CC BY
102
МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ
УДК 534
В. В. Максимов, Г. И. Павлов, А. В. Кочергин,
В. П. Багнюк, С. Ю. Гармонов
ПРИМЕНЕНЕНИЕ УСТАНОВОК С АКУСТИЧЕСКИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА ДЛЯ ОГНЕВОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ
ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: установка, пульсирующее горение, твердые отходы.
Разработана установка для термического обезвреживания различных видов твердых отходов, работающая по принципу пульсирующего горения с применением газодинамического генератора акустических колебаний, излучающего резонансные колебания высокой интенсивности в широком диапазоне частот за счет турбулентных пульсаций и их усиления в стоячей волне акустического резонатора.
С развитием научно-технического прогресса и расширением масштабов производства проблема охраны окружающей природной среды приобретает все большую актуальность. С каждым годом увеличивается степень негативного воздействия на природу, все чаще происходят нежелательные и необратимые изменения, что связано с появлением значительного количества разнообразных отходов, требующих утилизации. Твердые отходы являются одним из основных загрязнителей окружающей среды. Часто термическое разложение горючих твердых отходов, особенно конверсионных, является наиболее целесообразным способом их уничтожения [1]. Для этих продуктов характерны большие колебания содержания горючих компонентов, фракционного состава, влаги, что резко осложняет термическое обезвреживание отходов, предъявляет определенные требования к теплотехническому оборудованию и технологии сжигания, которые в этих условиях должны обеспечить полное сжигание горючих компонентов без выбросов с дымовыми газами и золой в окружающую среду вредных веществ, а так же с получением полезной энергии для технологических нужд [2, 3].
Использование пульсирующего режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются задачи - получение энергии за счет сжигания отходов и их утилизация путем полного уничтожения. Интенсификация процесса горения колебаниями дает возможность сжигать вещества, которые в обычных печах, с равномерным режимом, не горят или имеют низкую полноту сгорания [4, 5].
Одним из основных способов увеличения производительности при пульсирующем горении является принудительная подача в зону горения пульсирующего потока. При этом одним из наиболее перспективных методов организации пульсирующего горения является включение в схему горения специальных устройств - генераторов пульсирующего потока (пульсаторов), предназначенных для генерации управляемых колебаний с широким спектром регулирования как частоты, так и амплитуды с целью ускорения процесса горения [6].
Целью данной работы является разработка установки для термического обезвреживания различных видов твердых отходов, работающей по принципу пульсирующего горения с применением газодинамического генератора акустических
горения с применением газодинамического генератора акустических колебаний, излучающего резонансные колебания высокой интенсивности в широком диапазоне частот за счет турбулентных пульсаций, и их усиления в стоячей волне акустического резонатора.
Экспериментальные исследования предусматривали решение следующих задач:
- на основе визуализации газового потока за плохообтекаемым телом определение места возникновения вихрей, вектора их движения, необходимые для точного месторасположения резонатора относительно плохообтекаемого тела;
- определение факторов, влияющих на возникновение резонансных колебаний;
- оценка влияния основных факторов на условия возникновения резонанса;
- поиск оптимальных значений контролируемых управляемых переменных.
При создании газодинамического генератора определялся ряд геометрических, газодинамических, физических факторов, влияющих на возникновение резонансных колебаний. Предлагаемая модель газодинамического акустического генератора основана на взаимодействии периодически срывающихся вихрей с трубой, закрытой с одного конца.
Схема экспериментальной установки включает две основные части: вентилятор с воздуховодом; и сменную резонансную трубу, закрытую с одного конца (рис. 1). При помощи поршня 1, установленного внутри резонаторной трубы 3, длина рабочего участка резонатора может изменяться. В поршень 1 был вмонтирован пьезокерамический акустический датчик ЛХ-610 для измерения пульсаций давления 2. Воздуховод 5 и резонансная труба 3 расположены соосно. Между воздуховодом и резонаторной трубой устанавливался цилиндр 4 (плохообтекаемое тело).
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1 - поршень; 2 - датчик ЛХ-610; 3 -резонаторная труба; 4 - цилиндр (плохообтекаемое тело); 5 - воздуховод; 6 - вентилятор; 7 - блок управления
При натекании воздушной струи на цилиндр 4, вследствие трения, около него образуется пограничный слой, в котором скорости потока быстро увеличиваются у стенок тела до общей скорости течения [7]. При достаточно больших скоростях имеет место так называемое отрывное обтекание цилиндра газом. Сущность его заключается в том, что набегающий поток, разветвившись в точке А (рис. 2) омывает цилиндр не полностью, а лишь до некоторых точек на его поверхности, которые могут находиться как перед, так и позади сечения ВВі.
После этого набегающий поток воздуха отрывается от цилиндра, уступая место воздуху, подсасываемому из области за цилиндром. Давление в точке Аі оказывается меньшим давления в точке А, при этом обратные токи воздуха усиливают уход погранич-
ного слоя с поверхности тела. Поскольку их векторы и векторы скоростей потока воздуха направлены в противоположные стороны - это приводит к образованию вихрей.
При создании газодинамического генератора следует так же учитывать влияние физических свойств материала изготовления резонаторной трубы на акустические процессы, возникающие в ней. Указано [8, 9, 10] на существование зависимости частоты акустических колебаний от свойств материала изготовления оболочки резонатора, но в данных работах не приведены области, в которых они являются определяющими.
Рис. 2 - Вихреобразование при обтекании цилиндра
Для определения основных факторов, влияющих на возникновение резонансных колебаний и определения характеристик создаваемого газодинамического генератора согласно выбранной схемы был создан экспериментальный стенд, включающий в себя экспериментальную установку, контрольно-измерительный комплекс и проведён ряд экспериментов.
На основе визуализации вихреобразования (рис. 3) видно, что чёткая картина возникновения и срыва вихрей наступает при определённой скорости воздушного потока. Детальное рассмотрение процесса вихреобразования позволило определить месторасположения вихрей за плохообтекаемым телом, что позволяет подбирать диаметр резонатора и определять положение трубы относительно цилиндра.
Было показано, что основными факторами, влияющими на возникновение резонансных колебаний, являются: оптимальная скорость воздушного потока, которая прямо пропорциональна частоте срыва вихрей с плохообтекаемого тела; частота срыва вихрей с плохообтекаемого тела и параметры газодинамического генератора.
Экспериментально была определена оптимальная скорость воздушного потока. При скорости в интервале от 60 м/с до 70 м/с вихревой поток обладает требуемой частотой для возникновения резонансных колебаний и достаточной акустической мощностью, к тому же при выбранной скорости амплитуда звуковых колебаний окончательно стабилизируется и становится постоянной на данной длине резонатора (рис. 4).
Эксперимент по определению частоты срыва вихрей с плохообтекаемого тела позволил определить АЧХ срыва вихрей. Расчёт частоты срыва вихрей показал, что при скорости воздушного потока равной 0,19М частота вихреобразования равняется 1051 Гц.
Структурное изучение потока за плохообтекаемым телом показывает, что в данной области возникает не одна пара вихрей, а целое семейство, которое не может быть обоб-
щено одной формулой, и требует более детального изучения. При этом определялась частота срыва вихрей, возникающая за плохообтекаемым телом при различных скоростях воздушного потока, необходимая для подбора длины резонаторного контура, устанавливаемого в области срыва вихрей.
Рис. 3 - Вихреобразование за цилиндром
А; д.Б. 130
120
ПО
100
_ . 4 ь" " ■- - - ^ 1
з- - - ^ ^ ___1 з —" 1— л
\ ' У'
/ / ; \ 'Л
1 \,
• .р
и
24 32 40 48 56
—Алюминий - 0 - Сталь - -ь - Медь
V/: ы ■:
Рис. 4 - Зависимость амплитуды звуковых колебаний от скорости воздушного потока
Измерения частоты срыва вихрей производилось датчиком пульсации скорости. Изменяемой переменной в эксперименте являлся расход подачи воздуха. Датчик пульсации скорости устанавливался за плохообтекаемым телом, согласно данным визуализации, на расстоянии одного диаметра плохообтекаемого тела. На зависимостях АЧХ срыва вих-
рей (рис. 5) наблюдается шесть мод колебания, причём частота равная 1051 Гц соответствует шестой моде.
113
АдБ
,1 и 1
|к
О 476 942 1408 1874 2340 2806 3272 3738 4204 4607 5136 5602 6068 £Гц 7000
Рис. 5 - АЧХ срыва вихрей при скорости воздушного потока ш=64 м/ с
Исследования характеристик газодинамического генератора показали, что резонанс колебаний с максимальной амплитудой достигается при длине труб резонаторов 0,31 м (5,2 Ьт), при скорости воздушного потока 0,19М (рис. 6). При этих параметрах происходит совпадение частоты внешнего воздействия и совместной частоты системы. При этом амплитуда резонансных колебаний при достижении максимального значения выше у резонаторного контура, изготовленного из стали марки 12Х18Н10Т, чем у других резонаторов.
А= д.Б
і 1
і-.-І „■1 г н 1-І Ь'1 ь.
і V
1 1 / її' \\
1 и 1 і І І* V к
PJ 4 і 1 & і і і г; і
1 / ] и і 5 1 .1 г Ьл
и V/}
] 1 ї
0;09 0.17 0;25 033 0:41 0=49 Цм
—Алюминий -о- Сталь Медь
Рис. 6 - Зависимость амплитуды акустических колебания от длины резонатора
Из проведённого анализа механических свойств используемых металлов (табл. 1) видно, что сталь марки 12Х18Н 10Т является более упругим металлом, чем алюминий или медь, поэтому лучше откликается на колебательные воздействия. Немаловажную роль в использовании резонаторного контура в условиях высоких температур и вибрационных нагрузок играют температура плавления и прочность на разрыв. У стального резонатора
данные характеристики выше. Следовательно, в разрабатываемой установки целесообразно использовать резонаторный контур, изготовленный из стали.
Таблица 1 - Характеристика материалов труб
Вещество Плотность, кг/м3 Модуль упругости, ГПа Допускаемое напряжение на разрыв, ГПа Коэффициент Пуассона
Сталь 7800 205,94 0,5099 0,24 -0,3
Алюминий 2700 57,859 0, 0686 0,32-0,36
Медь 8960 147,1 0,3923 0,31-0,34
Анализ зависимости частоты акустических колебаний показал, что различие между частотами, при использовании резонаторов, изготовленных из различного материала, на длине до 0,6 м практически не наблюдается (рис. 7). Следовательно, парциальная частота колебания оболочки на данных длинах не оказывает существенного влияния на изменение совместной частоты системы.
Рис. 7 - Зависимость частоты акустических колебаний от длины резонатора
Проведенные исследования параметров газодинамического генератора с измененными геометрическими размерами труб показали, что с увеличением длин резонаторов и уменьшения диаметра, частота генерируемого звука становится различимой при использовании различных материалов изготовления резонаторов.
График изменения частоты звуковых колебаний по длине трубы резонаторного контура при приведенных параметрах для стали, меди и алюминия при диаметре трубы 0,06 м представлен на рисунке 8. Видно, что графики изменения частоты звуковых колебаний в зависимости от длины трубы диаметра 0,06м совпадают при длине трубы менее 0,6м. Это говорит о том, что при указанной длине трубы влияние механических характеристик оболочек на частоту колебаний незначительно. Это совпадает с данными, полученными в результате эксперимента указанными выше.
Рассчитаем частоты звуковых колебаний для диаметра трубы 0,06 м при длине трубы более 0,6 м (рис. 9).
Рис. 8 - Изменения частоты звуковых колебаний по длине трубы резонатора при d=0,06м для длины трубы менее 0,6м
Рис. 9 - Изменения частоты звуковых колебаний по длине трубы резонатора при d=0,06м для длины трубы более 0,6м
Можно сделать вывод, что частоты колебаний для стали и меди начинают различаться при длине трубы 1,079 м, а для меди и алюминия - при 1,3118 м и таким образом мы получили, что при увеличении длины трубы на звуковые колебания начинают оказывать влияние механические характеристики оболочки.
Определим, как изменяется влияние механических характеристик оболочки в зависимости от диаметра трубы. Для этого рассчитаем частоты колебаний для меди, стали и алюминия при диаметре трубы 0,045м и 0,03м (рис. 10, 11). По результатам расчетов видно, что при уменьшении диаметра трубы, различие между частотами колебаний возникает при меньшей длине трубы, и следовательно, с уменьшением диаметра трубы влияние механических характеристик оболочки увеличивается.
Рис. 10 - Изменение частоты звуковых колебаний по длине трубы резонаторного контура при d=0,045м
Рис. 11 - Изменение частоты звуковых колебаний по длине трубы резонаторного контура при d=0,03м
Рассчитаем и составим таблицу расчетных данных зависимости длины трубы (табл. 2), при которой начинают различаться частоты меди и стали, меди и алюминия в зависимости от диаметра. Изобразим графически полученные данные (рис. 12).
Таблица 2 - Расчётные данные зависимости длины трубы от ее диаметра, при которых начинают различаться частоты меди и стали, меди и алюминия
Диаметр, м Длина трубы, м
Сталь и медь Медь и алюминий
0,03 0,41 0,52775
0,05 0,89525 1,0913
0,07 1,2505 1,5323
0,09 1,6058 1,961
0,11 1,961 2,4
Приближенно можно задать зависимость длины трубы от диаметра, при которой начинают различаться частоты для стали и меди L = 0,3812Ь + 0,0808, а так же для меди и алюминия L = 0,4614+ 0,1182.
Таким образом, в ходе проведения эксперимента были определены оптимальные параметры, необходимые для создания устойчивых резонансных колебаний с максимальной амплитудой акустического сигнала. Получаемая мощность звукового сигнала позволяет в дальнейшем создавать в зоне горения пульсирующий поток, необходимый для интенсификации процесса смешения топлива.
0.04 0.06 0.08 0.10 С1. м
Рис. 12 - Значения диаметра d и длины трубы 1_, при которых начинают различаться частоты меди и стали, меди и алюминия
На основе полученных экспериментальных результатов была спроектирована и создана установка пульсирующего горения для термической утилизации различных видов твердых отходов (рис. 13). Корпус реактора 2 служит для размещения и крепления в нем
Рис. 13 - Схема установки: 1 - загрузочное устройство; 2 - реактор; 3 - воздуховод; 4 - вентилятор; 5 - цилиндр (плохообтекаемое тело); 6 - резонаторная труба; 7 - поршень; 8 - золоуловитель; 9 - дымовая труба с жалюзями; 10 - колосники; 11 - зольник; 12 - опорная рама
газодинамического генератора и колосника 10. Корпус имеет цилиндрическую форму, к нижней части которого крепится зольник 11, к верхней - загрузочное устройство 1. Дымовая труба с жалюзями 9 крепится с боку реактора. Зольник 11 предназначен для накопления продуктов сгорания. Он имеет цилиндрическую форму, усеченную по диагонали. Выгрузка золы происходит через специальный люк, оборудованный в нижней части зольника. Загрузочное устройство 1 предназначено для подачи сжигаемых элементов в корпус реактора 2. Оно оборудовано рычажным замком для герметичного закрывания устройства при загрузке реактора. Дымовая труба 9 служит для выпуска газов, полученных при сжигании отходов. Она представляет собой сборную конструкцию цилиндрической формы. К верхней части дымовой трубы 9 при помощи болтов крепится золоуловитель 8, который предназначен для уменьшения выброса частиц, получаемых при горении, в окружающую среду. Расположенный в нижней части колосник 10 обеспечивает необходимую прозрачность для интенсивного удаления остатков продуктов сгорания в зольник. Колосник 10 изготовлен из концентрически расположенных колец и проходящих через них радиально
расположенных стальных прутьев. Такая конструкция колосника обеспечивает необходимую прозрачность для интенсивного удаления остатков продуктов сгорания в зольник 11. Опорная рама установки 12 представляет собой сварную конструкцию из труб и имеет устройство для горизонтирования.
Газодинамический генератор, состоящий из вентилятора 4, воздуховода 3, цилиндра (плохообтекаемого тела) 5, резонаторной трубы 6, поршня 7, крепится с боку к реактору таким образом, чтобы выходное сечение воздуховода 3 находилось вертикально, строго по центру. Плохообтекаемое тело 5, резонаторная труба 6 и поршень 7 расположены по вертикальной оси генератора. При помощи поршня 7 длина рабочего участка резонатора может изменятся. Воздуховод 3 и резонаторная труба 6 расположены соосно. Перпендикулярно оси между воздуховодом и резонатором установлен цилиндр (плохообтекаемое тело). Цилиндр может изменять своё положение относительно воздуховода.
Набегающий на цилиндр воздушный поток нагнетался вентилятором. Скорость набегающего потока регулировалась изменением частоты вращения вентилятора. Вентилятор типа 2Д7 постоянного тока имеет плавную регулировку числа оборотов в зависимости от подаваемого напряжения от частотного регулятора.
Установка работает следующим образом. Сжигаемые отходы загружаются в реактор 2 через загрузочное устройство 1. Поджигание отходов осуществляется от факела пламени через специальный люк. Открываются жалюзи на дымовой трубе 9, включается вентилятор 4. Воздушная струя от вентилятора 4, натекая на плохообтекаемое тело 5, образует вихри. Эти вихри периодически срываются и вносят в воздушный поток возмущения. Совпадение частоты срыва вихрей с одной из собственных частот резонаторного контура вызывает в газовой среде резонансно - акустические колебания. Перемещением поршня 7 изменяется длина резонансной камеры 6, и камера настраивается в резонансный режим. Излучаемые резонансной камерой звуковые колебания, создают в реакторе пульсирующее горение, тем самым, интенсифицируя процесс.
Результаты газового анализа показали (табл. 3), что пульсирующий режим работы установки позволяет эффективно сжигать различные виды твердых конверсионных отходов (воздушные фильтры, усиленные крышки метательных зарядов, элементы укупорки, различные виды резино-технических изделий и др.).
Оценка шумовых характеристик свидетельствует об увеличении шумности работы установки в режиме пульсирующего горения. Однако, при пересчете методом эквивалентного уровня звука, они не превышают предельно допустимых уровней звукового давления для производственных условий.
Таблица 3 - Газовый анализ выброса из камеры сгорания в устье источника
Компоненты газовой среды Содержание компонентов, мг/м3
Обычный режим Пульсирующий режим
Углекислый газ (СО2) 45 56
Окись углерода (СО) 2,0 0,03
Оксиды азота (ЫОх) 0,85 0,12
Сернистый газ (ЭО2) 12 4,5
Пыль (сажа) 230 150
Литература
1. Березиков, А.П. Способ утилизации СТРТ сжиганием в жидкой среде / А.П. Березиков, А.Б. Ворожцов Н.А., Обухов // Сб. трудов НПК "Проблемные вопросы методологии утилизации смесевых ракетных топлив, отходов и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники". - Бийск, 2003. - С. 156-159.
2. Ларионов, В.М. Автоколебания газа в установках с горением / В.М. Ларионов, Р.Г. Зарипов -Казань: КГУ, 2003. - 278 с.
3. Раушенбах, Б.В. Вибрационное горение / Б.В. Раушенбах - М.: Госуд. изд-во физ.-мат. лит-ры,
1961. - 498 с.
4. Северянин, В.С. Установки пульсирующего горения / В.С. Северянин // Вестник МГТУ. Сер. «Машиностроение». - 1995. - №1. - С. 32 - 40.
5. Щелоков, Я.М. Камеры вибрационного горения и их промышленное применение / Я.М. Щеглов // Пром. Энергетика. -1970. - № 9. - С. 56-57.
6. Гретуш, П.И. Воздействие звука на процессы горения / П.И. Гретуш// Акустический журнал. -
1962. - Т.8. - № 4. - С. 420-424.
7. Дейч, М.Е. Техническая газодинамика / М.Е. Дейч - М.: Госэнергоиздат, 1961. - 672с.
8. Арзуманов, Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях / Э.С. Арзуманов - М.: Энергия, 1978. - 304 с.
9. Ильгамов, М.А. Колебания упругих оболочек содержащих жидкость и газ / М.А. Ильгамов - М.: Наука, 1969. - 184 с.
10. Петровский, В.С. Гидродинамические проблемы турбулентного шума / В.С. Петровский - Л.: Судостроение, 1966. - 252 с.
© В. В. Максимов - канд. техн. наук, препод. каф. № 4 КВАКУ; Г. И. Павлов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. В. Кочергин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; В. П. Багнюк -препод. той же кафедры; С. Ю. Гармонов - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ.
