АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТА ВЗП В ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Статья поступила в редакцию 02.10.13. Ред. рег. № 1809

The article has entered in publishing office 02.10.13 . Ed. reg. No. 1809

УДК 621.928.9-047.44

АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТА ВЗП В ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

1 2 1 Н. С. Жукова , Т. О. Кондратенко , В.А. Шибаков

волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Ул. Академическая, 1, г. Волгоград, 400074, Россия Тел.: (8442) 96-98-26, факс (8442) 97-49-33, e-mail: kaf_bgdvt@mail.ru 2Ростовский государственный строительный университет ул. Социалистическая, 162, г. Ростов-на-Дону, 344022, Россия Тел.: (863)201-90-08, e-mail: tatkondr@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 07.10.13 Заключение совета экспертов: 12.10.13 Принято к публикации: 17.10.13

В работе приведены результаты сравнительного анализа влияния формы корпуса на структуру гидродинамики потока очищаемого воздуха. Рассмотрено влияние диаметра корпуса и запыленности очищаемого потока на коэффициент сопротивления аппарата ВЗП.

Ключевые слова: вихревой пылеуловитель со встречными закрученными потоками, форма корпуса, диаметр корпуса, потери давления, коэффициент сопротивления.

ANALYSIS OF STRUCTURAL ELEMENTS OF VORTEX DUST COLLECTOR WITH COLLIDING TWISTED FLOWS IN ENGINEERING AND ENVIRONMENTAL SYSTEMS

N.S. Zhukova1, T.O. Kondratenko2, V.A. Shibakov1

1Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering 1 Academic St., Volgograd, 400074, Russia Tel.: (8442) 96-98-26, fax (8442) 97-49-33, e-mail: kaf bgdvt@mail.ru 2Rostov State University of Civil Engineering 162, Sotsialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russia Tel.: +7 (863)201-90-08, e-mail: tatkondr@rambler.ru

Referred: 07.10.13 Expertise: 12.10.13 Accepted: 17.10.13

The article presents results of comparative analysis of hull form effect on hydrodynamic flow structure of purified air. Influence of the diameter of the body and dust flow on drag coefficient of vortex dust collector with colliding twisted flows is considered.

Keywords: vortex dust collector with colliding twisted flows, case form, case diameter, pressure loss, coefficient of resistance.

Наталия Сергеевна Жукова

Сведения об авторе: доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского гос. архитектурно-строительного университета.

Область научных интересов: системы защиты от пыли с применением аппаратов ВЗП.

Публикации: 14.

Владимир Аркадьевич Шибаков

Сведения об авторе: аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Область научных интересов: системы обеспыливания в производстве строительных материалов и изделий.

Публикации: 2.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

При проектировании и модернизации современных технологических производств особое внимание уделяется сокращению выбросов загрязняющих веществ как в воздух рабочей зоны, так и в атмосферу. Основной путь уменьшения пылеобразования заключается в создании качественно новых технологических процессов, характеризующихся минимальным количеством выделения пыли. Однако на промышленных предприятиях этот путь борьбы с запыленностью используется довольно редко. Поэтому наиболее эффективным остается способ локализации пылевы-делений средствами аспирации с их очисткой в различных пылеулавливающих аппаратах [1].

При выборе пылеулавливающих устройств определяющими факторами являются их стабильно высокая эффективность даже при значительном изменении технологических параметров и небольшие капитальные и эксплуатационные затраты.

В последние годы пылеуловители со встречными закрученными потоками нашли широкое применение как в системах аспирации, так и в инженерно-экологических системах на предприятиях различных отраслей промышленности. Это обусловило большое разнообразие в конструктивном исполнении аппаратов [2-4].

Теоретический анализ

Известны два типа аппаратов, в которых улавливание пыли осуществляется со встречными закрученными потоками [5, 6]: вихревой пылеуловитель (ВПУ) (рис. 1, а) и вихревой пылеуловитель со встречными закрученными потоками (ВЗП) (рис. 1, Ь).

b

Рис. 1. Схемы пылеуловителей ВПУ (а) и ВЗП (b) Fig. 1. Precipitators schemes: а - vortex dust collector; b - vortex swirling dust collector with colliding flows

Главным отличием аппарата ВЗП от ВПУ является использование в качестве вторичного потока очищаемого газа и подача его в оба канала пылеуловителя одним вентилятором, установленным перед аппаратом или за ним. Существенно различаются относительные размеры, конструкция и гидродинамика аппаратов ВЗП и ВПУ.

Результаты экспериментальных исследований

Аппараты ВЗП, в основном, имеют цилиндрическую форму. Но существуют модели, в которых форма корпуса нецилиндрическая. Поэтому представляется актуальным рассмотреть, как влияет форма корпуса на гидродинамическую структуру потока. Для этого рассмотрим два варианта неконической формы корпуса (рис. 2).

а b

Рис. 2. Нецилиндрические формы корпуса аппарата ВЗП: а - конический корпус аппарата; b - обратный конический корпус аппарата Fig. 2. Non cylindrical forms of the case of vortex swirling dust collector with colliding flows: a - conic case of the device; b - return conic case of the device.

В первом случае переход от меньшего сечения корпуса аппарата к большему (рис. 2, а) сопровождается преобразованием кинетической энергии потока в энергию давления. Основными геометрическими характеристиками, характеризующими такую форму корпуса аппарата, являются угол расширения а, степень расширения п1 = F1/F0 и длина I.

Начиная с некоторого угла расширения корпуса аппарата заданной длины, дальнейшее увеличение этого угла значительно повышает коэффициент сопротивления.

Возрастание коэффициента сопротивления корпуса аппарата заданной длины с дальнейшим увеличением угла расширения вызывается усиливающимся турбулентным перемешиванием потока, отрывом пограничного слоя от стенки корпуса аппарата и связанным с этим сильным вихреобразованием.

а

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Пограничный слой отрывается от стенок под воздействием положительного градиента давления вдоль корпуса аппарата, возникающего вследствие падения скорости при увеличении поперечного сечения (согласно уравнению Бернулли).

Характер профиля скорости в корпусе аппарата и длина его начального участка зависят не только от угла расширения, но и режима течения (числа Рей-нольдса) и формы профиля скорости на входе в корпус аппарата. В то же время, входной профиль обусловлен формой и геометрическими параметрами входного отверстия. При увеличении числа Яе профиль скорости становится более пологим, а длина начального участка диффузора уменьшается.

При постоянных условиях течения на входе и постоянной относительной длине I или степени расширения корпуса аппарата п1 = увеличение угла расширения, начиная с а = 0°, необходимо добиться устойчивого режима, т.е. безотрывного течения.

В симметричном корпусе аппарата с симметричным профилем скоростей (рис. 3) на входе отрыв потока от стенки возникает попеременно то на одной, то на другой стороне корпуса аппарата, что приводит к значительным колебаниям потока в целом.

Рис. 3. Распределение скорости по длине начального участка конического корпуса при Re = 2105 Fig. 3. Velocity distribution along the length of the initial section of the conical body at Re =2105

Во втором случае переход от большего сечения к меньшему (рис. 2, Ь) через плавно сужающийся участок также сопровождается сравнительно большими невосполнимыми потерями полного давления. Коэффициент сопротивления корпуса аппарата с прямолинейными образующими зависит от угла сужения а и степени сужения п0 = (и, соответственно, от относительной длины Ю0), а при малых числах Рейнольдса также и от числа Яе.

При достаточно больших углах (а > 10°) и степенях сужения (п0 < 0,3) после перехода от сужающегося участка корпуса аппарата к прямой части поток отрывается от стенок, что и обусловливает, в основном, местные потери полного давления. Чем больше а и меньше п0, тем значительнее отрыв потока и больше сопротивление корпуса аппарата.

При плавном уменьшении сечения, когда угол сужения очень мал (а < 10°) или когда сужающийся участок имеет очень плавные криволинейные образующие, поток не отрывается от стенок в месте перехода в прямой участок, и потери давления сводятся только к потерям трения в сужающейся части:

С = Ар,

фЮ о

Стр *

(1)

При очень малых числах Рейнольдса (1 < Яе < 50) коэффициент сопротивления корпуса аппарата как для корпуса аппарата с переходом от меньшего сечения к большему, так и для корпуса аппарата с переход от большего сечения к меньшему, будет равен:

Z = Ар P^L = ^ *

А_ Re

В пределах 5° < а < 40°

А =

19

<5(tg а)0,75

(2)

(3)

Коэффициент сопротивления, структура потока и отрывные явления в корпусе аппарата зависят от следующих параметров: угла расширения а, степени расширения п1 = формы поперечного сечения,

формы образующей, толщины пограничного слоя на входе, формы профиля скоростей на входе, степени турбулентноти потока на входе, режима течения как в пограничном слое, так и в основном потоке, сжимаемости потока (число Маха).

Для корпуса аппарата с переходом от меньшего сечения к большему существует оптимальная длина, которой соответствует минимальное гидравлическое сопротивление. При этом особенно важно предупредить возникновение отрыва на начальном участке перехода. Для этого полный угол между расходящимися стенками в начале перехода не должен превышать 8-10°.

где п0 - степень расширения (сужения) корпуса аппарата; а - угол расширения (сужения) корпуса аппарата.

Сопротивление аппарата ВЗП, в основном, обусловлено вращательным движением газа в нем, т.е. потерей кинетической энергии вращения потока в выхлопной трубе аппарата ВЗП. Эта потеря энергии происходит или одновременно с выходом потока из аппарата ВЗП в большой объем, или (при наличии за выхлопным патрубком длинного участка трубы) совместно с полной потерей тангенциальной составляющей скорости (трансформирующейся в давление, которое, в свою очередь, диссипируется, переходя в теплоту).

В газовой среде, чем меньше значение Яе, тем больше значение коэффициента гидравлического трения.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Возрастание Яе способствует относительному увеличению интенсивности циркуляции газа и, вместе с тем, обусловливает повышение относительных потерь кинетической энергии вращения, т. е. возрастание коэффициента сопротивления аппарата ВЗП.

Следовательно, при постоянных скорости и кинематической вязкости коэффициент сопротивления аппарата ВЗП должен также возрастать с увеличением его диаметра. Аналогичное влияние должно оказывать изменение относительной шероховатости стенок или относительной высоты местных выступов (места сварки, швы и т.п.).

Чем больше Б, тем выше потери давления. Это обусловлено влиянием состояния поверхности стенок аппаратов ВЗП. Следовательно, относительная шероховатость, как и относительная высота местных выступов, тем меньше, чем больше диаметр Б. Уменьшение относительной шероховатости должно было вызвать понижение коэффициента сопротивления трения, что ведет к повышению интенсивности вращения потока и, соответственно, с увеличением диаметра - к дополнительному возрастанию общего коэффициента сопротивления.

Таким образом, увеличение £ следует объяснить не только изменением Яе, но и (в большой степени) влиянием состояния поверхности стенок корпуса.

Многочисленные опыты [7, 8] показывают, что запыленность потока оказывает существенное влияние на сопротивление аппаратов ВЗП, снижая его по мере увеличения концентрации. Это происходит до определенных пределов концентрации, а именно таких, при которых потеря полного давления на транспортирование взвешенных частиц не превышает получаемый при этом выигрыш в энергии.

Причины влияния запыленности на характеристики потока в аппарате ВЗП многообразны и проти-

/-л

воположны по своему действию. С одной стороны, примесь тяжелых частиц в определенных пределах концентрации и дисперсности частиц оказывает подавляющее действие на пульсационные скорости турбулентного потока, уменьшая интенсивность турбулентного перемешивания и напряжение трения, тем самым изменяя как структуру вращающегося потока, так и его скорость. Поэтому сопротивление

аппаратов ВЗП должно возрастать. С другой стороны, затрачивая энергию на транспортирование взвешенных частиц, поток одновременно теряет энергию, расходуемую на его закручивание. Этому способствует сам процесс сепарации пыли в аппарате ВЗП. Взвешенные частицы наибольших размеров направляются после входа к стенке аппарата ВЗП и, контактируя с поверхностью стенки, теряют свою скорость. При отскакивании от стенки частицы подхватываются потоком, на что дополнительно затрачивается часть энергии вращения потока. Совершенно очевидно, что чем крупнее частицы, тем большая часть их участвует в данном процессе, а, следовательно, тем значительнее доля этой потери энергии.

Необходимо также иметь в виду, что сепарация взвешенных частиц до входа потока в выпускную трубу приводит к соответствующему уменьшению общей массы пылегазовой среды, а, следовательно, и кинетической энергии на выходе из циклона. Этим можно объяснить снижение потерь кинетической энергии.

Заключение

Утолщение пограничного слоя на входе в корпус аппарата способствует более раннему появлению неустойчивости пристенного слоя, периодическому срыву отдельных вихрей. Чем больше угол расширения корпуса аппарата, тем сильнее это явление, пока при определенных значениях а не происходит полный отрыв потока от стенок. Все это, в свою очередь, повышает общее сопротивление корпуса аппарата.

Увеличение длины корпуса аппарата и переход от большего сечения к меньшему приводит к возрастанию потерь на трение, а при недостаточной длине сопротивление увеличивается из-за отрыва потока от расходящихся стенок.

Уменьшение общего коэффициента сопротивления аппарата ВЗП при запылении газового потока свидетельствует о том, что факторы, обусловливающие снижение потерь при протекании запыленного потока через аппарат ВЗП, превалируют над факторами, вызывающими увеличение этих потерь.

Список литературы

1. Азаров В.Н., Сергина Н.М. Системы пылеулавливания с инерционными аппаратами в производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2003. № 8. С. 14-15.

2. Патент на изобретение RUS 2124384. Вихревой пылеуловитель / Азаров В.Н., Донченко Б.Т., Кошка-рев С. А., Мартьянов В.Н. // Заявл. 26.09.1996; опубл. 10.01.1999

References

1. Azarov V.N., Sergina N.M. Sistemy pyleulavlivania s inercionnymi apparatami v proizvodstve stroitel'nyh materialov // Stroitel'nye materialy. 2003. № 8. S. 14-15.

2. Patent na izobretenie RUS 2124384. Vihrevoj pyleulovitel' / Azarov V.N., Doncenko B.T., Koskarev S.A., Mart'anov V.N. // Zaavl. 26.09.1996; opubl. 10.01.1999

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

3. Патент на изобретение RUS 2176935 01.11.1999. Вихревой пылеуловитель для систем пневмотранспорта и аспирации / Азаров В.Н., Кош-карев С.А., Азаров В.Н. // Заявл. 01.11.1999; опубл. 20.12.2001

4. Патент на изобретение RUS 2343958 12.07.2007. Вихревой пылеуловитель / Ажгиревич А.И., Азаров В.Н., Грачев В. А., Артюхин А. С. и др. // Заявл. 12.07.2007 ; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 2.

5. Сажин Б. С., Гудим Л.И. Вихревые пылеуловители. М.: Химия, 1995.

6. Азаров В. Н. Пылеуловители со встречными закрученными потоками. Волгоград: Политехник, 2003.

7. Азаров В.Н. Комплексная оценка пылевой обстановки и разработка мер по снижению запыленности воздушной среды промышленных предприятий: автореферат дис. ... д-ра техн. наук / Ростовский гос. строительный у-тет. Ростов-на-Дону. 2004.

8. Артюхин А. С., Пономарева Н.С., Недре А.Ю. О расчете траекторий частиц в пылеулавливающих аппаратах систем вентиляции // Вестник Волгоградского гос. архитектурно-строительного у-та. Сер.: Строительство и архитектура. 2008. № 12. С. 96-100.

3. Patent na izobretenie RUS 2176935 01.11.1999. Vihrevoj pyleulovitel' dlâ sistem pnevmotransporta i aspiracii I Аzarov V.N., Koskarev SA., Аzarov V.N. II Zaâvl. 01.11.1999; opubl. 20.12.2001

4. Patent na izobretenie RUS 2343958 12.07.2007. Vihrevoj pyleulovitel' I АzgireviC А.1., Аzarov V.N., Gracev VA., АгШЫп А^. i dr. II Zaâvl. 12.07.2007; opubl. 20.01.2009. Bûl. № 2.

5. Sazin B.S., Gudim L.I. Vihrevye pyleuloviteli. M.: Himiâ, 1995.

6. Аzarov V.N. Pyleuloviteli so vstrecnymi zakrucennymi potokami. Volgograd: Politehnik, 2003.

7. Аzarov V.N. Kompleksnaâ ocenka pylevoj obstanovki i razrabotka mer po snizeniû zapylennosti vozdusnoj sredy promyslennyh predpriâtij: avtoreferat dis. ... d-ra tehn. nauk I Rostovskij gos. stroitel'nyj u-tet. Rostov-na-Donu. 2004.

8. АгШЫп А.S., Ponomareva N.S., Nedre АЛ. O rascete traektorij castic v pyleulavlivaûsih apparatah sistem ventilâcii II Vestnik Volgogradskogo gos. arhitekturno-stroitel'nogo u-ta. Ser.: Stroitel'stvo i arhitektura. 2008. № 12. S. 96-100.

Транслитерация по ISO 9:1995

с---* — TATA — (_XJ

вв

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013