Разработка физической модели котла обезвоживания битума
Изготовление физической модели котла обезвоживания и нагревательных элементов велось с учетом необходимых и достаточных условий подобия:
- Геометрического подобия.
- Сохранение физической сути процесса обезвоживания.
- Подобия температурных полей на границах.
- Идентичности значений определяющего критерия Gr (Грасгофа) при свободном движении жидкости.
Для удовлетворения первого условия модель выполнялась геометрически подобной котлу обезвоживания со следующими техническими характеристиками:
- Тип агрегата — периодического действия.
- Тип нагревателей - электрический (ТЭНы).
- Габариты без учета теплоизоляции:
- длина - 6000 мм;
- диаметр - 2400 мм.
В целях удобства выполнения работ в лабораторных условиях с обеспечением заданных тепловых процессов выбран линейный масштабный фактор N=15. Габариты модели (без учёта теплоизоляции) составили: длина - 400 мм, диаметр - 160 мм.
При уменьшении линейных габаритов образца, в модели соответственно уменьшились в N2 = 225 раз площадь поверхности и в N3 = 3 375 раз объём.
Таким образом:
- площадь наружной поверхности модели равна:
Sповмод = 2 • 3,14 • 1602/4 + 3,14 • 160 • 400 = 241 152 мм2;
- площадь наружной поверхности образца (котла обезвоживания):
Sповoбp = 2 • 3,14 • 24002/4 + 3,14 • 2400 • 6000 = 54 259 200 мм2;
- отношение площадей наружных поверхностей:
Snoвобp / Sповмод = 54 259 200 / 241 152 = 225,
следовательно, условие выполняется.
При этом объём модели равен:
Vмод = 400 • 3,14 • 1602/4 = 8 038 400 мм3;
- объём образца:
Vобp = 6000 • 3,14 • 24002/4 = 27 129 600 000 мм3;
- отношение объёмов образца и модели:
Voбр/Vмод = 2 7 129600000 / 8 0 3 8 4 0 0 = 3 3 7 5,
условие выполняется.
Таким образом, первое условие подобия образца и модели - геометрическое подобие выполняется. Второе условия подобия — сохранение физической сути процесса обезвоживания выполнялось при обезвоживании в физической модели битума той же марки при аналогичных рабочих температурах. Третье условия подобия выполнялось подобием изотермических процессов в образце и модели, определяемых температурными полями, подводом тепловой энергии и тепловыми потерями.
Подобие температурных полей на границах в полном объёме осуществлялось подбором нагревателей и их расположением. Было необходимо, чтобы в модели, как и в образце, сохранялись скорость нагрева и обезвоживания битума. Для чего нагреватели в физической модели выполнялись геометрически и «термически» подобными нагревателям в котле обезвоживания с учетом линейного масштабного фактора N = 15. Характеристики нагревателей котла обезвоживания и физической модели приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики нагревателей котла обезвоживания и физической
Котел обезвоживания | Физическая модель | Масштабный фактор | |
Мощность нагревателей Pн, Вт | 189000 | 56 | N3 = 3375 |
Площадь поверхности нагрева Sп, м2 | 3 | 0,013333 | N2 = 225 |
Удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 | 30000 | 2000 | N3 = 15 |
Для изготовления нагревателей в физической модели котла обезвоживания использовалась нихромовая проволока диаметром d = 0,0006м. Длина проволоки для обеспечения необходимой площади нагрева составила
lп = SH/(Pi • d) = 0,01333/(3,14•0,0006) = 7,08 м.
Электрическое сопротивление проволоки составляет
где рнх = 1,2•10-6 Ом•м2/м - удельное сопротивление нихромовой проволоки.
Рабочее напряжение для обеспечения требуемой мощности определяется
а сила тока
/„ = UH/RH, А.
Рабочие напряжение и сила тока для возможных схем подключения нагревателей приведены в таблице 1.
Таблица 1. Схемы подключения нагревателей
При изготовлении секций нагревателей для физической модели котла обезвоживания с учетом характеристик источника питания был выбран вариант № 4 со следующими параметрами:
- мощность, Рн = 56 Вт;
- сопротивление, RH = 7,52 Ом;
- напряжение, Uн = 20,51 В;
- сила тока, IН = 2,73 А.
Изготовленные нагревательные элементы, подобно реально используемым на АБЗ ТЭНам, представляли собой деревянную основу с намотанной на неё нихромовой проволокой, рассчитанной длины и диаметра (рис. 1). Нагреватели крепили на основу имеющую ножки и устанавливали на дно модели двумя секциями (по три нагревателя в каждой секции).
Рис. 1. Секция нагревательных элементов в физической модели котла обезвоживания
Для полного соответствия тепловых процессов в модели и образце, поскольку температура поверхности нагревателя и самого битума сохраняются при масштабировании, также обеспечивалось подобие теплоизоляционных слоев. Для изоляции поверхности физической модели от потерь тепла был выбран слой, толщиной 5 см из стекловолокна идентичного применяемому в образце рабочего котла.
Четвертое условие - идентичность в образце и модели критерия Грасгофа, характеризующего теплоотдачу в условиях естественной конвекции и являющегося мерой отношения сил трения к подъёмной силе, определяемой разностью плотностей в различных точках потока, выполняется в случае свободного движения жидкости. Поскольку движение битума в котле обезвоживания и физической модели создается за счёт свободной конвекции при нагреве битума донными нагревателями подобной конструкции и мощности, то четвертое условие можно считать выполненным.
По результатам проведённых расчётов была изготовлена модель котла обезвоживания, фотографии которой представлены на рис. 2.
Рис. 2. Физическая модель котла обезвоживания на разных этапах изготовления
С целью контроля и возможности поддержания заданной температуры в физической модели была реализована система автоматического регулирования температуры, состоящая из измерителя-регулятора ТРМ1Щ1ТПР и термопары типа «хромель-алюмель», установленной в центральной части модели.