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