу времени [12,с.52]. По граням смежных ячеек решение интеграла должно быть одинаковым.

__

Химическая гидродинамика

К уравнениям, описывающим движение потока без химических реакций, добавляется описание химической кинетики методами, описанной в дифференциальных уравнениях химической гидродинамики. Уравнения химической гидродинамики приведены в работах [34], [35].

Решая численными методами совместно систему уравнений из дифференциальных уравнений вычислительной гидродинамики для турбулентного течения и дифференциальных уравнений химической гидродинамики, получают решение для турбулентного потока, в котором протекают химические процессы.

__

Академик Колмогоров А.Н. в работе [17] описал единственно верно модель структуры турбулентного потока. В этой же работе отмечается, что нобелевский лауреат, академик Ландау Л.Д. высказался о корректности предложенной Колмогоровым А.Н. модели. Согласно этой модели происходит передача энергии от вихрей макромасштаба более мелким и до колмогоровского масштаба. На колмогоровском масштабе энергия тратится на вязкое трение. Колмогоровский масштаб по сути совпадает с элементарным масштабом (см. выше), описанным вокруг произвольно взятой точки внутри потока.  Очевидно, что корректная постановка численного расчета состоит в расчете мелких масштабов с переходом к макроскопическому масштабу, являющимся интегральным в численном расчете.   По методу DNS напрямую решается система уравнений Навье-Стокса.

Для учета протекания химических реакций необходимо решаемую численным методом систему уравнений дополнить уравнениями химической гидродинамики.

__

Проблема решения уравнений Навье-Стокса рассмотрена Ефановым К.В. в работе [18] и возможно, что решена (попытка решения проблемы как физиком, а не как математиком).

Заключение

В монографии подробно приведена теория расчета валов на резонанс по теории колебаний и приведена теория расчета на резонанс методом конечных элементов.

Расчеты на резонанс следует выполнять в специальных компьютерных программных пакетах, а теорию расчета необходимо знать для глубокого понимания физики процесса и для выполнения расчета а также конструирования вала.

Предложен подход по выбору мешалки, по которому по геометрии аппарата предполагается структура потока, а затем под эту структуру выбирается мешалка. Такой подход является обоснованным технически по сравнению с подбором мешалок на основе простого сравнения их выходных данных по структуре потока.

Приведен технологический расчет аппарата с мешалкой, снабженного теплообменным устройством в виде рубашки.

Приведена теория идеальных реакторов и теория вычислительных методов гидродинамики.

Критериальные методики расчета имеют меньшее физическое обоснование по сравнению с прямым решением уравнений гидродинамики.

Структура потока на основе решения уравнений гидродинамики имеет большее физическое обоснование по сравнению с моделями идеальных реакторов и учета в них неидеальности.

Расчет процессов перемешивания следует выполнять численными методами в специальных программных пакетах

Литература

1. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред: Справочное пособие. – Л.: Машиностроение, 1979. – 272 с.

2. Лунц Е.Б. Упругие колебания. – М.: Изд-во МАИ, 1935. – 182 с.

3. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теории колебаний. 3-е изд. – М.: Высш. шк, 1975. – 248 с.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний. 3-е изд. – М.: Наука, 1968. – 560 с.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. – М.: Наука, 1965. – 303 с.

6 Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10т. т. 6. Гидродинамика. – 3-е изд. – М.: Наука, 1986 – 736 с.

7. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1972. – 496 с.

8. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. – М.: Химия, 1969. – 624 с.

9. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика, т.1. М. Наука. 1965. 641 с.

10. Фрост У. Турбулентность. Принципы и применения. М.: Мир. 1980. – 536 с.

11. Фриш У. Турбулентность. Наследие А.Н. Колмогорова. М.: ФАЗИС. 1998. 346 с.

12. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. – М.: Мир. 1980. 619 с.

13. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т.1. М.: Мир. 1991. 504 с.

14. Ефанов К.В. О перемешивании без закручивания потока // Нефтегазовые технологии и аналитика. – 2019. – №8. – С.53-54.

15. Ефанов К.В. Перемешивающее устройство с соосными пропеллерными мешалками противоположного вращения // Химическая техника. – 2018. – №6. – С.35-36.

16. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 448 с.

17. Колмогоров А.Н. Уравнение турбулентного движения несжимаемой жидкости Избранные труды. Механика и математика. М. Наука. 1985. – 470 с.

18. Ефанов К.В. Уравнения Навье-Стокса, отсутствие решения / Navier-Stokes equations, no solution. – М.: Литрес, 2020. – 18 с.

19. Кафаров В. В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. – М.: Наука, 1972. – 487 с.

20. Секулович М. Метод конечных элементов. – М.: Стройиздат, 1993. – 664 с.

21. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973. – 752 с.

22. Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов. – 2-е изд. – М.: Машиностроение, 1978. – 328 с.

23. Голованчиков А.Б. Дулькина Н. А., Козловцев В. А., Шагарова А. А. Расчет на ЭВМ экзотермического реактора идеального смешения. Методические указания к лабораторной работе. – Волгоград: ВолгГТУ, 2006. – 18 с.

24. Голованчиков А.Б., Дулькина Н.А., Ильин А.В., Шагарова А.А. Расчет на ЭВМ реактора идеального вытеснения для проведения эндотермических процессов. Методические указания к лабораторной работе. – Волгоград, ВолгГТУ, 2008. – 20 с.

25. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

26. Ефанов К.В. О возможности повышения эффективности аппаратов воздушного охлаждения газа применением привода с соосными колесами вентилятора // Химическая техника. – 2018. – №10.

27. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. – Л.: Химия, 1975. – 384 с.

28. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. – Л.: Химия, 1984. – 336 с.

29. Айзенштейн М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. – М.: Гостоптехиздат, 1957. – 363 с

30. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. – М.: машиностроение, 1985. – 472 с.

31. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкции. – М.: Наука, 1975. – 704 с.

32. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: В. Н. Челомей (пред.). – М.: Машиностроение, 1978 – Т. 1. Колебания линейных систем/Под ред. В. В. Болотина. 1978. – 352 c.

33. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1949. – 520 с.

34. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1987. – 502 с.

35. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. – М.:Физматгиз, 1959 – 700 с.

Content

Константин Ефанов
Аппараты с перемешивающими устройствами

Введение

Расчет и проектирование валов

Расчет валов на резонанс по теории колебаний

Совместное действие поперечных и крутильных колебаний на вал

Расчет валов методом конечных элементов

Мешалки

Перемешивание без закручивания потока соосными мешалками

Расчет процесса перемешивания

Заключение

Литература