Влияние вибраций на вязкость и скорость разогрева битума

В целях выявления влияния поперечны колебаний греющих поверхностей теплообменника на пограничный слой и скорость распространения теплового фронта по поперечному слою битума, находящегося в зазорах теплообменника между его разделительными листами, параллельно проводились следования в лабораторной и опытно-промышленной установках. Эти исследования позволили оценить изменения различных параметров при нагреве битумов в стационарных условиях и с применением для их разогрева пульсирующих газов.

 

Температура битума Т, К	Динамическая вязкость битумов η, Па*с
МАРКА БИТУМА
БН-60/90	БН-70/30
До разогрева	После разогрева	До разогрева	После разогрева
УПГ	ЖТК	УПГ	Ж ТК
Средний температурный напор ∆Tn, град	Время нагрева τ, ч	Средний температурный напор ∆Tn, град	Время нагрева τ, ч
			55,8	56,3
		28,5		29,2
		17,3	17,58	17,8	19,6
	5,6	5,7	5,76	5,81	8,4	9,2	10,2			104,5
	1,5	1,53	1,55	1,59	1,73	2,92	3,2		51,5	51,9	52,4
	0,6	0,6	0,6	0,6	0,69	0,77	0,88	27,8	28,1	28,3	28,6	31,7
	0,18	0,2	0,2	0,2	0,21	0,23	0,26	3,58	3,61	3,65	3,7	4,1	4,5	5,16
Температура битума Т, К	Динамическая вязкость битумов η, Па*с
МАРКА БИТУМА
БН-60/90	БН-70/30
До разогрева	После разогрева	До разогрева	После разогрева
УПГ	ЖТК	УПГ	Ж ТК
Средний температурный напор ∆Tn, град	Время нагрева τ, ч	Средний температурный напор ∆Tn, град	Время нагрева τ, ч
	-	-	-	-	-	-	-	0,32	0,33	0,35	0,3	0,36	0,4	0,46
	-	-	-	-	-	-	-	0,12	0,12	0,13	0,15	0,14	0,15	0,17

 

 

Рис. 3.5 Влияние способа, времени разогрева и температурного напора на динамическую вязкость битума:

-о- до разогрева (1,4); --- разогрев в УПГ при ∆Tn=500^о (2)

- ∆- разогрев в ЖТК, τ=8ч (3,5)

 

На рис.3.6 представлены (при фиксированных значениях амплитуды А=0.0006м и частоты f=95Гц) кривые изменения температур греющего листа и слоёв битума, изменённых на уровне среднего сечения нагревающего устройства. Из анализа кривых можно следующий вывод: при фиксированных значениях А и f, при которых проводился данный эксперимент, в слоях битума, прилегающих к греющей стенке, вибрация оказывала малое влияние на изменение температуры во времени.

Физически это можно объяснить тем, что прилегающие слои битума образуют пограничный слой, в котором скорость вибрации в слое битума примерно такая же, как н скорость вибрации греющего листа. В слоях битума, удаленных от греющей поверхности, вследствие вибрации более интенсивными являются диффузионные процессы. Наличие внутренних механических воздействий жидкой фазы на твердую (внутренняя эрозия, вихревые перемещения и т,п.) способствует разрушению структуры битума и интенсифицирует тепломассообмен. И, наконец, в слоях битума, прилегающих непосредственно к неподвижной стенке, вследствие пограничного слоя, влияние вибрации мало эффективно.

На рис.3.7 приведены кривые, характеризующие изменения значений температур битума как при наложении колебаний на стенки теплообменника,. так и при отсутствии таковых. Ка кривых I и 2 показаны средние значения температур битума во времени на уровне среднего сечения греющей пластины по толщине слоя. То, что кривые I и 2 с достижением времени перехода битума в разжиженном состояние имеет тенденцию к взаимному сближению, объясняется особенностью жидкой среды, в которой процессы теплообмена менее подвержены влиянию вибрации.

 

 

Рис.3.6. Кривые изменения температуры слоёв битума, измеренных на уровне среднего сечения по толщине зазора, в лабораторных условиях:

- - - - - - без вибрации греющей стенки;

_____ с вибрацией греющей стенки.

Цифрами обозначены номера термопар, установленных на следующей расстоянии от греющей стенки: 1 – в стенке; 4 -3мм, 5-7 мм, 9- 27мм, 11 – 37мм, 12 – 40мм.

Рис.3.7. Изменение средневзвешенных температур битума, разогреваемого в лабораторных условия:

1 – изменение средневзвешенной температуры T при нагреве битума с наложением колебаний (А = 0,6мм, f = 95 Гц)

2- изменение средневзвешенной температуры при нагреве битума без вибрации;

3 - отношение средневзвешенных температур ε_т = Т₁/Т₂

4 – разность средневзвешенных температур ∆Т=Т₁-Т₂

В таблице 3.3, на рис.3.8 и рис.3.9 приведен экспериментальные данные изменения температур нагрева битума в опытно-промышленной установке УПГ. График кривых построен по значениям температур, снятых на уровне среднего сечения теплообменника по его длине и высоте.

Таблица 3.3.

Изменение средней температуры битума по проведённым опытам в УПГ на уровне среднего сечения теплообменника по толщине слоя в канале (без истечения битума из теплообменника)

Время τ, с	Температура Т, К
Расстояние слоёв битума от греющей поверхности в мм
δ1=0	δ2=0	δ3=2	δ4=5	δ5=10	δ6=15	δ7=20	δ8=25	δ9=30

Из графиков видно, что изменение температуры разогреваемого битума горячими пульсирующими газами во времени носит так же S - образный характер, как и при разогреве его в лабораторной установке c наложением вибраций. То есть температурное поле во всех слоях нагреваемого битума изменяется не плавно, a как бы раскачивается c различной интенсивностью подобно волновым явлениям. Однако в УПГ нарастание температур во всех слоях массива битума носит более равномерный характер. Это объясняется уменьшением пограничного слоя и термосопротивления, большим температурным напором,. увеличенным коэффициентом теплопередачи, более равномерным распределением колебаний по массе битума.

Рис. 3.5. График изменения битума в УПГ на уровне среднего сечения теплообменника: цифрами обозначены номера термопар, а в скобках их расстояние в мм до греющей поверхности

 

Рис.3.9. Изменение температуры битума на уровне среднего сечения теплообменника в зависимости от удаления от греющей поверхности(без истечения битума из теплообменника)

 

Представленные графики изменения температуры нагреваемого битума во времени и в объёме с вибрациями греющих стенок без вибрации получены впервые. Имеющиеся литературные данные не дают нестационарных температурных полей в разогреваемой массе битума при воздействии колебаний. Полученные экспериментальные данные чётко фиксируют интенсификацию теплообмена при наложении на теплообменные системы вибраций, характерных при работе устройств пульсирующего горения. Этим, в частности, объясняется высокая производительность термических разжижителей с пульсирующим горением.

Ошибка измерения температуры составила 6,7 %, что допустимо для инженерных расчетов. Кроме того, выявлено и исследовано влияние вибрации на вязкость нагретых битумов в зависимости от способа нагрева. Из графика рис.3.I0, таблицы 3.4 видно, что битумы, нагретые в УПГ, в сравнении с нагревом в ЖТК имеют вязкость при одинаковых температурах в среднем на 15…40% ниже. Объясняется те, что разрушение структуры битума происходило за счёт одновременного воздействия механических и тепловых факторов. При этом битумы, нагретые в УПГ, в процессе различных технологических операций более длительное время оставались с пониженной вязкостью в разжиженном состоянии. Погрешность составила 4,2%.

Таблица 3.4 Влияние вибрации на динамическую вязкость битумов (Па•с)

 

Температура битума Т,К	Разогрев битума марки
БН-60/90	БН-70/30
УПГ	ЖТК	УПГ	ЖТК
∆Тn=300о	τ=4ч	∆Tn=300о	Τ=4ч
	0,36
	0,14
	-	-	0,4	0,42

 

 

Рис.3.10. Влияние на динамическую вязкость битумов в зависимости от способа разогрева:

-∆- в ЖТК; -о- в УПГ