Повышение технологической эффективности аппаратов вихревого типа в системах газоочистки (19.07.2010)

Автор: Тарасова Людмила Александровна

(18) Полученный ранее результат (17) позволяет констатировать потерю устой-чивости 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

, которое выполняется во всех случаях, поскольку исходно было при-нято, что ( > 0. Таким образом, течение в зоне I устойчиво. В пределах сво-бодного вихря III, внутренние слои вращаются с большей угловой скорос-тью, чем внешние, (2 > ( 1 и следовательно, неравенство (16) может быть нарушено. Из отмеченного следует, что в зоне III, во всяком случае, в отдель-ных 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 тож-дественно равна нулю. Используя введенное понятие критерия потери устой-чивости, вычислено значение vr по параметрам эксперимента, vr =4,4(10-3 м/с.

В литературных источниках представлены данные о распределении сос-тавляющей 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.

R R1 I II III

Рис. 4. Схема вращения газа в вихре-

вой трубе:I.Область квазитвердого вра-

щения; II. Область неустойчивости на

границе приосевой и периферийной зон;

III. Периферийная зона неустойчивого

течения

Указанное оправдывает название «вихревая нить», данное этому явле-нию исследователями, наблюдавши-ми вихревые контуры визуально. Полученные результаты позволяют представить процесс перераспределе-ния энергии от центральных слоев к периферийным, образованием вихре-вых циркуляционных структур на границе зон в приосевой области, с последующей их диссипацией на пе-риферии. Проведенный анализ позво-ляет теоретически обосновать и объе-динить ряд гипотез, объясняющих

природу эффекта Ранка, в частности о взаимодействия вихрей, о совершении турбулентными молями микрохолодильных циклов, поскольку существуют зоны сжатия и расширения (рис.4), возникновению ударных волн.

Результаты анализа гидродинамики аппаратов с закрученным движе-нием 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 хо-рошо изученные, широко применяемые на практике циклоны ЦН(15.

Общее гидравлическое сопротивление циклона представлено в виде суммы

Расчет был произведен для потока воздуха при нормальных условиях и условной скорости газа 4 м/с.Гидравлические сопротивления на входе в цик-лон (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, опре-деляется 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 тех-

нической литературе, как правило, приводится общее гидравлическое сопро- тивление аппарата (Р.

Третья глава посвящена исследованию эксплуатационных характе-ристик вихревой трубы низкого напора. В вихревой трубе создается интен-сивная закрутка входного потока газа, что может быть использовано для придания изучаемому устройству дополнительных функций пылеуловителя и воздухоосушителя. В данном исследовании упор делается на изучение характеристик вихревой трубы при низких напорах поступающего воздуха.

Как оказалось, температурные показатели холодного ( Тх( 0(-4(С) и горячего потоков (Тг( 40(С)( вполне приемлемы для их использования в случаях, когда не требуется глубокой степени охлаждения. Следует отметить, что достаточно низкие давления Pс ~ 1,75(105 Па не требует привлечения высоконапорной компрессорной техники. Отмеченное выше обстоятельство упрощает конструкцию системы, снижает расход энергии и расширяет область приме-нения вихревых труб. Экспериментальный стенд оснащен высокотехноло-гичным 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 рассматривае-мого вихревого течения было показано, что вихревой эффект может быть представлен системой обобщенных параметров в виде зависимости

Рис.5 Инерционные характерис-

.Результаты эксперимен-тов по изучению эффективности низ-конапорной вихревой трубы в обоб-щенном виде представлены на рис. 6. Окончательно найдено, что

Следует отметить хорошую сходи-мость результатов отдельных изме- рений и ярко выраженную тенден-цию 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 холод-ной 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 таль-комагнезит молотый ТМП, ГОСТ 19728.4(74. Медианный диаметр талька ра-вен (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 воз-духа 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.


загрузка...