CC BY
13
УДК 621.928.3
ДИНАМИКА ДВУХФАЗНОГО ТЕЧЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ. ЧАСТЬ III
Д.Н. ЛАТЫПОВ, А.Н. НИКОЛАЕВ
Представлены результаты исследования закономерностей изменения коэффициента крутки потока в вихревых аппаратах, предназначенных для комплексной очистки газовых выбросов энергетических установок, работающих на твердом топливе.
Одной из основных характеристик вихревых аппаратов является степень крутки потока газа. Изменение степени крутки потока по длине вихревого аппарата оказывает влияние на его гидравлическое сопротивление и эффективность очистки газа.
Для оценки степени крутки потока в произвольном сечении канала наиболее широкое распространение получил интегральный параметр крутки [1-3]
П = М / КЯ , (1)
я
где М = 2лр|г WzWydr - осевая составляющая потока момента количества 0
движения; К = 2п| г (эWz2 + р^1г - осевая составляющая полного потока 0
количества движения; Я - радиус канала, г - текущий радиус; р - статическое давление; р - плотность газа; Wz и Wф - осевая и тангенциальная компоненты скорости.
В работе [4] в качестве параметра крутки выбрано отношение максимальных значений тангенциальной и осевой компонент скорости
пр = Wф max / Wz max . (2)
Взаимосвязь указанных параметров крутки может быть достаточно точно описана зависимостью
пр/2
П =---Р---- . (3)
1 - пр/2
В работах [5] и [6] предложено использовать модификации параметра пр : пр = Wфmax / Wcр и пр = 2рМЯ / ^т , (4)
© Д.Н. Латыпов, А.Н. Николаев Проблемы энергетики, 2003, № 7-8
где Gm - массовый расход газа; Wср - среднерасходная скорость газа.
Анализ различных выражений для параметра крутки, проведенный в работе [1], показал, что наиболее приемлемой для определения степени крутки является зависимость (1). В работе [7] указывается на возможность использования упрощенной модификации интегрального параметра крутки
однозначно характеризует особенности локальной структуры закрученного потока и его интегральные свойства. В настоящей работе использовался интегральный параметр крутки в форме выражения (1).
В результате обработки экспериментальных результатов при движении двухфазного потока в аппарате с тангенциально-лопаточным завихрителем при коэффициентах крутки A =2,17; 1,35; 0,98 было установлено, что изменение интегрального параметра крутки по высоте аппарата, отнесенное к интегральному параметру крутки на входе в контактную зону О н, не зависит от коэффициента крутки завихрителя (рис. 1, линия 1). Изменение параметра крутки по длине аппарата для любого коэффициента крутки завихрителя может быть описано зависимостью
где l - расстояние от завихрителя; d - диаметр аппарата.
В условиях двухфазного течения наблюдается более значительное снижение крутки, чем в однофазном потоке (рис. 1). Для определения изменения интегрального параметра крутки по высоте контактной зоны в условиях двухфазного потока обрабатывались результаты измерения составляющих скорости газа, полученные на различных удалениях от завихрителя (2,85; 3,6; 5,6; 7,6 диаметров аппарата) при равных отношениях массовых расходов
жидкости и газа (Lm/Gm). Жидкостью орошалась зона аппарата между завихрителем и сечением, в котором проводились измерения. Результаты (рис. 1, линии 2 и 3) указывают на то, что разность между изменением параметра крутки однофазного потока и двухфазного при фиксированном Lm/Gm слабо зависит от длины зоны контакта. Это позволяет учитывать влияние орошения на снижение интегрального параметра крутки в виде величины А, не зависящей от длины зоны орошения и являющейся функцией коэффициента крутки завихрителя и отношения массовых расходов жидкости и газа. Обработка результатов экспериментального исследования показала, что А линейно связана с величиной Lm/Gm (рис. 2) и может быть определена по зависимости
Относительный интегральный параметр крутки в произвольном сечении © Проблемы энергетики, 2003, № 7-8
О = M / K * я,
(5)
где K* = 2'крj wZ^г . Параметр крутки по выражению (5), также как и (1), 0
(6)
АО’ = 0,18^^).
(7)
аппарата может быть вычислен путем вычитания величины Д / Лн из отношения О / Он для однофазного потока. Следует отметить, что
аппроксимации (6) и (7) справедливы только для значений соотношений массовых расходов жидкости и газа и расстояний от завихрителя, находящихся в интервалах, в которых проводились исследования (Ьт/От = 0...2 кг/кг; I /й = 0...8).
Рис. 1. Изменение относительного интегрального параметра крутки по длине вихревого аппарата: и=100 мм; Ьш/Сш, кг/кг: 1 - 0; 2 - 0,4; 3 - 0,8; А: а - 2,17;
б - 1,35; в - 0,98
Рис. 2. Зависимость интегрального параметра крутки от соотношения массовых расходов жидкости и газа: d=100 мм; l/d = 2,85; A: а - 2,17; б - 1,35; в - 0,98 Зависимости (6) и (7) позволяют определить интегральный параметр крутки потока на входе в контактную зону, который обеспечивает эффективную сепарацию капель по всей высоте аппарата. В качестве показателя степени сепарации может быть принята величина максимального осевого смещения
© Проблемы энергетики, 2003, № 7-8
капель на выходе из контактной зоны или минимальный размер осаждаемых на выходе капель. Эти величины связаны с минимальным параметром крутки на выходе и могут быть определены, если известны профили составляющих скорости потока в этом сечении. На выходе из аппарата при значениях отношения массовых расходов жидкости и газа более 1,6 можно в первом приближении принять профили, описывающие квазитвердое вращение: Wz = WCp = const, W<p = Cr , где С - радиальный градиент тангенциальной
составляющей скорости. Подстановка этих выражений в (5) позволяет получить
П = CR / 2Wcp. (8)
Значение С, соответствующее заданному осевому смещению капель, определяется в результате решения уравнений движения капель в закрученном потоке газа.
Величина интегрального параметра крутки на входе в рабочую зону аппарата (в выходном сечении тангенциально-лопаточного завихрителя) Пн однозначно связана с коэффициентом крутки завихрителя A, который зависит только от геометрических параметров. На рисунке 3 представлена зависимость Пн = f (A) для тангенциально-лопаточного завихрителя, построенная по данным настоящего исследования и данным работ [8-9].
Рис. 3. Зависимость интегрального параметра крутки на выходе из тангенциально-лопаточного завихрителя от коэффициента крутки: а - данные работы [8]; б - данные работы [9]; в - данные
авторов
Summary
The results of an experimental research of gas motion dynamics under the conditions of © Проблемы энергетики, 2003, № 7-8
single and two-phase flows in a wide range of phase discharges and characteristic device sizes are presented.
Литература
1. Аэродинамика закрученной струи / Под ред. - Р.Б. Ахмедова. - М.: Энергия, 1977. - 240 с.
2. Матур М., Маккалум Н. Закрученные воздушные струи, вытекающие из лопаточных завихрителей // Экспресс-инф., сер. Теплоэнергетика. - 1967. - № 41. - Реф. 156. - С. 1-42.
3. Хигир, Червинский. Экспериментальное исследование закрученного вихревого движения в струях // Труды ASME, сер. Д, Теоретические основы инженерных расчетов. - 1967. - Т.34. - С. 208-216.
4. Устименко Б.П., Ткацкая О.С. Аэродинамика закрученной струи // В кн. : Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. - Алма-Ата: Наука, 1970. - Вып. 6. - С. 211-216.
5. Крашенинников С.Ю. Исследование затопленной воздушной струи при высокой интенсивности закрутки // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. - 1971. - № 6. - С. 148-154.
6. Калашников В.Н., Райский Ю.Д., Тункель Л.Е. О возвратном течении закрученной жидкости в трубе // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. - 1970. - № 1. - С. 185-187.
7. Щукин В.К. , Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982. - 200 с.
8. Нурнсте Х.О., Иванов Ю.В., Луби Х.О. Исследование аэродинамики потока в закручивающих потоках // Теплоэнергетика. - 1978. - № 1. - С. 3739.
9. Коротков Ю.Ф., Овчинников А.А., Николаев Н.А. Исследование аэродинамических характеристик массообменных аппаратов с вихревыми контактными ступенями // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. -1973. - Т. 16. - № 7. - С. 1105-1108.
© Проблемы энергетики, 2003, № 7-8
