Browsing by Author "Атаманюк, Володимир Михайлович"

Now showing 1 - 3 of 3

Гідродинаміка і тепломасообмін під час фільтраційного сушіння дисперсних матеріалів
(Національний університет "Львівська політехніка", 2007) Атаманюк, Володимир Михайлович
Дисертація присвячена теоретичним та експериментальним дослідженням гідродинаміки, динаміки і кінетики фільтраційного сушіння дисперсних матеріалів. Отримані критеріальні рівняння для опису гідродинаміки фільтраційного сушіння на основі внутрішньої задачі гідродинаміки, доповненої геометричним симплексом, що характеризує зовнішню задачу. На основі експериментальних досліджень отримані критеріальні залежності для визначення коефіцієнтів тепло- і масовіддачі і встановлена аналогія між зовнішнім теплообміном і масообміном. Розроблені математичні моделі, які описують процес фільтраційного сушіння дисперсних матеріалів і дають змогу прогнозувати енергетичні затрати під час проектних розрахунків нового сушильного обладнання. Запропоновано чотири типи сушильних установок, які враховують кінетичні і фізико-механічні властивості дисперсних матеріалів. Основні результати передані для впровадження у виробництво мінеральних добрив, збагачення кам’яного вугілля та у навчальний процес.Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям гидродинамики, динамики и кинетики фильтрационной сушки дисперсных материалов. На основании всестороннего анализа формы, структурного строения и механических свойств отдельных частиц и слоя дисперсного материала предложена их классификация как объектов фильтрационной сушки. Предложенная классификация позволила целенаправленно проводить теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики, кинетики и динамики фильтрационной сушки дисперсных материалов. Исходя из предложенной классификации для экспериментальных исследований выбрано восемь объектов сушки (каменный уголь, фрезерный торф, средне- и крупнозернистый песок, кофейный шлам, осажденный и гранулированный полиакриламид, технический гранулированный углерод, гранулированный аммофос и суперфосфат) фильтрационным методом. Проведены исследования гидродинамики фильтрации газового потока сквозь стационарный слой дисперсного материала в направлении “слой дисперсного материала – перфорированная решетка”. Для обобщения экспериментальных данных использовали метод теории подобия для внешней и внутренней задач гидродинамики с целью их сравнения. Определено, что решающее влияние на потери давления имеет эквивалентный диаметр каналов, а общие потери в пласте влажного материала во время сушки состоят из потерь давления в высушенной зоне и в слое влажного материала. Сравнительный анализ описания гидродинамики фильтрационной сушки на основе теории внутренней и внешней задачи выявил наилучшую адекватность при использовании критериальных уравнений внутренней задачи с геометрическим параметрами внешней. В результате обобщения многочисленных экспериментальных данных установлены новые неизвестные прежде закономерности фильтрационной сушки дисперсных материалов, которые расширили знания о ее природе и характере. Установлено существование пяти этапов фильтрационной сушки дисперсных материалов, которые различаются между собой интенсивностью удаления влаги (механическое вытеснение свободной влаги, сушка только в первом периоде, одновременное существование первого и второго периодов сушки, сокращение высоты фронта первого периода до нуля, сушка только во втором периоде). Теоретически рассчитана высота существования фронта первого периода и показана ее зависимость от интенсивности тепло- и массообмена между тепловым агентом и поверхностью частиц дисперсного материала. Доказано независимость интенсивности фильтрационной сушки от высоты слоя дисперсного материала. На основании результатов экспериментальных исследований получены критериальные зависимости для определения коэффициентов тепло- и массоотдачи, установлена аналогия между внешним теплообменом и масообменом. Предложена физическая модель распределения влаги внутри твердой частицы и механизм сушки дисперсных материалов во втором периоде на основании процесса масообмена с подвижной внутренней границей фаз и получена теоретическая зависимость, которая позволяет определить коэффициенты внутренней диффузии на основании экспериментальных данных. Выявлено формальное влияние внешней гидродинамики на коэффициент внутренней диффузии. Исследована динамика тепломассообмена для первого и второго периодов сушки дисперсных материалов. Разработаны математические модели, которые описывают динамику процесса фильтрационной сушки дисперсных материалов в первом и втором периодах, которые позволяют теоретически определить поля температур и влагосодержания высушиваемого материала, скорость параллельного переноса зоны сушки, а также время формирования фронта влагосодержания. На основании обобщений экспериментальных и теоретических исследований предложены четыре типа сушильных установок (барабанного, ленточного и скребкового типов), которые учитывают физико-механические свойства дисперсных материалов. Определены оптимальные технологические параметры теплового агента, предложена методика расчета основных конструктивных размеров сушильных установок и энергетических затрат на процесс сушки, позволяющие прогнозировать целесообразность применения фильтрационной сушки для конкретного материала. Основные результаты переданы для внедрения в производство минеральных удобрений, для сушки обогащенного каменного угля и в учебный процесс.The dissertation is dedicated to theoretical and experimental investigation of hydrodynamics, dynamics and kinetics of filtration drying of dispersion materials. The criterial equations for dissertation of hydrodynamics of filtration drying based on inner hydrodynamics task and completed geometrical simplex, that describes external task are received. On base of experimental investigations the criterial dependences for determination of heat-and-mass transfer are received and the analogy between external heat transfer and mass transfer is determined. The mathematical models, which describe the process of filtration drying of dispersion material, are enable to foresee the energetic losses during project calculations of new drying equipment are developed. Four types of drying equipment, which conclude kinetical and physical and mechanical properties of dispersion material, are proposed. The main results are passed for introduction in production of mineral fertilizers, for enriching of coal and in education process.
Закономірності фільтраційного сушіння органічної сировини для виготовлення альтернативного палива
(Національний університет "Львівська політехніка", 2018) Госовський, Роман Романович; Атаманюк, Володимир Михайлович; Національний університет «Львівська політехніка»; Білей, Петро Васильович; Ляпощенко, Олександр Олександрович
Дисертаційна робота присвячена дослідженню основних закономірностей фільтраційного сушіння подрібнених стебел соняшника, зокрема, гідродинаміки, тепломасообміну, внутрішньодифузійних процесів перенесення вологи та кінетики зневоднення для подальшого брикетування та отриманням альтернативного палива. Визначено основні фізико-механічні характеристики шару подрібнених стебел соняшника, а саме: насипну, уявну, істинну густини; загальну пористість, внутрішню пористість частинок, порізність шару; питому поверхню; еквівалентний діаметр каналів, крізь які фільтрується тепловий агент. На основі узагальнення результатів досліджень, запропоновано рівняння в безрозмірній формі для опису гідродинаміки стаціонарного шару подрібнених стебел соняшника, а також визначений коефіцієнт гідравлічного опору цього шару, що дає змогу прогнозувати енергетичні затрати на процес фільтраційного сушіння використовуючи рівняння Дарсі-Вейсбаха. Отримано критеріальні рівняння, які дають змогу визначати коефіцієнти тепловіддачі від теплового агенту до стаціонарного шару сухих та вологих подрібнених стебел соняшника, а також коефіцієнти масовіддачі. Встановлено залежність коефіцієнта ефективної внутрішньої дифузії вологи в навколишнє середовище від температури для зовнішніх та внутрішніх тканин подрібнених стебел соняшника. На основі експериментального дослідження кінетики фільтраційного сушіння подрібнених стебел соняшника за різних висот шару, швидкості фільтрування та температури теплового агенту встановлено раціональні параметри процесу, за яких затрати на висушування будуть найменшими. Визначено оптимальний кінцевий вологовміст подрібнених стебел соняшника за якого корисна різниця між затратами на фільтраційне сушіння вологої сировини та калорійністю паливних брикетів становитиме приблизно 8,84 – 8,86 МДж/кг сух.м. Основні фізико-механічні характеристики експериментальної партії паливних брикетів з подрібнених стебел соняшника а саме: щільність, міцність на згинання, стирання та скидання відповідають вимогам ДСТУ EN 15234-2:2013 Порівняльний аналіз ефективностей висушування подрібнених стебел соняшника фільтраційним методом та сушінням в обертовому сушильному барабані показав, що використання установки фільтраційного сушіння дасть змогу зекономити 847,5 кВт год на 1000 кг паливних брикетів. Розроблена принципова схема установки фільтраційного сушіння подрібнених стебел соняшника, яка захищена патентом України №115284 на корисну модель та розроблено методику її розрахунку. The dissertation is devoted to the research of the filtration drying basic regularities of the crushed sunflower stems, in particular, hydrodynamics, heat transfer, internal diffusion processes of moisture transfer and kinetics of dehydration for further briquetting and obtaining alternative fuel. The analysis of available literature sources showed that the processes of heat and mass transfer during the filtration drying of organic raw materials were insufficiently studied, therefore, experimental and theoretical studies of organic materials drying are actual problems. The basic physical and mechanical characteristics of a layer of crushed sunflower stems are determined, such as: bulk, apparent, true densities; total porosity, internal porosity of particles, porosity of the layer; specific surface area; the equivalent diameter of the channels through which the thermal agent is filtered. On the basis of the generalization of the research results, the equation in the dimensionless form for the description of the hydrodynamics of the stationary layer of crushed sunflower stems has been proposed, as well as the hydraulic resistance coefficient of this layer has been determined, which allows to predict the energy costs for the filtration drying process using the Darcy-Weisbach equation. Criterion equations have been obtained to determine the coefficients of the heat transfer from the thermal agent to the stationary layer of dry and wet crushed sunflower stems, as well as the coefficients of the mass transfer. The process of diffusive mass transfer during crushed sunflower stems drying of prismatic and round shapes particles has been mathematically described. The temperature effect on effective internal diffusion coefficient has been examined for external and internal tissues of crushed sunflower stems. The deduced equations allow to calculate theoretically the effective diffusion coefficients for the crushed sunflower stems within temperature range of 293‒373 K. On the basis of the experimental study of the kinetics of the filtration drying of crushed sunflower stems at different heights of the layer, the filtration rate and the temperature of the heat agent, rational parameters of the process have been determined in view of reducing energy costs for drying and obtaining the high quality raw material for the alternative fuel production. The optimum final moisture content of crushed sunflower stems has been determined in view of the maximum difference between the costs of the filtration drying of raw materials and the caloricity of fuel briquettes. The basic physical and mechanical characteristics of the fuel briquettes experimental batch such as density and strength are complaing with the requirements of DSTU EN 15234-2:2013. A comparative analysis of drying effectiveness by filtration method and by drying in rotary drying drum has shown that the use of a filtration drying plant will save 847,5 kWh per 1000 kg of fuel briquettes. The recommendations and conclusions that allow to simulate the process of the filtration drying during to develop of the new high-efficiency energy saving equipment for the production of solid biofuels from sunflower waste have been developed and substantiated. The scheme of the filtration drying installation for crushed sunflower stems has been protected by the patent of Ukraine №115284.
Масообмін у процесах розчинення у шарі дисперсного матеріалу
(Національний університет "Львівська політехніка", 2019) Данилюк, Олег Михайлович; Атаманюк, Володимир Михайлович; Національний університет «Львівська політехніка»; Ведь, Валерій Євгенович; Артюхов, Артем Євгенович
Розчинення твердих полідисперсних матеріалів є складним технологічним, тепло- і масообмінним процесом. Апарати для розчинення є громіздкими, а сам процес вимагає, окрім енергетичних, значних капітальних затрат. Тому, на сучасному етапі розвитку багатьох галузей промисловості в Україні існує потреба інтенсифікації процесів розчинення, створенні, розробленні високоефективних та екологічно безпечних технологій і обладнання. Одним із перспективних методів інтенсифікації розчинення твердої полідисперсної фази є проведення процесу в умовах барботування системи стиснутим повітрям. Інтенсифікація процесу відбувається завдяки інтенсивному переміщенню бульбашок по об’єму апарату, їх розтріскуванню та постійному омиванні твердих частинок рідиною. В роботі наведено теоретичні та експериментальні дослідження гідродинаміки, кінетики та тепломасообмінних процесів для використання науково обґрунтованих параметрів проведення процесу розчинення з використанням енергії стиснутого повітря. На основі аналізу джерел літератури сформовано мету і завдання досліджень. Представлено основні фізичні характеристики полідисперсної суміші бензойної кислоти та неорганічних солей, опис експериментальної установки для дослідження гідродинаміки та тепломасообмінних процесів під час розчинення вказаних дисперсних матеріалів, методики визначення основних фізико-механічних характеристик досліджуваних матеріалів. Представлено результати експериментальних досліджень руху бульбашки стисненого повітря у водному розчині, в апараті для розчинення під час пневматичного перемішування. Встановлено, що додавання хімічно інертних перемішуючих додатків позитивно впливає на кінетику процесу розчинення полідисперсної суміші, знижуючи його тривалість і, відповідно, енергозатрати, за рахунок часткового запобігання винесенню твердої фази у шар піни. Також визначено гранично допустиму економічно обґрунтовану витрату, за якої зберігається інтенсивний масообмін твердої фази з рідкою. На основі експериментальних досліджень та обчислених даних встановлено значення коефіцієнта масовіддачі під час розчинення полідисперсної суміші бензойної кислоти за різних витрат повітря і узагальнено залежність коефіцієнта масовіддачі від концентрації розчину з достатньою для практичних розрахунків точністю. Порівняння розрахованих значень коефіцієнтів масовіддачі з експериментально визначеними показало їх задовільне співпадіння для застосування отриманих розрахункових залежностей на практиці. Визначено коефіцієнт молекулярної дифузії під час розчинення за умов пневматичного перемішування розчину. Основні результати роботи передані для впровадження у виробництво та в навчальний процес. The dissolution of solid polydisperse materials is technologically complicated heat and mass exchange process. In major cases, it is related to the high energy consumption and complicated process of interphase diffusion interaction of substances in the liquid – solid phase system. Its efficiency highly influences the cost of products. From the other side, the solid body dissolution processes, which occur in the diffusion area, can be determined by laws of molecular and convective diffusion. Each interaction during dissolution is accom-panied by the proper heat effect, which can’t be neglected, as such mass exchange continuously connected with heat and mass exchange. Dissolution apparatuses have big sizes, and the process require big capital expenses additionally to energy. In the initial stages dissolu-tion occurs in non-stationary conditions. Thus, on the modern stage of development of many industrial branches of Ukraine there exists the necessity of dissolution processes intensifi-cation, creation and development of highly effective and ecologically safe technologies and equipment for their realization. The selection of method, optimal mode, and dissolution apparatus construction refers to specificities of technological processes and properties of dissolution materials, and should ensure the conservation of their qualitative features and minimal energy consumption. Among the perspective methods of intensification of solid polydisperse phase dissolution is process fulfilment in conditions of bubbling of system by compressed air. Process intensification occurs due to intensive mixing of bubbles in the apparatus volume, their cracking and continuous washing of solid particles by liquid. The solvent with low concentration of component is constantly supplied into the surface of the diffusion area with the high solid phase concentration, with the formation of high concentration gradient. Thus, there creates nonstationary conditions of intensive mass exchange, which characterizes by high values of mass transfer coefficients. Additionally, the application of compressed air for solution mixing allow excluding of shortcomings, which refers to application of mechanical mixing devices. System bubbling allow also maintaining of stable temperature of solution, as heat, which emits from the system, transfers out of the dissolution zone. Based on the critical analysis of literature sources on the main methods of solid disperse materials dissolution, it was determined that dissolution during bubbling of solution by compressed air is insufficiently investigated. In the research it was proved that the present theoretical and experimental investigations of hydrodynamics, external and internal mass exchange is insufficient for wide industrial application of such method of benzoic acid dissolution and apparatus for such processes, namely for dissolution of solid polydisperse materials during pneumatic mixing. In the research there are presented theoretical and experimental investigations of hydrodynamics, kinetics, and heat and mass exchange processes for using of scientifically proved parameters of dissolution processes fulfilment with using of compressed air energy. Based on the analysis of literature sources there were formed goal and tasks of the investigation. In the current research there presented characteristics of polydisperse mixture of benzoic acid, description of experimental laboratory stand for investigation of hydrodynamics, heat and mass transfer processes during dissolution of disperse materials, methods of determination of main physical and mechanical properties of investigated materials, namely porosity, specific surface, bulk density, fractional content, averaged diameter of polydisperse mixture. Additionally, there was performed measuring error estimate. There were represented results of experimental investigations of compressed air bubble motion in water solution inside the apparatus of for dissolution during pneumatic mixing. There was determined the separation sizes of bubbles in conditions of quasistatic air flow from the bubbler and calculated their motion velocity during upward movement in solution. There was determined the energy distribution in apparatus for dissolution during pneumatic mixing of solution in the range of quasistatic mode of motion, and determined optimal and economically feasible compressed air consumption for process execution. In addition, con-sidering the research results generalization it was proved the independency of coefficient of mass deduction from diameter of particles during the dissolution in the gas-liquid flow of solvent. There was performed the theoretical calculation of dissolution of polydisperse phase based on the kinetic process regularities, and show satisfactory coincidence of theoretical results and experimental data. It was determined, that adding of chemically inertial mixing additives positively influences on the polydisperse mixture dissolution process kinetics, reducing its duration and, correspondingly, energy consumption, by means of the partial avoiding of solid phase displacement into foam layer. Also, it was determined the maximum permissible economically feasible consumption, by which preserves intensive mass ex-change between solid and liquid phase. Based on the experimental investigations and calculated data it was determined the value of mass deduction coefficient during dissolution of polydisperse mixture of benzoic acid on various compressed air consumption, and generalized the dependency of mass de-duction coefficient from the solution concentration with sufficient for practical calculations precision. There was received the calculated dependency for Sherwood criteria determination, which allow determination of coefficients of mass deduction depending on the hydrodynamic mode, during which the process is fulfilled. The comparison of calculated values of mass deduction coefficients with experimentally determined values reveal their satisfactory coincidence for application of practically received calculated dependencies. There was determined coefficient of molecular diffusion during dissolution in conditions of pneumatic solution mixing.