CC BY
28
УДК 536.253:66.041
С. В. Карпов, Э.Н. Сабуров, А. В. Быков
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЦИКЛОННЫХ КАМЕР С ПРЕДЕЛЬНЫМИ И БЛИЗКИМИ К ПРЕДЕЛЬНЫМ УСЛОВИЯМИ ВВОДА И ВЫВОДА ГАЗОВ
S. V. Karpov, E.N. Saburov, А. V. Bykov
AERODYNAMIC RESISTANCE AND EFFICIENCY OF CYCLONE CHAMBERS WITH LIMITING AND CLOSE TO LIMITING CONDITIONS OF INPUT AND OUTPUT
OF GASES
В статье рассмотрены результаты экспериментального и расчетного исследования аэродинамического сопротивления и эффективности циклонной камеры при предельных и близких к предельным условиях ввода и вывода потока. Полученные обобщенные уравнения и расчетные рекомендации применимы в широких диапазонах изменения конструктивных параметров.
Циклонная камера, аэродинамическое сопротивление, эффективность, предельные условия ввода и вывода потока, расчет.
Results of the experiment and calculation research of aerodynamic resistance and efficiency of the cyclone chamber are considered at limiting and close to limiting conditions of input and output of the gas stream. The received generalized equations and calculation recommendations are applicable in wide ranges of the design data change.
Cyclone chamber, aerodynamic resistance, efficiency, limiting conditions of input and output of a stream, calculation.
Методика аэродинамического расчета циклонных камер [5], [8], [9], [11] носит полуэмпирический характер и в значительной степени опирается на их экспериментально определяемые основные интегральные аэродинамические характеристики.
К важнейшим аэродинамическим характеристикам циклонных камер относятся безразмерное статическое давление на стенке рабочего объема:
Ре к = 2рс кКрт Увх2),
где рвх - плотность потока во входных каналах; коэффициенты аэродинамического сопротивления:
Свх = 2Лрп / (рвхувх2), где Ар„ - перепад полного давления в камере, и
2
Сфот = 2Арп/(рфт"И;ф») ),
где - максимальная тангенциальная скорость; рф„, - плотность потока на радиусе гц,т, определяющем положение м>фт.
При плоском круговом представлении циклонного потока распределения безразмерных статического рс = 2рс /(рвхувх2) и полного рП = 2рс/(рвхувх2) давлений полностью определяются профилем тангенциальных скоростей. Расчетные зависимости
для рс можно получить, используя распределения безразмерной тангенциальной скорости М'ф = Ыу /увх [1], [3], [7] и дифференциальное уравнение радиального равновесия плоского вращающегося течения:
dr г
Ф,
где г = г/Кк - безразмерный текущий радиус; -радиус циклонной камеры.
При 0 < г < г0 ( Го - безразмерный радиус, соответствующий точке сопряжения профиля м>ф в приосевой зоне с кривой распределения >уф = ( г0 ) в области квазипотенциального вращения [1], [4])
0 r I r(p т
1
Рс = Рс.о - 2™lm J rrjZ
при Г0 < Г < 1 ~Рс = Рс.к ^ 473,38
' 27/7 л2Па
¿.I I /фШ
1+ r/rmJ
; 0)
13 +1п---+ 5,35 1,(2)
13+210F 13 + 210F
где рс о - безразмерное статическое давление на радиусе г0;па- показатель степени, зависящий от геометрических характеристик циклонной камеры
и особенностей течения в приосевой (внутренней) области потока.
При истечении потока в окружающую среду суммарный коэффициент аэродинамического сопротивления циклонной камеры можно определить по формуле
Исследование аэродинамики гладкостенных циклонных камер в неавтомодельной области течения, в том числе при относительно малых значениях увх или входного числа Рейнольдса Яевх = увхД/увх (увх - кинематический коэффициент вязкости воздуха во входных каналах) ЛДА-зондированием [2], показало значительное влия-
С вх = Рс.вх +1 = Рек Крс.к 1 Реях) +1 > (3) ние Яевх на и С,
где рс вх - безразмерное избыточное статическое давление во входных каналах; рс к /рс вх - отношение статических давлений на боковой поверхности и во входных каналах, характеризующее относительное уменьшение запаса потенциальной энергии потока на входе в циклонную камеру [5], [8],
[9], [П].
Использование зависимостей (1), (2) в (3) и методики аэродинамического расчета циклонных камер [5], [11] позволило сравнить результаты вычислений с опытными данными в автомодельной области течения при предельных и близких к предельным условиях ввода и вывода газов (рис. 1). Как видно из представленных данных, результаты расчетов в целом удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными в широких диапазонах изменения безразмерных параметров ввода и вывода газов: /вх = 4/вх/-л:Дк2 -площади и высоты /гвх = йвх Юк входных каналов, диаметра выхода 1ВЪК = й?вых /Ок.
(р т
На рис. 2 приведены зависимости относительного коэффициента аэродинамического сопротивления <^вх = Мвхавт Квхавт - коэффициент сопротивления в автомодельной области циклонного течения, т.е. при Яевх > Яевхавт, где Кевхавт - граница автомодельной области циклонного потока, определяемая по рекомендациям [5], [8], [9], [11]:
Ле-МО^
ВХ
б(дк -102 -1,333) (7вх -0,355)+ 0,95 7,46 (1п^ВЬ1Х+0,916) (Лк-102-1,12);
: ехр
Дк = Дк/Дк - безразмерная высота выступов шероховатости боковой поверхности камеры) от относительного числа Рейнольдса Йе = 11евх Л1евхавт .
Рис. 1. Зависимость коэффициента Свх от параметров с1вых и /гвх (/вх) • Сплошные линии -расчет, точки - эксперимент:
а - односторонний ввод потока, где □ - йвх = 0,075 (0,02); о - 0,181 (0,048); А - 0,394 (0,105); V - 0,5 (0,133); б - двусторонний ввод потока, где ■ - йвх ) = 0,075 (0,040); • - 0,181 (0,097); ▲ - 0,394 (0,210); Т - 0,5 (0,267)
а
Рис. 2. Изменение относительного коэффициента аэродинамического сопротивления гладкостенной циклонной камеры в неавтомодельной области течения в зависимости от числа Яевх при различных значениях:
а- /вх: 1- /вх = 0,041; 2-0,102; 3-0,170; б - с/вых: 5 - й?,ых = 0,2; 6 - 0,3; 7 - 0,4; 8 - 0,6; линии - расчет по уравнению (4)
Как следует из представленных данных, с увеличением /вх и уменьшением г/вых относительное влияние Й.евх в неавтомодельной области течения возрастает, подчиняясь зависимости
(4)
где т - показатель степени, зависящий от геометрических характеристик циклонной камеры (безразмерных площадей ввода и вывода газов) и равный
т = а + Ъ 1п(/вх • /вых), где а = -0,1816; ¿=-0,0936.
Характеристикой аэродинамической эффективности циклонных камер как генераторов закрутки потока может служить коэффициент сопротивления
24Рп Свх РВХ ^В
Зф т
э м>2
фш фт
(5)
Щ
фт гфяг
Ж
Ф т
Как следует из (5), чем меньше (т.е. чем меньше аэродинамическое сопротивление й,вх и чем больше относительная скорость \\>(?т), тем выше аэродинамическая эффективность циклонной камеры.
На рис. 3 а, б приведены экспериментальные данные и расчетные кривые зависимости от
0,2 0,4 0,6 0,8
Рис. 3. Сопоставление расчетных (линии) и опытных (точки) распределений в зависимости от с1вых:
а - односторонний ввод потока, где □ - /гвх (/вх) =
= 0,075 (0,02); о - 0,181 (0,048); Л - 0,394 (0,105); V - 0,5 (0,133); б - двусторонний ввод потока,
гае АВх (7ВХ) ■ - 0,075 (0,040); • - 0,181 (0,097);
▲ - 0,394 (0,210); ▼ - 0,5 (0,267); в - расчеты по уравнениям в зависимости от рс вх: линия 1 - расчет по уравнению (7) при рс к/ рсвх = 0; 2 - 0,2; 3 - 0,5; 4 - 1; 5 - расчет по уравнению (8)
безразмерного диаметра выходного канала при различных условиях ввода потока. Из рисунка видно, что при йвх —» 0,5 оптимальные значения с/вЬ1Х смещаются в область больших, близких к предельным (0,8 - 0,9), значений диаметра выходного канала.
В работе [6] авторами получена экспериментальная связь рсх с безразмерной скоростью м>(?т в широком диапазоне изменения 5ВЫХ и /вх:
Рс.к ^ т'
С учетом (6) (¡¡вх можно представить как
(6)
Рс.к
+1,
а коэффициент аэродинамической эффективности Сфт (рис. Зв) можно описать приближенной зависимостью
= 2 + -
• = 2
ж
1 +
Рс.к 'Рс.
фт
(7)
С ростом безразмерного статического давления РсшК , как видно из рис. Зв, коэффициент <^фт уменьшается с интенсивностью, зависящей от входных условий. Последнее в рассматриваемом случае характеризуется коэффициентом рс к / рс вх. При предельных и близких к предельным условиях ввода и вывода газов (больших значениях /вх и 5ВЫХ < 0,2; рс к > 10) коэффициент рс к / рсях близок к 1.
При максимальной крутке потока ( м>фт ~ 8, рс к ~ «200) [1], [6] предельно минимальное значение ¿¡ф|И близко к 2, что соответствует данным, приведенным в работе [10]. Дальнейший рост аэродинамического сопротивления, например, за счет уменьшения 5ВЫХ приводит к нарушению выше-рассмотренной связи максимальных значений рс и м>ф в объеме циклонной камеры (6). Снижение м>фт и увеличение рсх приводят к ухудшению ее аэродинамической эффективности, причем особенно резкому при рск > 400 - 500. Зависимость
Сфт = Сфш( Рс.к) ПРИ Рс.к > 200 можно представить уравнением
^ф m 2
f / \т Y + PoJPs*
(8)
где т = рек/200.
Из рис. Зб видно, что экспериментальные данные вполне удовлетворительно согласуются с расчетными кривыми (7), (8) при рс к > 0,1.
Таким образом, приведенные в работе расчетные рекомендации по коэффициентам аэродинамического сопротивления и аэродинамической эффективности циклонной камеры, обобщающие многочисленные экспериментальные данные авторов и других исследователей, могут быть использованы при расчетах и проектировании циклонных устройств различного технологического назначения в широких диапазонах варьирования основных конструктивных параметров, в том числе при предельных и близких к предельным условиях ввода и вывода потока.
Список литературы
1. Карпов, C.B. Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонной камере при близких к предельным условиях ввода и вывода газов / C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, A.B. Быков // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2007. - № 3. - С. 127 - 134.
2. Карпов, C.B. Аэродинамика и теплоотдача круглого цилиндра в циклонной камере при условиях вывода газов, близких к предельным / C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, A.B. Быков // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сб. науч. тр. Вып. 64. -Архангельск, 2006. - С. 103 - 112.
3. Карпов, C.B. Аэродинамика циклонных устройств при близких к предельным условиях ввода и вывода газов /
C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, A.B. Быков // Труды IV Российской национальной конференции по теплообмену: в 8 т. 23 - 27 окт. 2006 г. Москва. Т. 2: Вынужденная конвекция однофазной жидкости. - М.: Изд. дом МЭИ, 2006. - С. 141 -144.
4. Карпов, C.B. Аэродинамические характеристики циклонных камер с предельными и близкими к предельным условиями ввода и вывода газов / C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, A.B. Быков // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. Вып. 73. - Архангельск, 2007. - С. 111 - 117.
5. Карпов, C.B. Высокоэффективные циклонные устройства для очистки и теплового использования газовых выбросов / C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002.
6. Карпов, C.B. К методике аэродинамического расчета циклонных камер с предельными и близкими к предельным условиями ввода и вывода газов / C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, A.B. Быков // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. Вып. 73. - Архангельск, 2007. - С. 118 - 123.
7. Карпов, C.B. Расчет аэродинамики циклонных камер при предельных и близких к предельным условиях ввода и вывода газов / C.B. Карпов, Э.Н. Сабуров, A.B. Быков // Вестник Череповецкого государственного университета. -2008. -№3,- С. 52-58.
8. Сабуров, Э.Н. Теория и практика циклонных сепараторов, топок и печей / Э.Н. Сабуров, C.B. Карпов. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2000.
9. Сабуров, Э.Н. Теплообмен и аэродинамика закрученного потока в циклонных устройствах / Э.Н. Сабуров, C.B. Карпов, С.И. Осташев. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.
10. Сабуров, Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом / Э.Н. Сабуров. - Архангельск: Сев.-Зап. кн. изд-во, 1995.
11. Сабуров, Э.Н. Циклонные устройства в деревообрабатывающем и целлюлозно-бумажном производстве / Э.Н. Сабуров, C.B. Карпов. -М.: Экология, 1993.
Карпов Сергей Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры теплотехники Архангельского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8182) 21-61-57; 29-42-81.
Сабуров Эдуард Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплотехники Архангельского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8182) 21 -61 -57; 65-11 -26.
Быков Алексей Викторович - инженер управления по технологическому и экологическому надзору «Росэнергонад-зор» по Архангельской области.
Тел.: 8 (8182) 21-20-80.
Karpov Sergey Vasilievich - Doctor of Science (Technology), Professor, Heat Power Engineering Department, Arkhangelsk State Technical University.
Tel.: 8 (8182) 21-61-57; 29-42-81.
Saburov Eduard Nickolayevich - Doctor of Science (Technology), Professor, Head of the Heat Power Engineering Department, Arkhangelsk State Technical University.
Tel.: 8 (8182) 21-61-57; 65-11-26.
Bykov Alexey Victorovich - Engineer, Department of Technological and Ecological Supervision, Arkhangelsk area, "Rosener-gonadzor".
Tel.: 8(8182)21-20-80.
УДК 674.08:662.818
В. К. Любое, В. В. Горюнов
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ЦЕХА ПО ПРОИЗВОДСТВУ ДРЕВЕСНЫХ ГРАНУЛ
V.K. Lyubov, V. V. Goryunov ENERGY EXAMINATION OF THE WOOD GRANULES PRODUCTION SHOP
В статье рассмотрены результаты энергетического обследования основного оборудования цеха по производству древесных гранул, определена эффективность его работы, предложены мероприятия для дальнейшего комплексного повышения надежности и экономичности работы оборудования, а также мероприятия по снижению пожароопасности технологического процесса.
Древесные гранулы, топочная камера, теплогенератор, эмиссия оксидов азота и оксида углерода, пресс-гранулятор, мельница, потери теплоты, сушилка.
The paper discusses basic results of energy investigation of the wood granules production shop main equipment, evaluates its efficiency and suggests ways of increasing economic and ecological parameters of the equipment, as well as the measures for decreasing production process flammability risk.
Wood granules, combustion chamber, heat generator, emission of nitrogen oxides and carbon oxides, press granulator, grinding mill, heat losses, drying chamber.
Древесина является самым древним видом топлива, однако проблема ее эффективного сжигания до сих пор остается актуальной во всем мире. Это связано в основном с тем, что для энергетических целей используют неделовую древесину и отходы, образующиеся при ее обработке и переработке, не находящие другого применения. Данные отходы относятся к трудносжигаемым топливам ввиду высокой влажности, низкой энергетической плотности и крайне неоднородного гранулометрического состава.
Перспективным направлением облагораживания отходов переработки биомассы является их гранулирование или брикетирование. По этому пути пошли страны Скандинавии, Канада, Австрия, Германия, Франция, Италия и др., где гранулы и брикеты используются как в промышленных котельных, ТЭС, так и в быту. В настоящее время отмечается значительный рост выпуска оборудования для производства гранул.
С начала XXI в. интенсивное производство облагороженного древесного топлива началось и в России. Так, за период с 2003-го по 2008 г. производство гранул выросло более чем в 30 раз. Индустрия производства облагороженного древесного топлива в значительной степени ориентирована на экспорт, так как стоимость гранул, произведенных в РФ, составляет ~ 85 €/т (2007 г.), в то время как их цена в Западной Европе 200 - 300 €/т.
В ЗАО «Лесозавод 25» на протяжении многих лет успешно ведутся работы по комплексному
повышению эффективности энергетического использования некондиционных древесных отходов. В 2008 г. был реализован очередной этап программы комплексного использования древесного сырья, закончен монтаж и запущены в работу две линии цеха по производству древесных гранул из отходов лесопильного производства.
Смонтированные линии обеспечили производство гранул (см. рисунок) диаметром 8 мм. На каждой из них сушильный агент вырабатывается с помощью теплогенерирующих установок 1, работающих на некондиционных древесных отходах и оборудованных наклонно-переталкивающими решетками.
Существует две схемы включения теплогенераторов в технологический цикл производства гранул. В первой схеме дымовые газы напрямую поступают в отделение сушки, а во второй они проходят через теплообменник, где на сушку сырья подается нагретый воздух. В ЗАО «Лесозавод 25» реализована первая схема.
Обе схемы имеют свои достоинства и недостатки. Так, в первой достигается максимальный температурный напор между продуктами сгорания и высушиваемым сырьем, что повышает эффективность сушки. Однако высокая температура дымовых газов создает опасность возникновения пожаров. Кроме того, в процессе теплообмена происходит загрязнение высушиваемого материала золовыми частицами, а в некоторых случаях и частицами сажи, что необходимо учитывать, так
