ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ПРИМЕНЕНИЕ БИТУМНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ 10
1.1 Области применения битумных эмульсий 10
1.2 Машины и оборудования для приготовления битумных дисперсных систем 21
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ БИТУМА И БИТУМНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ 25
2.1. Реологические модели несжимаемых жидкостей 25
2.2. Уравнения движения вязкой жидкости 34
2.3. Численные методы решения уравнений течения вязкой жидкости 36
2.4. Установившееся течение неньютоновской жидкости в канале 41
2.5. Верификация математической модели 47
2.6. Численное исследование гидродинамики и теплообмена сильновязкой 51 ньютоновской жидкости
2.7. Численное исследование течения закрученного потока 64 псевдопластической жидкости
2.8. Исследование смешения коаксиальных закрученных потоков вязкой 75 жидкости
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ, ДИСПЕРГИРОВАНИЯ И КАВИТАЦИИ В КАВИТАЦИОННО-СМЕСИТЕЛЬНОМ ДИСПЕРГАТОРЕ 83
3.1 Механика вихревого движения жидкости 83
3.1.1 Кинематика завихренного движения жидкости 83
3.1.2 Динамика завихренного движения идеальной жидкости 84
3.1.3 Колоннообразные вихри в идеальной жидкости 86
3.1.4 Динамика завихренного движения вязкой ньютоновской жидкости 90
3.1.5 Модели вязких вихрей 91
3.2 Теоретическое исследование процесса кавитации 94
2
3.3 Динамика одиночной парогазовой полости 101
3.4 Устройства и оборудование для изучения возникновения кавитации 109
3.4.1 Лабораторная установка 109
3.4.2 Исследование влияния расхода жидкости на вихревое движение в кавитационно-смесительном диспергаторе 112
3.5 Математическое моделирование структуры течения в КСД 118
3.6 Исследование процесса модификации битума в КСД 126
3.7 Численное исследование процесса кавитации в КСД 133
3.8 Физико-математическая модель теплообмена и распада турбулентной
струи в спутном закрученном потоке 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 160
3
ВВЕДЕНИЕ
Долговечность и надежность асфальтобетонных покрытий напрямую связаны с качеством битумного вяжущего, применяемого для приготовления асфальтобетонных смесей и других битумных дисперсных систем, используемых в дорожном строительстве.
Изменчивые от субтропического до резко-континентального климата условия строительства и эксплуатации автомобильных дорог в России накладывают определенные требования к битумным вяжущим или битумным дисперсным системам, применяемым в определенном районе или объекте строительства.
В России нефтеперерабатывающие заводы (ППЗ) выпускают в основном окисленные битумы, которые подвержены более интенсивному старению, под воздействием погодно-климатических факторов, что приводит к преждевоеменному разружению асфальтобетонных покрытий и дополнительным затратам на их восстановление.
Поэтому для повышения качественных показателей дорожных битумов приходится применять различные добавки: адгезионные присадки,
пластификаторы, полимерные добавки и другие для получения новых модифицированных вяжущих, отвечающих требованиям дорожной отрасли. С технологической точки зрения это приводит к усложнению процесса подготовки модифицированного вяжущего, установке дополнительного оборудования и дополнительным затратам.
Еще одним очень важным фактором приготовления модифицированных вяжущих является получение их однородности. В настоящее время за рубежом и в России созданы эффективные с различной производительностью установки для приготовления битумных дисперсных систем - битумных эмульсий, модифицированных битумов, которые имеют ряд недостатков: высокую
стоимость и сложное оборудование в эксплуатации.
Создание эффективного оборудования и простого технологического процесса приготовления нового битумного вяжущего или битумных дисперсных систем на основе дорожных битумов, выпускаемых IШЗ, является приоритетной задачей.
4
К настоящему времени накоплен экспериментальный материал, и имеются многочисленные полуэмпирические зависимости для расчета течения неньютоновских сред в технологических устройствах. Эти корреляции получены путем обработки экспериментальных данных, а также с помощью упрощенных инженерных моделей. Однако в настоящее время возможности инженерных методов расчета и проектирования аппаратов, обеспечивающих высокие технологические показатели, практически исчерпаны.
Таким образом, разработке практических рекомендаций по оптимизации работы технологических устройств должно предшествовать обстоятельное теоретическое исследование структуры течения и процессов модифицирования битумно-дисперсных систем в технологических устройствах.
Поэтому комплексное рассмотрение влияния гидродинамических и тепловых факторов на течение и смешение в турбулентных закрученных потоках, процессы дробления турбулентных струй и возникновение кавитационных зон представляет достаточно сложную и в связи с практическими потребностями актуальную задачу.
Для создания модели движения битумно-дисперсных систем в трубах и каналах, а также для определения характеристик битумных эмульсий, получаемых в технологических устройствах, требуется понимание физических причин поведения вязких жидкостей в сложных гидродинамических условиях. При этом возникает необходимость рассмотрения следующих процессов:
• исследование гидродинамики и теплообмена сильновязкой ньютоновской жидкости;
• исследование течения закрученного потока псевдопластической жидкости; исследование смешения коаксиальных закрученных потоков вязкой жидкости;
• экспериментальное изучение возникновения кавитации;
• исследование структуры течения, процессов смешения, диспергирования и кавитации в кавитационно-смесительном диспергаторе (КСД).
Целью настоящей работы является
• исследование транспортирования жидкости и битумных дисперсных систем в трубах и каналах;
5
• физическое и математическое моделирование процесса получения битумных дисперсных систем способом кавитационно-смесительного диспергирования;
• разработка энергосберегающих технологических процессов, применяемых в дорожном строительстве, на основе проведенных исследований.
Для выполнения этих целей необходимо решить следующие задачи:
• провести анализ существующих битумных дисперсных систем, области их применения;
• осуществить анализ машин и оборудования для приготовления битумных дисперсных систем;
• выбрать основные математические модели для проведения исследований;
• проверить адекватность математических моделей движения жидкостей в трубах и каналах
• провести исследования движения битума и битумных дисперсных систем в трубах и каналах;
• осуществить исследование процесса смешения, диспергирования и кавитации в кавитационно-смесительном диспергаторе.
Осуществление этих задач предполагает:
• исследование структу-ры течения и процессов смешения закрученных потоков сильновязких ньютоновских жидкостей в цилиндрическом канале;
• исследование влияния исевдоиластических свойств жидкости на структуру закрученного течения в канале;
• разработку и изготовление устройств и оборудования для изучения возникновения кавитации в лабораторных условиях;
• исследование влияния расхода жидкости на вихревое движение в кавитационно-смесительном диспергаторе;
• экспериментальное исследование возникновения кавитации в кавитационно-смесительном диспергаторе;
• создание физико-математической модели модифицирования битумно-дисперсных систем в технологических системах с учетом процессов диспергирования и кавитации;
6
• численное исследование структуры течения в кавитационно-смесительном диспергаторе;
• разработка теоретических основ производства битумно-дисперсных систем;
• создание по результатам проведенных исследований конструкции кавитационно-смесительных диспергаторов для приготовления различных битумных дисперсных систем;
• разработка но результатам проведенных исследований энергосберегающей технологии для приготовления битумных пен, битумных эмульсий и модифицированных битумов.
Методическая часть работы базируется на основополагающих физических идеях и математическом аппарате современной гидродинамики многофазных сред, реологии и теории турбулентности.
11ри анализе всех рассматриваемых вопросов предпочтение отдается применению численных методов исследования. Стремление к численному решению задач обусловлено необходимостью учета множества важных нелинейных факторов, желанием иметь возможность прогнозирования поведения системы во всем объеме многомерного пространства параметров.
В результате выполненного исследования удалось установить механизм влияния закрутки на течение псевдопластической жидкости в цилиндрическом канале, процессы смешения коаксиальных закрученных струй. Проведено экспериментальное исследование влияния расхода жидкости на вихревое движение в кавитационно-смесительном диспергаторе. Разработана математическая модель модифицирования битумно-дисперсных систем с учетом процессов диспергирования и кавитации.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами
тестирования численной процедуры на известных точных решениях, сравнением с
известными результатами других авторов, как численными, так и
экспериментальными.
В настоящей работе проведен анализ существующих способов и технологий
приготовления битумных дисперсных систем, а также предложены новые
эффективные и простые принципы и технологии их получения способом
7
кавитационно-смесительного диспергирования с учетом математического моделирования для каждог о определенного вида технологического процесса.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, и списка библиографических источников.
В первой главе приводится классификация битумно-дисперсных систем, обсуждается их применение в дорожном строительстве, приводятся сведения о машинах и оборудовании, используемых для приготовления битумных дисперсных систем.
Вторая глава посвящена анализу моделей вязких жидкостей и рассмотрению установившегося течения неньютоновских жидкостей в трубах. В этой главе формулируется математическая модель, обсуждаются особенности ее численной реализации, а также проводится верификация численного метода. Кроме того, во второй главе исследуются особенности течения и характеристики тепломассопереноса и смешения турбулизированной сильновязкой ньютоновской и псевдопластической жидкости при течении в охлаждаемом канале как в прямоточном, так и закрученном потоках.
В третьей главе описана лабораторная установка для исследования процесса кавитации, а также приводятся результаты экспериментальных исследований. Проведенные исследования позволили определить влияние расходных характеристик на форму вихревого движения, условия возникновения кавитационных пузырьков и их охлопывания. Проведено математическое моделирование структуры течения и модификации битумно-дисперсных систем в кавитационно-смесительном диспергаторе. Также приводятся результаты математического моделирования процесса кавитации в КСД, процесса дробления закрученной струи и формирования водно-битумной эмульсии.
В четвертой главе обсуждены вопросы применения кавитационносмесительных диспергаторов в промышленных установках и устройствах для приготовления битумных дисперсных систем.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.
Выполненное исследование позволяет достаточно полно определить особенности течения и смешения закрученных потоков сильновязких ньютоновских и неньютоновских сред в трубах и каналах, исследовать структуру течения и процессы модифицирования битумно-дисперсных систем в кавитационно-смесительных диспергаторах.
Положения, выносимые на защиту :
1 Закрутка потока в псевдопластических средах приводит к уменьшению эффективной вязкости, что обеспечивает большую протяженность зоны возвратных течений, при этом при одном и том же числе Россби интенсивность рециркуляции тем больше, чем меньше показатель нелинейности.
2 Наибольшего качества смешения коаксиальных потоков ньютоновских жидкостей можно добиться с помощью организации в потоке рециркуляционной зоны, в которую будут вовлечены оба потока. Наилучший достигается при совместной сонаправленной закрутке.
3 Использование кавитационно-смесительного диспергатора при осуществлении процессов модифицирования дорожных битумов жидкими или разогретыми до жидкого состояния добавками позволяет получить однородный модифицированный битум при оптимальных температурах с минимальными энергетическими затратами.
4 Способ кавитационно-смесительного диспергирования позволяет получить однородную смесь на выходе из кавитационно-смесительного диспергатора. Низкие температуры при модифицировании битумов не создают условий для преждевременного их старения и изменения свойств нового вяжущего.
5 Температура жидкости является одним из основных факторов, влияющих на формирование кавитационой зоны. С увеличением температуры жидкости кавитационная зона распространяется вниз по потоку, занимая достаточно большую часть КСД. Это способствует формированию битумной эмульсии с улучшенными свойствами.
9
1 ПРИМЕНЕНИЕ БИТУМНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
1.1 Области применения битумных дисперсных систем
Возрастающие потребности в развитии транспортных сетей дорожной отрасли требуют значительного количества вяжущих материалов для нежестких покрытий автомобильных дорог.
Долговечность и надежность асфальтобетонных покрытий напрямую связаны с качеством вяжущего [1-14]. При этом невсегда оправдан применение в качестве вяжущего чистыого дорожного битума. Поэтому для повышения качества дорожного строительства необходимо применять битумные дисперсные системы с учетом региональных условий эксплуатации автомобильных дорог [15-19].
Битумные дисперсные системы представляют три основных вида [1] (рис. 1.1):
• битумные эмульсии (БЭ);
• битумные пены (Б11);
• модифицированные битумы различными адгезионными присадками и полимерами (БМ).
1.1.1 Битумные эмульсии
Битумная эмульсия - дисперсная система, состоящая из двух взаимно нерастворимых жидкостей. Одна из них дисперсная фаза (тонко измельченный диспергированный битум), которая находится в другой среде (водной среде с поверхностно-активными веществами, ПАВ).
Битумная эмульсия как дисперсная система обладает рядом положительных свойств, большим спектром области применения в дорожном строительстве [20-26] рис. 1.1. Би тумные эмульсии могут применяться:
• для подфунтовки оснований из щебеночных и асфальтобетонных материалов;
• холодного рисайлинг старых асфальтобетонных покрытий;
10
Рис. 1.1. Области применения битумных дисперсных систем
• приготовления холодных эмульсионно-минеральных смесей для устройства оснований и ремонта покрытий автомобильных дорог;
• приготовления различных ремонтных паст для заделки трещин покрытий;
• обеспыливания щебеночных и гравийно-песчаных покрытий автомобильных дорог;
• закрепления откосов земляного полотна;
• гидроизоляции гидротехнических сооружений на автомобильных дорогах и объектах гражданского строительства.
Применение битумных эмульсий (далее БЭ) в практике как отечественного, так и зарубежного дорожного строительства известно давно [20, 22, 26]. Вместе с тем до середины 90 х годов отсутствие производительных механизмов для приготовления БЭ и серийно выпускаемых эмульгаторов со стабильными свойствами создавало технологические препятствия для широкого применения технологий дорожного строительства с применением БЭ в России и в частности в Томской области. В процессе интеграции России в
11
мировой рынок дорожно-строительные организации (особенно в Европейской части РФ) начали приобретать импортные эмульгаторы, битумноэмульсионные установки и механизмы для устройства шероховатой поверхностной обработки слоев износа из литых эмульсионных смесей типа „81ап8П1“. Опыт реализации данных технологий показал их высокую эффективность при ремонте и содержании автомобильных дорог.
В Томской области в силу ряда объективных и субъективных причин применение БО в практике дорожного строительства начали осваивать недавно. Вместе с тем основная сеть автомобильных дорог Томской области с асфальтобетонным покрытием имеет большой срок службы и требует мероприятий, которые бы обеспечили увеличение срока службы без проведения капитального ремонта (замены или укладки нового слоя покрытия), ямочный ремонт, устройство широховатой поверхностной обработки.
Приблизительно треть сети дорог имеют переходный тип покрытия представленных конструкцией дорожной одежды серповидного профиля из гравийно-песчаных смесей, которые требуют обеспыливания, особенно на участках прохождения по населенным пунктам и участках с затрудненными условиями для обеспечения безопасности движения.
Значительная часть реконструируемых участков автомобильных дорог путем устройства усовершенствованного покрытия из горячих асфальтобетонных смесей имеют низкую интенсивность движения. На них в качестве покрытия могли бы быть использованы слои из эмульсионноминеральных смесей, устраиваемых в холодном состоянии.
Строительство «Северной широтной дороги» потребует значительного объема материалов для создания конструктивных слоев дорожных одежд, которые могут быть получены из местных песков, укрепленных БЭ, что значительно сократит затраты на транспортирование каменных материалов.
Проведение ямочного ремонта, особенно в холодное время года на влажном покрытии, также возможно при использовании эмульсионноминеральных смесей и СВЧ разогрева.
12
Как видно из вышеизложенного, решение всего спектра проблем, связанных с содержанием, ремонтом и даже строительством покрытий на основе дорожных битумов, возможно при использовании технологий с применением эмульгированного битума или БЭ.
Кроме того, битумные эмульсии могут применяться: для устройства грунтовых дорог; подгрунтовки при укладке и ремонте асфальтобетонных покрытий; укрепления и обеспыливания щебеночных и гравийных покрытий на автомобильных дорогах с переходным типом покрытия [21-23].
Применение битумных эмульсий в дорожном строительстве во многих случаях имеет ряд преимуществ перед неэмульгированным битумом.
Перевод битума в состояние водной эмульсии является технологическим приемом, который обеспечивает снижение его вязкости без разогрева и возможность нанесения на влажный каменный материал, создавая хорошую адгезию (прилипание).
В связи с этим при розливе БЭ, например, при устройстве ШПО отпадает
о
необходимость нагревать битум до температуры 150 - 160 С и поддерживать ее в течение процесса. Данное обстоятельство имеет рад преимуществ. Во-первых, не происходит старения вяжущего от воздействия высокой температуры. Вовторых, розлив может производиться небольшими захватками с остановкой и хранением БЭ на месте производства работ.
Приготовление битумно-минеральных смесей на БЭ также не требует разогрева вяжущего. Более того, отпадает необходимость сушки и нагрева минерального материала. Данные смеси можно хранить в штабелях и укладывать в холодном состоянии.
Использование битумно-минеральных смесей на БЭ при ямочном ремонте при их разогреве токами СВЧ позволяет совместить преимущества холодного способа укладки смесей и качества горячих, одновременно обеспечивая хорошее сцепление с ремонтируемым покрытием. Более того, получаемый таким способом асфальтобетон обладает повышенной долговечностью, так как битум не подвергается длительному воздействию высоких температур, необходимых при «горячей» технологии.
13
При использование эмульсий в холодном состоянии в 2...3 раза замедляется процесс старения битума в технологическом цикле приготовления эмульсионно-минеральных материалов по сравнению с «горячими» технологиями. Также можно обеспечить высокое качество эмульсионноминеральных смесей и материалов, полученных методом смешения на дорог е. Обычно в такой технологии применяют жидкие нефтяные битумы, в то время как эмульгированию чаще всего подвергаются вязкие битумы, придающие материалам более высокие прочность и стойкость к внешним воздействиям, отпадает необходимость сушить и нагревать каменные материалы. Поскольку растекание эмульсии улучшается на влажной поверхности зерен, становятся ненужными громоздкие и энергоемкие сушильные барабаны, являющиеся источником загрязнения окружающей среды, снижается расход топлива и электроэнергии. Технология приготовления смесей становится энерго- и ресурсосберегающей, более эколог ически чистой.
Возможность обработки эмульсиями влажного каменного материала и производства работ в сырую и холодную погоду при температуре воздуха до 5 °С способствует продлению дорожно-строительного сезона, повышению степени использования дорожных машин и снижает себестоимость работ.
Кроме того, благодаря сравнительно низкой вязкости прямых битумных эмульсий повышается производительность смесительных установок на 15 - 20% за счет ускорения процесса перемешивания эмульсии с минеральным материалом.
Повышается однородность смесей и материалов за счет улучшения смачивания зерен эмульсией, ее растекания по поверхности зерен, равномерного распределения эмульсии в перемешиваемом состоянии.
Содержание вяжущего в битумных эмульсиях зависит от области ее применения для каждого вида работ или приготовления тех или иных эмульсионно-минеральных материалов, табл. 1.1
14
Таблица 1.1. Содержания вяжущего в зависимости от области применения
Содержание вяжущего Область применения
40% Ремонтные работы, пропитка, подстилающие слои.
60 % Ремонтные работы, пропитка, приготовление асфальтобетонных смесей или гравийно- (щебеночно-) песчаных смесей, обработанных эмульсией, холодные литые асфальтобетоны и шламы, устройство поверхностных обработок
65 % Приготовление асфальтобетонных смесей или фавийно-(щебеночно-) песчаных смесей, обработанных эмульсией, устройство поверхностных обработок, ремонтные работы
68% и более Устройство поверхностных обработок
Вязкость эмульсии - важная характеристика, которую можно изменять, воздействуя на различные факторы: вязкость дисперсионной среды, массовую долю битума в эмульсии, размер битумных частиц. В табл. 1.2 указаны интервалы вязкости эмульсии и области их применения.
Таблица 1.2. Вязкость эмульсии в зависимости от области применения
Тип эмульсии Область применения
Жидкая Ремонтные работы, пропитка, приготовление смесей, подстилающие слои
Полужидкая Приготовление смесей, устройство поверхностных обработок, ремонт
Вязкая Устройство поверхностных обработок
Получение битумно-водных дисперсий всегда связано с процессом дробления дисперсной фазы в среде, которой в зависимости от типа системы может быть вода или битум. Битумная фаза представляет собой поток битума с различными добавками, а водная фаза - поток воды, в которую добавляются
15
- Київ+380960830922