Повышение технологической эффективности аппаратов вихревого типа в системах газоочистки
Анализ газодинамической устойчивости закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата. Установление и характеристика пыле-удерживающей способности водокольцевых нагнетателей. Разработка комбинированных систем защиты атмосферы от загрязнений.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.01.2018 |
| Размер файла | 703,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ГОУ ВПО «Московский государственный университет инженерной экологии» (МГУИЭ)
На правах рукописи
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Повышение технологической эффективности аппаратов вихревого типа в системах газоочистки
05.17.08 процессы и аппараты химических технологий
Тарасова Людмила Александровна
Москва 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московском государственном университете инженерной экологии» (МГУИЭ)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Трошкин Олег Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Лагуткин Михаил Георгиевич
доктор технических наук, профессор Гудим Леонид Иванович
доктор технических наук, профессор Горшенин Павел Александрович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск)
Защита диссертации состоится 21 октября 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии, 105066, Москва, улица Старая Басманная, дом 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (ауд. Л207).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии
Автореферат разослан 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н С.А. Трифонов.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Аппараты вихревого типа широко используются в химических технологиях. Достаточно указать на такие распространенные устройства как центрифуги, аппараты с мешалкой, циклоны, скрубберы центробежного действия, вихревые трубы, вихревые компрессоры и многие другие. Все эти аппараты объединяет общий принцип их функционирование базируется на использовании центробежной силы. В научнотехнической литературе, как правило, не рассматривается движение в пристенных зонах, которые обычно исключаются из анализа, и не выполняется условие прилипания, поскольку значение окружной скорости на стенке принимается отличных от нуля, не проанализированы условия потери устойчивости вихревого течения при наличии вязкого радиального потока. В настоящее время интенсивно развивается теория закрученных течений в связи со стремлением объяснить природу вихревого эффекта, которая остается до сих пор не выявленной. Поэтому работы в этом направлении представляют научный интерес.
Особенно перспективно применение аппаратов с закрученным движением фаз в системах газоочистки. В этой связи следует заметить, что инженерная защита окружающей среды базируется на хорошо развитых химических технологиях.
Необходимость и важность решения проблемы повышения эффективности систем газоочистки, базирующихся на функциональных особенностях аппаратов с закрученным движением фаз определяют актуальность данного исследования.
Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр577 «Энергосберегающие технологии», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», Программе Красноярского краевого экологического фонда (19992001).
Объект исследования аппараты с закрученным движением фаз в системах газоочистки, в частности вихревые трубы низкого напора и водокольцевые компрессоры.
Предмет исследования гидродинамические и технологические процессы энергоразделения, очистки воздуха от пыли, его осушка в аппаратах вихревого типа.
Цель диссертационной работы изучение гидродинамики и повышение технологической эффективности аппаратов с закрученным движением фаз, связанное с приданием им дополнительных функций и технико-экономически оправданных методов выбора вихревых устройств в установках газоочистки.
Задачи исследований:
1. Проанализировать динамику закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата и оценить вклад отдельных составляющих в общее гидравлическое сопротивление аппарата с закрученным движением фаз с учетом его конструктивных особенностей.
2. Провести анализ газодинамической устойчивости закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата.
3. Определить термодинамические характеристики вихревой трубы низкого напора и установить влияние пыле-влаго-содержания входящего потока сжатого воздуха на эксплуатационные параметры аппарата;
4. Разработать методики расчета параметров выходных потоков вихревой трубы низкого напора.
5. Установить пыле-удерживающую способность водокольцевых нагнетателей.
6. Разработать комбинированные системы защиты атмосферы от загрязнений на базе вихревой трубы низкого напора и вихревого водокольцевого компрессора (ВВК).
7. Выработать критерии технико-экономической оценки эффективности системы защиты окружающей среды от загрязнений.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решения математических моделей, разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.
Научная новизна.
1. Проведено аналитическое решение уравнений вихревого движения, осложненного радиальным течением вязкого потока. Рассматривался общий случай движения между двумя произвольными слоями вязкого несжимаемого газа при перемещении среды к оси вращения против действия центробежной силы. Полученные теоретические соотношения показали, что потенциальный вихрь формируется не сразу, как это обычно полагается, а при определенных значениях показателя интенсивности радиального потока, приближаясь к закону потенциального течения асимптотически. Теоретически установлено, что центральный вихрь квазитвердого вращения (вихрь Ренкина) возникает при условии уравновешивания центробежной силы созданным на периферии давлением и предложено соотношение для его вычисления в зависимости от режимных параметров.
2. Проведенный анализ течения в пристенной зоне вихревого аппарата позволил замкнуть решения и выполнить условия прилипания на неподвижной поверхности, которые не выполнялись в других исследованиях. При этом вводится прием уравновешивания касательного напряжения на границе пограничного слоя скоростным напором внешнего течения, что позволило вычислить толщину пристенной зоны.
3. Полученные теоретические соотношения позволяют провести анализ устойчивости закрученного потока в различных зонах вихревого аппарата. Избран метод Релея и трансформированы известные соотношения к условиям конкретной задачи, которая была решена. Оказалось, что вихревой поток теряет устойчивость в узкой области на границе центрального и периферийного вихрей при малой интенсивности радиального течения. Вводится критерий потери устойчивости Ку= 2 и аналитически показано, что область потери устойчивости находится в зоне потенциального вихря.
4. Экспериментально показано, что исходное пылевлаго-содержание сжатого газа не оказывает влияния на термодинамическую эффективность вихревой трубы низкого напора (ВТНН), что подтверждено эксергетическим анализом.
5. Теоретически получены и подтверждены данными непосредственных измерений значения эксплуатационных характеристик вихревого водокольцевого компрессора, обеспечивающие предельные режимы работы машины при которых запирающая жидкость не попадает в воздушные окна.
6. Выработаны критерии оценки эффективности систем газоочистки, включающие как экономические, так и технологические факторы.
Практическая значимость заключается в том, что
– получены расчетные соотношения, позволяющие определять гидравлическое сопротивлений вихревых аппаратов с учетом их конструктивных особенностей;
– пылевлаго-содержание исходного потока газа может не учитываться при термодинамическом анализе вихревой трубы низкого напора;
– разработана комбинированная система охлаждения, нагрева, очистки воздуха от пыли и осушки (КСОНО) на базе вихревой трубы низкого напора;
– гидравлический расчет вихревого водокольцевого компрессора можно проводить без учета содержания пыли в поступающем потоке газа;
– даже при высокой степени запыленности (до 250 г/м3) пыле-удерживающая способность ВВК остается высокой (до 100%);
– разработана комбинированная система очистки воздуха от пыли (циклонВВК), в которой вихревой водокольцевой компрессор выполняет дополнительную функцию второй «мокрой» ступени, а также технологическая схема циклонВВКВТНН, позволяющая дополнительно осушить и менять температурный режим выходных потоков, разработаны методики расчета предлагаемых систем;
– разработаны методы оценки газоочистных сооружений, позволяющие на стадии проектирования произвести сравнительный анализ конкурирующих систем с учетом затрат на реализацию природоохранных мероприятий;
– результаты исследований автора использованы в ЗАО «БЕСКОМ» (Бессоновский компрессорный завод) и в ЗАО «ПРОМЭНЕРГОНАЛАДКА».
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена применением основных уравнений механики жидкости и газа при разработке газодинамических моделей закрученного потока, а сами решения соответствующих задач осуществлены классическими методами математического анализа.
Экспериментальная часть исследования базируется на общепринятых методиках с применением стандартных средств измерительной техники. Результаты наблюдений автора хорошо согласуются с данными, имеющимися в технической литературе и результатами собственных экспериментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции и 5ом международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов (Москва, 2001г., МГУИЭ); научной конференции «Техника низких температур и экология» (Москва, 2002 г.); Международной конференции «Математические методы и технологии» (РостовнаДону, 2003 г.); Международной конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (Севастополь,2003 г.); Международном симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» (Сумы, 2003 г.); Международной научнотехнической конференции «Насосы, проблемы и решения» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Насосы, эффективность и экология» (Москва, КВЦ «Сокольника» 2005, 2006,2007, 2008 г.г.).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80 % результатов исследований.
По теме диссертации опубликовано 53 печатных работы, из которых 4 учебных пособия, 28 статей в периодических изданиях из перечня ВАК
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертационной работы изложено на 240 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 39 графиков, 5 таблиц и список использованных источников литературы, включающий 164 наименования.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, намечены объекты исследований и методы решения поставленных задач.
В первой главе анализируются имеющиеся в технической литературе данные по тематике диссертации, рассматриваются конструктивные особенности аппаратов вихревого типа для очистки отходящих газов от вредных примесей, приводятся примеры газодинамических моделей закрученных течений. Особенно интенсивным изучение вихревых течений связано с попытками объяснить эффект Ранка. Исследованиями в этом направлении занимались отечественные ученые Дубинский М.Г., Мартыновский В.С., Бородянский В.И., Мартынов А.В., Меркулов А.П., Гольштик М. А., Суслов А.Д., Чижиков Ю.В., Азаров А.И., Пиралишвили Ш.А., Арбузов В.А., Алексеенко С.В., Леонтьев А.И. и многие другие. Отдельные фрагменты этих работ приводятся ниже. Теория концентрированных вихрей подробно рассмотрена в работах Алексеенко С.В., Кульбина П.А., Окулова В.Л. (2005). Пиралишвили Ш.А. (1990) считает, что перераспределение энергии происходит в результате совершения турбулентными молями микрохолодильных циклов при их радиальном перемещении в поле с высоким градиентом давления. Арбузов В.А. и др. (1997) наблюдали крупномасштабные гидродинамические структуры. По мнению авторов, в настоящее время имеются достаточные основания для предположения о принципиальной роли крупномасштабных вихревых структур в эффекте Ранка. Чижиков Ю.В. (1998) замечает, что при отсутствии точных решений уравнения движения в камере разделения в некоторых случаях результата можно добиться методом анализа размерностей. Гусев А.П. (2004) полагает, что в рабочей камере возникают продольные и поперечные ударные волны, при этом турбулентность рассматривается как некий наложенный микропроцесс. По мнению Азарова А.И., Пиралишвили Ш.А. (2005) семидесятилетний спор о физической природе эффекта Ранка не завершен. Наиболее проработанной на данный момент является гипотеза взаимодействия вихрей.
Таким образом, единая точка зрения исследователей заключается в том, что отсутствует общая теория вихревого эффекта, существуют различные гипотезы, происходит накопление теоретического и экспериментального материала. В результате, в основе известных методов расчета лежат эмпирические соотношения.
Вторая глава посвящена гидродинамике аппаратов с закрученным движением фаз. В первом приближении рассмотрено вращательное движение газа при наличии равномерно распределенного радиального потока, направленного к оси вращения. Ограничимся случаем, когда газ движется с дозвуковой скоростью при числе Маха М 0,5 и его можно считать несжимаемой средой, что характерно для ВТНН, циклонов, вихревых водокольцевых компрессоров. Так как основным параметром, определяющим энергетические показатели эффективности аппарата является его гидравлическое сопротивление Р, главное внимание уделено определению этой величины.
Для решения задачи использована абсолютная цилиндрическая система координат r, , z. Рассмотрено установившееся течение вязкого несжимаемого газа между двумя цилиндрическими поверхностями R1, R2, (R1 R2), вращающихся соответственно с угловыми скоростями 1, 2. Торцевые крышки удалены в бесконечность и не оказывают влияние на общую картину течения. Без учета сил тяжести уравнения данного осесимметричного движения газа в цилиндрической системе координат предстанут как
. (1)
Значение vr может быть вычислено из уравнения расхода, удовлетворяющее уравнению неразрывности. Оценим интенсивность радиального течения как . В итоге второе уравнение системы (1) запишется в виде
, (2)
Решение уравнения (2) имеет вид
. (3)
Постоянные интегрирования определим из условия: r = R1, v = 1 R1 ;
r = R2, v = 2 R2 . Из уравнения (3) с учетом граничных условий для тангенциальной компоненты скорости получена формула
. (4)
При отсутствии радиального перемещения жидкости, когда рассматривается движение текучей среды между двумя непроницаемыми цилиндрами, k = 0 и соотношение (4) трансформируется в выражение, полученное ранее Таргом С.М. и хорошо известное из технической литературы.
Результаты вычислений показывают, при движении газа к центру под действием градиента давления, характерному для потока в циклонах и вихревых трубах скорость его вращения повышается. На рис.1 графически представлены результаты вычислений величины v при различных значениях k для случая, когда проницаемые цилиндрические поверхности вращаются с одинаковой угловой скоростью 1=2. Полученные данные свидетельствуют о том , что с увеличением значения k течение асимптотически приближается к потенциальному. Таким образом потенциальный вихрь формируется не сразу, а при условии, что k >>2, при этом течение становится автомодельным.
Рис.1 Распределение окружной скорости в кольцевом зазоре, образованном вращающимися цилиндрами с пронизаемыми стенками при R1/R2 =2; 1 k=1, 2 k=10, 3 k=100
Перейдем к определению давления, которое нужно создать у внешней проницаемой цилиндрической поверхности для того, чтобы преодолеть центробежную силу вращения. Задача вычисления давления в общем виде решается интегрированием первого уравнения исходной системы (1) при известных значениях vr , v. В случае вращения потока как квазитвердого тела
(5)
Течение жидкости к оси закрутки возможно, очевидно, если у периферии давление Р Ро. Учитывая сложный характер зависимости (4) прямое интегрирование первого уравнения системы (1) приводит к весьма громоздким результатам и поэтому непредставлено. Произведен расчет величины Р приближенно, используя предельное значение vr , v при k 2. После интегрирования и соответствующих преобразований давление в относительной форме вычисляется как
(6)
Установлено, что независимо от способа создания закрученного течения общая структура окружного потока в них сходна и может быть представлена принципиальной схемой (рис.2).
На наличие двух вихрей - центрального и периферийного - указывается в многочисленных работах. Пристенная зона обычно полагается малой и исключается из анализа. Однако, именно в этой области поток полностью затормаживается, проявляются усилия сдвига, на преодоление которых расходуется энергия вихря. Рассмотрено закрученное движение несжимаемой среды в цилиндрической системе координат (рис.2) у стенки аппарата вдали от торцевых крышек.
За пределами анализируемого участка течение полагается установившимся, а интенсивность радиальных перемещений настолько большой, что их влияние на величину окружной компоненты vц пренебрежимо мало, т.е. vця r = const.
Рис.2. Структура закрученного потока в аппаратах вихревого типа: I центральный вихрь квазитвердого вращения; II - потенциальный вихрь; III - пристенная зона
Рис.3. Схема потоков в вихревой трубе
Принято, что в пределах пограничного слоя толщиной д радиальная составляющая скорости vr = 0, течение считается установившимся и осесимметричным, т.е. отсутствуют производные по угловой координате ц. Таким образом уравнение неразрывности преобразуется в выражение vz / z =0, откуда vz = const в пределах д. На стенке vz = 0, следовательно, это условие справедливо и для всего пограничного слоя .Для определения окружной составляющей скорости vц в области (R - д) ? r ? R из уравнения движения с учетом сделанных допущений получено дифференциальное уравнение второго порядка
, (7)
решение которого
Постоянные интегрирования С3, С4 находятся из условий прилипания: r = R, vц = 0; r= R - д, vц = що R/( R - д).Окончательно, для вычисления азимутальной компоненты получено соотношение
. (8)
Неизвестная толщина пограничного слоя д может быть найдена из условия, что касательное напряжение на внешней границе фrц равно скоростному напору внешнего течения с v/2. Для определения величины фrц использован закон вязкого трения Ньютона и известное распределение по радиусу азимутальной составляющей скорости v (8)
, (9)
Гидравлические потери в пристенной зоне (R - д) ? r ? R с учетом соотношения (9) найдены как
. (10)
Для определения параметров модели о и Rо вычислим градиент давления из первого уравнения движения (1)
(11)
На входе в вихревую камеру R1 окружную составляющую скорости потока определим из уравнения расхода Q. Интегрирование уравнения (11) дает возможность вычислить перепад давления в слое , как
. (12)
Величина часто известна или может быть измерена. При выбросе газа в атмосферу, что как правило наблюдается, равно избыточному давлению на входе в вихревой аппарат. Решая равенство (12) относительно Ro и используя известное распределение азимутальной компоненты скорости , получим значения искомых параметров щo, Ro. Введем коэффициент давления как отношение Р к динамическому напору . Тогда
, (13)
Представленные результаты дают возможность оценить влияние основных геометрических и режимных параметров вихревого аппарата на его гидродинамические свойства.
При периферийной подаче газа в цилиндрическую камеру разделения поток тормозится на внешней стенке выхлопного патрубка радиуса Rп в узком пограничном слое . Будем считать, что патрубок Rп находится в пределах Rо, в котором течение подчиняется закону вращения твердого тела.
Исходя из допущений, аналогичным предыдущим, для вычисления азимутальной скорости у поверхности выхлопного патрубка Rп вихревого аппарата, получены соотношения
(14)
На основе исходной системы уравнений (1) проведен качественный анализ течения газа в вихревой трубе. Расчетная схема представлена цилиндрическим элементом радиуса R и длиной Н, в которой закрученное движение газа создается вихревым завихрителем 1 (рис.3). Дроссельное устройство представлено упрощенно в виде плоского неподвижного диска 4, установленного с некоторым кольцевым зазором для периферийного отвода нагретого потока с расходом Qг. Охлажденные слои в количестве Qx отводятся с противоположной стороны через центральное отверстие 2. Таким образом, в камере разделения 3 сформированы два осевых течения, движущихся навстречу друг другу. Наличие неподвижного дроссельного диска создает дополнительное осевое течение интенсивностью Qо, циркулирующее в пределах вихревой трубы.
Анализ течения газа в разделительной камере проведен при принятых ранее допущениях, полагая, что толщина пограничных слоев пренебрежимо мала, а турбулентность характеризуется параметрами турбулентной вязкости t и теплопроводности t.
Добавим к системе (1) уравнение энергии
(15)
Граничные условия формулировались на оси ВТ (r = 0) и у стенки (r = R). При этом полагалось, что пограничные слои имеют малые, но конечные величины. Для оценки турбулентной вязкости t использовалась гипотеза Прандтля о длине пути перемешивания. Размер центральной зоны r = R в общем случае может быть отождествлен с размером центрального вихря квазитвердого вращения Rо. Затем полагалось, что механизмы обмена количеством движения и теплотой в турбулентном потоке сходны, турбулентное число Прандтля можно принять Pr =1,0 для воздуха. Кроме того, в анализ вводились аппроксимирующие соотношения для ряда величин, используя принцип аналогии.
Необходимость таких допущений связана с более сложной структурой вихревых потоков, вызванной, в том числе, интенсивными продольными течениями, внутренней циркуляцией среды, не учитываемыми в ранее рассмотренных случаях. Тем не менее, численный анализ результатов полученных соотношений показал, что расчетные данные качественно, но не количественно отражают реальную обстановку в вихревых трубах. Последнее может быть связано с потерей устойчивости закрученного движения среды.
Будем считать, что вихревой поток не меняет направление вращения, что обычно характерно для аппаратов с закрученным движением фаз, когда свободный и стесненный вихри вращаются с разными угловыми скоростями, но в одну и туже сторону. Примем для удобства, что v > 0 и, следовательно, 1>0, 2 > 0, > 0. Для определения устойчивости течения по упрощенной методике Релея получено соотношение
(16)
Рассмотрим общий случай движения частиц между двумя слоями жидкости, вращающимися с произвольными угловыми скоростями 1, 2. Воспользуемся формулой (4) для вычисления компоненты v и выразим через нее левую часть неравенства (16).
Геометрически , и знако-образующим соотношением остается неравенство
(17)
Проведенный анализ показывает, что закрученное течение теряет устойчивость в двух случаях. Вопервых, когда радиальная скорость потока приобретает значения, характерные для условия k =2 и выражение (17) становится тождественно равным нулю. Вовторых, когда внутренние слои закрученного потока начинают вращаться быстрее внешних в соответствии с неравенством
(18)
Полученный ранее результат (17) позволяет констатировать потерю устойчивости на границе приосевой и периферийной зон (II), где значение параметра k при радиальном движении к центру возрастает по абсолютному значению от нуля (рис.4). Введем критерий потери устойчивости как
Рассмотрим приосевую зону квазитвердого вращения I (рис.4). Профиль окружной компоненты скорости v представлен соотношением . Область устойчивых течений (16) в этом случае определяется неравенством , которое выполняется во всех случаях, поскольку исходно было принято, что > 0. Таким образом, течение в зоне I устойчиво. В пределах свободного вихря III, внутренние слои вращаются с большей угловой скоростью, чем внешние, 2 > 1 и следовательно, неравенство (16) может быть нарушено. Из отмеченного следует, что в зоне III, во всяком случае, в отдельных её частях, поток теряет устойчивость. В самом общем случае, используя закон распределения скоростей потенциального течения v=c/r находим, что неравенство (16) в зоне III нарушается, поскольку его левая часть тождественно равна нулю. Используя введенное понятие критерия потери устойчивости, вычислено значение vr по параметрам эксперимента, vr =4,4103 м/с.
В литературных источниках представлены данные о распределении составляющей скорости vr по радиусу рабочей камеры вихревой трубы. Данные вычислений показывают, что зона потери устойчивости (II) сосредоточена в весьма узкой области на границе свободного и стесненного вихрей.
Рис. 4. Схема вращения газа в вихревой трубе:I.Область квазитвердого вращения; II. Область неустойчивости на границе приосевой и периферийной зон; III. Периферийная зона неустойчивого течения
Указанное оправдывает название «вихревая нить», данное этому явлению исследователями, наблюдавшими вихревые контуры визуально. Полученные результаты позволяют представить процесс перераспределения энергии от центральных слоев к периферийным, образованием вихревых циркуляционных структур на границе зон в приосевой области, с последующей их диссипацией на периферии. Проведенный анализ позволяет теоретически обосновать и объединить ряд гипотез, объясняющих природу эффекта Ранка, в частности о взаимодействия вихрей, о совершении турбулентными молями микро-холодильных циклов, поскольку существуют зоны сжатия и расширения (рис.4), возникновению ударных волн.
Результаты анализа гидродинамики аппаратов с закрученным движением фаз сравнивались с данными непосредственных измерений, имеющихся в технической литературе. При этом основной целью являлось установить, в какой степени полученные соотношения корреспондируются с имеющимися, апробированными данными. В качестве объекта сопоставления выбраны хорошо изученные, широко применяемые на практике циклоны ЦН15.
Общее гидравлическое сопротивление циклона представлено в виде суммы
, (19)
Расчет был произведен для потока воздуха при нормальных условиях и условной скорости газа 4 м/с. Гидравлические сопротивления на входе в циклон Р1 и на выходе Р5 вычисляются по формуле Дарси. Скорость потока в подводящем патрубке определена из уравнения расхода. Заметим, что значение скорости потока на входе vвх при тангенциальном вводе соответствует окружной составляющей скорости v = vвх cos, где угол наклона входного патрубка.
Гидравлические потери на трение у стенки цилиндрического корпуса Р2 вычислены с учетом соотношения (9). Величина Р2, в основном, определяется параметрами центрального вихря о, Rо, который расположен в зоне выхлопного патрубка RП . Пограничный слой у его поверхности крайне тонок, что подтверждают вычисления по формуле (14) и с достаточной для практических расчетов точностью можно принять , что Rо = RП .
Гидравлическое сопротивление вращающегося слоя Р3 найдено по формуле (6).
Потери на трение у поверхности патрубка Р4 вычислены из (14), полагая что 4/Re << 1.
Результаты вычислений сведены в таблицу 1
Таблица 1
|
D |
P1 |
P2 |
P3 |
P4 |
P5 |
P |
PН |
P3/P |
||
|
300 |
89,8 |
73,4 |
949,6 |
223,2 |
92,3 |
1428,3 |
1517 |
0,665 |
5,8 |
|
|
400 |
93,3 |
78,7 |
989 |
238,2 |
93,5 |
1492,7 |
1517 |
0,663 |
1,6 |
|
|
500 |
97,3 |
83,2 |
987 |
247,5 |
89,5 |
1504,5 |
1517 |
0,656 |
0,82 |
|
|
600 |
104 |
89,9 |
1024,4 |
264 |
89,8 |
1572 |
1517 |
0,652 |
3,6 |
|
|
1400 |
113,5 |
100,4 |
1026,5 |
285,5 |
83,9 |
1609,8 |
1517 |
0,638 |
6,1 |
По тем же соотношениям вычислено гидравлическое сопротивление ВТНН. Расхождение замеренных и вычисленных значений не превышает 2%. Таким образом, все рассмотренные в главе 2 гидродинамические модели приемлемы, поскольку их результаты использовались в данных вычислениях и дали хорошее совпадение с общепризнанными данными.
Проведенные вычисления позволяют определять вклад отдельных составляющих в общий баланс гидравлических потерь в вихревом аппарате. Как оказалось, наибольшее влияние на суммарное значение Р оказывает сопротивление вращающегося слоя газа (более 60%). Знание этой величины
тем более необходимо при анализе гидродинамической устойчивости закрученного потока, поскольку именно Р3 используется в расчетах. В технической литературе, как правило, приводится общее гидравлическое сопротивление аппарата Р.
Третья глава посвящена исследованию эксплуатационных характеристик вихревой трубы низкого напора. В вихревой трубе создается интенсивная закрутка входного потока газа, что может быть использовано для придания изучаемому устройству дополнительных функций пылеуловителя и воздухо-осушителя. В данном исследовании упор делается на изучение характеристик вихревой трубы при низких напорах поступающего воздуха.
Как оказалось, температурные показатели холодного ( Тх 04С) и горячего потоков (Тг 40С) вполне приемлемы для их использования в случаях, когда не требуется глубокой степени охлаждения. Следует отметить, что достаточно низкие давления Pс ~ 1,75105 Па не требует привлечения высоконапорной компрессорной техники. Отмеченное выше обстоятельство упрощает конструкцию системы, снижает расход энергии и расширяет область применения вихревых труб. Экспериментальный стенд оснащен высокотехнологичным комплексом контрольно-измерительных приборов, интегрированных с программным обеспечением. Для исследования влияния запыленности воздуха на процесс температурного разделения газа был спроектирован, изготовлен и испытан опытный образец вихревой трубы (ВТНН), являющийся основным блоком экспериментального стенда.
Одним из главных преимуществ вихревых аппаратов по сравнению с традиционными парокомпрессионными холодильными машинами является их практически полная безинерционность. С целью определения динамических характеристик вихревой трубы были проведены испытания опытного образца ВТНН, результаты которых представлены на рис. 5 (зависимости Тх = f() и ТГ = f() ). Видно, что после выхода вихревого аппарата на рабочий режим (менее 5 минут) переходы на следующие температурные режимы, вызванные уменьшением давления на входе Рс , составляют 2 3 минуты. Таким образом, результаты экспериментов подтверждают практически малую инерционность вихревых труб. Исходя из уравнения энергии, записанного для рассматриваемого вихревого течения было показано, что вихревой эффект может быть представлен системой обобщенных параметров в виде зависимости
(20)
Рис.5 Инерционные характеристики вихревой трубы
Принимая для воздуха Prt=1, зависимость (20) предстанет в виде .Результаты экспериментов по изучению эффективности низконапорной вихревой трубы в обобщенном виде представлены на рис. 6. Окончательно найдено, что
. (21)
Следует отметить хорошую сходимость результатов отдельных измерений и ярко выраженную тенденцию влияния величины Eu на число Ec. Отсутствие расслоения в данных эксперимента указывает на то, что в заданных пределах зависимость достаточно корректно описывает реальную обстановку и влияние других факторов является не ощутимым с практической точки зрения.
Рис.6 Обобщенные характеристики вихревой трубы в критериальном виде (нагретый и холодный потоки)
Соотношение (21) получено на основе измерений температуры холодной части потока газа. Аналогичные расчеты по параметрам нагретой части потока подтвердили возможность применения равенства (21) и в этом случае. Расхождения результатов не выходят за пределы точности измерений. Для искусственного запыления потока в эксперименте использовался талькомагнезит молотый ТМП, ГОСТ 19728.474. Медианный диаметр талька равен 50=25 мкм. Экспериментальные исследования по определению влияния запыленности начинались с опытов, в которых осуществлялся импульсный ввод пыли в поток сжатого воздуха. Следует отметить, что импульсный ввод является наиболее неблагоприятным режимом работы для пылеуловителей. В результате эксперимента, установлено, что после ввода пыли в поток сжатого газа отклика на кривых температур потоков охлажденного и нагретого воздуха не наблюдается. Эксперименты проведены как на режиме максимальной холодопроизводительности, так и при максимальной производительности по теплу. Во второй серии экспериментов подача пыли в вихревой аппарат осуществлялась шнековым питателем. Время импульсного ввода отмечено вертикальными линиями на графике рис.7. Как видно из представленных данных характер температурных кривых при этом не изменился.
Обобщение результатов по исследованию влияния постоянной исходной запыленности Z на степень сепарирования сеп ВТНН представлен на рис.8. Отклонение экспериментальных данных от среднего значения = 1 % является удовлетворительным. Снижение значения сеп = 95 % можно объяснить вторичным уносом из пылесборника, поскольку при степени закрутки, характерной для вихревой трубы и ее размеров следует ожидать сеп 100 %.
Рис.7 Влияние импульсного ввода пыли на температуру нагретого Тг и охлажденного Тх потоков
По результатам эксперимента предложена принципиальная схема комбинированной системы очистки, нагрева и охлаждения воздуха на базе вихревой трубы(КСОНО) (рис.9). При этом в зависимости от превалирующих требований пользователя возможно акцентировать функциональность установки на пылеулавливании или поддержке определенного температурном режиме.
Рис.8. Оценка эффективности пылеулавливания вихревой трубы
Расширение диапазона применения вихревых труб в промышленности, как было показано, достигается путем придания им дополнительных функций очистки воздуха от пыли.
Рис. 9. Принципиальная схема КСОНО воздуха на базе вихрерого аппарата: ВТ вихревая труба; КМ воздушный компрессор; ТО теплообменник; 3 с сжатый воздух; 3 г горячий поток воздуха; 3 х охлажденный поток воздуха.
Эффективность вихревого аппарата как пылеуловителя оценивали из баланса сил, действующих на частицу пыли. Граничное зерно разделения на радиусе диафрагмы по параметрам эксперимента d = 1 мкм.
Полученные данные указывают на высокую пылеудерживающую способность вихревых труб. В особо чистых производствах, например, электронных, микробиологических технологиях требуется не только чистый, но и сухой воздух. В соответствии с зависимостью (20) введем в анализ переменную Ет как . Полученный безразмерный параметр Ет представляет собой отношение затрачен-ной потенциальной энергии давления к реализованной тепловой.
Экспериментальные данные показывают, что на влагосодержание выходного горячего потока цг и холодного цх оказывают влияние как влажность на входе цвх, так и относительная доля холодного потока m. В результате окончательная обработка результатов эксперимента предполагается в виде
(22)
Проводились серии опытов, в каждой из которых исходное влагосодержание воздушного потока цвх оставалось неизменным, а варьировалась величина m. Влагосодержание на входе цвх затем изменялось от 40% до 90%. Аналогичные серии экспериментов осуществлялись при различных давлениях на входе в вихревую трубу Pвх, но при неизменной температуре Tвх. В целом можно заключить, что исходная влажность воздушного потока не оказывает существенного влияния на температурную эффективность вихревой трубы.
Более наглядно полученный вывод иллюстрируют данные, графически представленные на рис.10. Как видно, величины зT и з падают с увеличением влажности цвх, но весьма незначительно в пределах 23%.
Таким образом, в практических расчётах с точностью до 3% влияние относительной влажности входного потока на тепловые характеристики вихревой трубы можно не учитывать.
Рис.10. Влияние исходной относительной влажности сжатого воздуха цвх, на максимальные значения коэффициента температурной эффективности зT и адиабатического КПД з, при температуре воздуха на входе Tвх = 13°C, давлении Pвх = 1,6105 Па и массовой доли холодного потока m = 0,53.
Окончательная обработка результатов наблюдений осуществлялась в безразмерном виде. Обобщающие графики в соответствии с зависимостью (21) при Prt=1 представлены на рис.11. Разброс данных вызван, главным образом, проблемами стабилизации и измерения влагосодержания потоков.
(23)
(24)
где параметры варьировались цвх = 0,38...0,92 , m =0,44...0,61, безразмерное число ET, по характеристиками горячего ETг и холодного ETх потоков изменялись в пределах ETх=1,62..5,36; ETг=4,25..9,67.
Рис. 11. Обобщение результатов по исследованию влияния режимов эксплуатации вихревой трубы на влагосодержание охлаждённого и горячего потока.
В указанных пределах относительная влажность нагретого и охлаждённого воздуха достигала значений цг = 0,10...0,32, цх = 0,39...0,66, Pвх=1,2.. 1,8105Па, Tвх = 13°C.Методика определения влагосодержания выходных потоков может выглядеть следующим образом. В зависимости от поставленной задачи формулируются исходные данные. Например, при исходном влагосодержание цвх, заданном перепаде давления Р, расходе газа Q, с известными параметрами сp, с требуется определить влагосодержание цг и цх.
Геометрия вихревой трубы полагается известной: 1.Определяется окружная скорость газа на входе в вихревую трубу нц. 2. По соотношению (24) вычисляется разность температур на горячем и холодном концах камеры разделения вихревой трубы Тг, Тх. 3. Вычисляется число Ет. 4. Задаёмся отношением расходов холодного и горячего потоков m. Поскольку максимальный КПД вихревой трубы во всех случаях лежит в области m = 0,5, принимаем эту величину как расчётную. 5. По соотношениям (24), (25) вычисляются искомые значения г, х
В производственных условиях, как правило, геометрические и режимные параметры вихревой трубы, например, работающей в системе кондиционирования зафиксированы. Однако параметры потока на входе меняются, например влажность цвх, температура и возникает необходимость пересчета. Следует заметить, что комплекс полученных соотношений позволяет решать задачи самого разнообразного характера и, в зависимости от поставленной цели, уже на стадии проектирования, задать эксплуатационные параметры вихревой трубе.
В заключении следует заметить, что основная задача экспериментальной части исследований выполнена. Установлено, что входные параметры воздушного потока, запыленность, влагосодержание практически не влияет на термодинамическую эффективность вихревой трубы, работающей при пониженных давлениях на входе Рс 0,3 МПа. При этом температура выходных потоков, главным образом охлажденного Тх 0оС, вполне приемлема для промышленного использования. Если рассматривать ВТНН как пылеуловитель, т.е. циклон, фракционную сепарирующую способность аппарата слеует устанавливать по хорошо разработанным и известным методикам, имеющихся в технической литературе.
В четвертой главе рассмотрена возможность использования вихревого компрессора в системе газоочистки.
Известно, что при очистке воздуха от пыли, необходимой в системах кондиционирования, вентиляции, особенно помещений электронной, фармацевтической и многих других высокотехнологических производств, наиболее трудно улавливаются мелкие частицы. Применение циклонов позволяет отделить большую, но сравнительно крупную фракцию. Наиболее мелкие частицы, обладающие малой скоростью витания, в поле центробежных сил не сепарируются, что по существу определяет предел применимости инерционных пылеуловителей.
Проблема может быть решена применением двухступенчатой газоочистки, например, реализованной в орошаемых циклонах. Перспективным представляется сочетание инерционного пылеуловителя и вихревого водокольцевого компрессора (ВВК), которому придаются дополнительные функции сепаратора мелкой фракции. Последнее предложение может быть реализовано по следующей принципиальной схеме (рис.12)
Рис.12 Схема комбинированной системы очистки газа:1.Водокольцевая воздуходувка; 2. Дегазатор; 3. Циклон; 4. Бункер; 5. Охлаждающее устройство; ЗГ загрязненный газ; ОГ очищенный газ; ЧЖчистая жидкость
При организации очистки газа по предлагаемой схеме необходимо осуществить отвод загрязненной запирающей жидкости из полости машины 1 в систему регенерации 2 или на сброс. Равное количество осветленной или чистой рабочей среды следует направить в вакуумную зону газодувки.
В соответствии с целями исследования создана экспериментальная установка, включающая ВВК, систему регенерации циркулирующей жидкости, аналитический аэрозольный фильтр АФА ВП20, регулирующие вентили, шнековый питатель пыли, привод электродвигателя, а также необходимый комплекс контрольноизмерительных приборов. Основным блоком экспериментального стенда является опытный образец водокольцевой воздуходувки, который был изготовлен на базе серийной установки ВВН8. Для визуализации процессов происходящих в рабочей полости водокольцевого компрессора опытная установка была изготовлена с узким рабочим колесом, передняя лобовая крышка была выполнена из органического стекла. газодинамический вихревой водокольцевой
Степень рециркуляции запирающей жидкости , где Q (м3/с) объемный расход циркулирующей жидкости, V(м3) объем рабочей зоны водокольцевого компрессора, изменялась в пределах =0,015; 0,03; 0,045; 0,06 с1. Для искусственного запыления потока в эксперименте использовался талькомагнезит молотый ТМП, ГОСТ 19728.474. Медианный диаметр талька равен 50 =25 мкм. В экспериментальных исследованиях по определению влияния запыленности на характеристики водокольцевой воздуходувки подача пыли осуществлялась шнековым питателем.
На рис. 13 показано влияние степени рециркуляции рабочей жидкости (воды) =0,015; 0,030; 0,045; 0,060, с1 на коэффициент полезного действия з при различных запыленностях Z1 =0; Z2= 65; Z3 = 120; Z4 =180; Z5 = 250 г/м3.
Рис.13. Влияние запыленности газа на КПД опытного водокольцевого компрессора
Рис.14. Оценка эффективности пылеулавливания ВВК
Характер кривой з = f(Q) совпадает с данными измерений, проведенными на чистой жидкости. Таким образом, несмотря на широкий спектр изменения запыленностей от 0 до 250 г/м3, можно утверждать, что запыленность не оказывает влияние на рабочую характеристику машины. Влияние Z г/м3 запыленности на степень сепарирования зсеп, при различных режимах рециркуляции представлено на рис. 14. Опытами установлено, что степень улавливание загрязняющих твердых примесей зсеп достаточно высока и при определенных режимах достигает 100% в пределах точности измерений. Полученные графические зависимости имеют характерный перегиб в области Z0, когда зсеп начинает отличаться от максимальной зсеп. Однако эти уменьшения значения зсеп не существенны.
Водокольцевой компрессор должен создавать достаточное давление на периферии жидкостного кольца для преодоления гидравлического сопротивления сети рециркуляции. Давление на входе в рециркуляционную сеть Рм находилось суммированием давлений, создаваемых жидкостным кольцом на участке от радиуса рабочего колеса Rк до свободной поверхности жидкости Rо(Рко) и на интервале от внутреннего радиуса рабочей полости Rк, до Rм(Рмк) (рис.15).
Рис. 15. Расчетная схема: Rм, Rк, Rо радиусы корпуса машины, рабочего колеса, свободной поверхности жидкости кольца; Н - ширина рабочего колеса;Qр-интенсивность рециркуляции
Для решения задачи использовалась абсолютная цилиндрическая система координат. Движение жидкости считается установившимся и осесимметричным. Радиальные течения образованы рециркулирующим потоком с объемным расходом , который равномерно распределен по ширине рабочего колеса . Считается, что жидкость между лопатками рабочего колеса вращается без проскальзывания как квазитвердое тело . В этом случае давление вычислится по хорошо известному соотношению
(25)
Радиус свободной поверхности жидкостного кольца Rо определяется из того положения, что при эксплуатации машины запирающая среда не должна попадать в газовые полости (рис. 15). В качестве граничных условий общего решения (3) для данного случая принято: при , ; при , .
Давление определяется из первого уравнения системы (1) в предположении, что определяющую роль в создании напора на периферии жидкостного кольца играет центробежная сила. Тогда
(26)
Избыточное давление, вычисленное по соотношениям (25), (26), является максимально возможным при данных геометрических и режимных параметров водокольцевого компрессора, при котором жидкость не попадает в воздушные окна. В противном случае, происходит захлебывание и эксплуатационные характеристики машины резко падают. Было проведено сопоставление данных непосредственных измерений с величиной расчетного предельного давления Рр при одних и тех же условиях. Избыточное давление, определенное по показаниям приборов Рп = 0,8 105 Па хорошо согласуется с вычисленным Рр = 0,83 105 Па.
Экспериментально установлено, что наличие твердой фазы в исходном газовом потоке до величины z 250 г/м3 не приводит к изменению рабочей характеристики ВВК. Степень рециркуляции запирающей жидкости , как оказалось, мало влияет на общий КПД машины и, в первом приближении, может не учитываться в расчетах. Таким образом, вычисление геометрических и режимных параметров ВВК может производиться без учета этих двух факторов. При этом, рассмотрим два возможных варианта параметры сети (требуемый напор Нс и расход Qc) известны или нет.
В первом случае: 1.По известным параметрам сети Нс, Qc подбирается ВВК с использованием, например, каталога Бессоновского компрессорного завода (ЗАО «Беском»), который выпускает машины рассматриваемого типа.
2. По каталогам, например, НИИОГАЗ выбирается тип циклона, удовлетворяющий входным характеристикам водокольцевого компрессора. 3. Вычисляется гидравлическое сопротивление контура рециркуляции. 4. По формулам (25), (26), (27) и геометриическим параметрам ВВК определяется предельно допустимое Рм на периферии рабочей полости водокольцевой машины. 5. Вводятся коэффициенты запаса nз =1,2 1,3. 6. Вычисляется допустимое давление Рд =Рм / nз. 7. Делается вывод о целесообразности использования дополнительных источников напора. Если Рм > Рд , водокольцевой компрессор в состоянии обеспечить рециркуляцию запирающей жидкости, в противном случае, т.е. Рм < Рд , необходимо использовать дополнительный источник давления.
Подобные документы
Исследование и разработка электропривода вихревого, предназначенного для подачи воды из скважины потребителям и совершающего работу по заданному циклу. Определение его эквивалентной мощности. Выбор пусковой, защитной аппаратуры и аппаратов коммутации.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 17.05.2015Принцип действия, устройство, схема вихревого насоса, его характеристики. Рабочее колесо вихревого насоса. Движение жидкости в проточных каналах. Способность к сухому всасыванию. Напор и характеристики вихревых насосов. Гидравлическая радиальная сила.
презентация [168,5 K], добавлен 14.10.2013Целесообразность применения вихревой трубы в различных технологиях. Принцип действия предлагаемой установки. Определение оптимальных режимов работы схемы. Расчет потребного количества сжатого воздуха. Расчет эксергии потоков в элементах схемы термостата.
курсовая работа [513,7 K], добавлен 16.10.2010Техническое описание на модель мужской сорочки. Описание внешнего вида. Режимы и особенности технологической обработки материалов. Выбор типа потока, вида запуска, транспортных средств. Составление технологической схемы потока, согласование его операций.
курсовая работа [83,1 K], добавлен 10.04.2016Описание видов холодильной техники и принципов работы. Рассмотрение требований к хранению и замораживанию. Разработка структурной схемы рефрижераторной установки, определение тепловой мощности, расчет вихревого охладителя. Обзор рынка авторефрижераторов.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 02.08.2015Технологический режим выплавки стали. Эксплуатационная надежность работы аппаратов газоочистки. Применение очистных сооружений оборотного цикла газоочистки. Использование сигнализации для обеспечения взрывобезопасной работы газоотводящего тракта.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 17.10.2014Технологические, технические и организационно-экономические задачи расчета потока швейного производства. Определение наиболее рациональной формы организации потоков и размещение их в цехе. Выбор типа потока, анализ и расчет его технологической схемы.
курсовая работа [519,8 K], добавлен 08.08.2010Основные характеристики и структурная схема насадки, принцип работы при различных гидродинамических режимах. Зависимость сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне. Физическая и математическая модели ее удерживающей способности.
лекция [104,8 K], добавлен 31.01.2009Механизм действия, назначение и область применения циклонных аппаратов. Выбор диаметра аппарата как одно из определяющих условий эффективной работы. Проектирование газоочистной установки на основе циклона типа ЦН-11. Требования к установкам циклонов.
курсовая работа [533,2 K], добавлен 27.12.2011Методы консервирования продуктов питания. Критерии выбора аппарата для замораживания. Техническая характеристика флюидизационных аппаратов большой производительности. Выбор режима холодильной обработки. Описание устройства и принципа действия аппарата.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 28.11.2011
