CC BY
180
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТЫ
УДК 532:621.1
Ю. М. АХМЕТОВ, Р. Р. КАЛИМУЛЛИН, Р. Ф. ХАКИМОВ, В. А. ЦЕЛИЩЕВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЕ
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований течения несжимаемых жидкостей в вихревом теплогенераторе. Предложен комплекс безразмерных критериев анализа характеристик вихревых теплогенераторов. Вихревой теплогенератор; вихревое течение; кавитация, газовая фаза
Проблема интенсификации процессов тепломассообмена имеет важное значение для достижения прогресса в совершенствовании современных и создании новых энергетических и теплообменных аппаратов. Среди многообразия способов интенсификации теплообмена закрутка потоков рабочих сред является одним из наиболее простых и распространенных способов. Этот способ широко используется в энергонапряженных каналах теплообменников, химической промышленности и других технических устройствах.
Современные исследования показывают, что закрученные потоки привлекают к себе все более пристальный интерес как разработчиков, так и потребителей. Это обуславливается тем, что особые свойства закрученных течений имеют широкий диапазон технических приложений в энергетическом, теплообменном и технологическом оборудовании ядерной энергетики, аэрокосмической технике, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, на транспорте, промышленной теплоэнергетике.
Одним из направлений кафедры прикладной гидромеханики УГАТУ является исследование гидродинамических и тепловых процессов нестационарного течения несжимаемых жидкостей с целью разработки высокоэффективных принципов преобразования энергии.
Исследованиями показано, что одним из наиболее эффективных и экологически безопасных устройств для преобразования энергии вихревого движения жидкости в тепло является вихревой теплогенератор.
Контактная информация: тел. (347) 273-09-44 Исследования выполнены в соответствии с планом работ по направлению «Новые и возобновляемые источники энергии» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Для проведения экспериментальных исследований вихревого течения несжимаемых жидкостей спроектирована и изготовлена установка (рис. 1), оснащенная системой измерения давления и температуры. Экспериментальная установка объемом рабочей жидкости 0,02 м3 включает в себя электродвигатель 1 мощностью 15 кВт, центробежный насос 2 напором 7 м, вихревую трубу 3.
Рис. 1. Экспериментальная установка:
1 - электродвигатель; 2 - насос центробежный; 3 - вихревая труба;
4 - точки регистрации давления и температуры
Установка позволяет проводить экспериментальные исследования процессов высоконапорных вихревых течений в «пассивном» вихревом теплогенераторе.
В результате экспериментальных исследований удалось нагреть жидкость объемом
0,02 м3 до 100 °С за 11 минут. Рост температуры происходил линейно, однако рост давления имел форму пилообразной кривой (рис. 2).
300 400
Время, с
Рис. 2. Результаты экспериментальных исследований
При периодическом стравливании воздуха в емкости У1 и У2, как показано на рис. 3, давление в вихревом теплогенераторе (ВТГ) выравнивалось до определённого момента, а затем снова возрастало. В качестве рабочей гипотезы определён кавитационный эффект, определяющий характер гидродинамических процессов в теплогенераторе.
Рис. 3. Схема подключения емкостей для измерения количества выделившегося газа
Под кавитацией понимают появление в капельной жидкости областей (каверн), заполненных парами или газами, выделившимися из жидкости [1].
Кавитация относится к нестационарным явлениям, так как она представляет процесс возникновения, роста и схлопывания каверн.
Кавитация вызывает ряд эффектов, которые могут быть разделены на первичные и вторичные. К первичным эффектам гидродинамической кавитации, возникающим в местных сопротивлениях, можно отнести:
• повышение давления вследствие всхлопывания кавитационных каверн, сопровождающегося гидравлическими ударами;
• излучение звуковых импульсов;
• повышение температуры в зоне захлопывающихся каверн;
• конденсацию паров жидкости в зоне повышенного давления;
• люминесценцию - свечение
кавитационной области вследствие развития высоких давлений и температур в микрообъемах захлопывающихся каверн и др.
К вторичным эффектам кавитации, обычно приводящим к разрушению или изменению структуры материала стенок, ограждающих поток жидкости, можно отнести: механическое и температурное разрушение, окисление и др.
Так как вихревой теплогенератор является закрытой системой, то протекающие процессы являются изохорными. Тогда рост температуры сопутствует увеличению давления в системе.
Условие сжимаемости жидкости [2]:
Ар =, (1)
V-Рр
где Рр - коэффициент объемного сжатия (м2/Н); У0 - начальный объем;
АV = V - Уп.
(2)
Знак минус в формуле обусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема V.
Из условия температурного расширения [2]:
V = V (1+ РГ АТ), (3)
где рТ - коэффициент объемного расширения; АТ - перепад температур.
Рост давления по условиям (1), (3)
соответствует:
Ар = -^-АТ.
Р р
(4)
При подогреве жидкости объемом 0,02 м3 на температуру АТ = 17 °С теоретический перепад
давления составляет Др= 10,3 МПа. Однако по результатам экспериментов перепад давления Ар= 0,135 МПа (рис. 4).
АР экспер/ Па -10 4
/ДРэка іеримента пьмое
Ч,
АР ТЕОР 100
75
50
25
20
40
60 80 Время, с
100
120
0
140
Рис. 4. Сопоставление теоретического и экспериментального перепада давления
Это объясняется тем, что в системе имеется «газовая подушка», которая компенсирует перепад давления.
Известно, что в единице объема жидкости (вода) имеется некоторое количество растворенного газа, которое определяется по закону Генри [3]:
Уг /Уж = кР/Po, (5)
где УГ - объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (р0, Т0); УЖ - объем жидкости; к - коэффициент растворимости (для воды к = 0,016 при н. у.); р - давление жидкости.
Растворенные газы будут выделятся из жидкости, когда отношение к\ = УГ/УЖ превзойдет значение коэффициента растворимости газа к\, являющегося функцией давления р и температуры Т [3].
Результаты экспериментальных исследований выявили, что в системе, заполненной жидкостью (У = 0,02 м3), имеется больше газа, чем исходя из условия (5).
Это может объяснять то, что в определённый момент времени происходит интенсивное выделение растворенной газовой фазы, т.е. появляется эффект кавитации.
В связи с этим появилась необходимость выявления точного количества выделившегося газа в системе.
Методика измерения количества выделившегося газа заключается в следующем: выделившийся газ при кратковременном открытии дросселя из верхней точки ВТГ поступает в емкость У1 (рис. 4), заполняет воздушную подушку. Повышение давления в емкости У1 способ-
ствует перетеканию жидкости в емкость У2. Количество вытекшей жидкости соответствует количеству выделившегося газа из вихревого теплогенератора.
В табл. 1, на рис. 5 представлены результаты экспериментальных исследований по выявлению количества растворенного воздуха в вихревом теплогенераторе.
Таблица 1
Количество выделившейся смеси (жидкость +газ)
№ замера Объем выделившейся смеси, мл
Емкость VI Емкость V2
0 1000 0
1 1000 12
2 1150 13
3 1400 61
4 1450 335
5 1600 490
Рис. 5. Количество выделившейся смеси при открытии дросселя
На основе обобщенной физикоматематической модели вихревого эффекта и на критериальной базе, предложенной
А. А. Фузеевой для газовой вихревой трубы [4], разработана наиболее адекватная критериальная база процесса повышения температуры в вихревой трубе. Рассмотрено геометрическое, динамическое, кинематическое и
термодинамическое подобие.
В результате обезразмеривания системы уравнений представленной математической модели и геометрических характеристик вихревых труб подобие предлагается описывать указанными ниже комплексами.
4 • ^
Геометрические: =----2- - отношение
п •
площади проходного сечения тормозного устройства к площади вихревой камеры, характеризующее степень сжатия потока;
г ^к ~
/ = —— отношение длины вихревой камеры к
ее диаметру, характеризующее размер зоны устойчивого вихря до спрямления потока и его
/ ¿ь
торможения; /ь =------- - отношение диаметра
¿Vк
байпасной линии к диаметру вихревой камеры, характеризующее параметры обратной связи по температуре и параметры потока в вихревой камере.
ляющей скорости к среднерасходной скорости во входном сечении конфузора.
ц • с
Термодинамические: Рг =
- число
Прандтля; Бг =
- число Фруда;
Ей = ■
р-и
- число Эйлера; БЬ =-------- - число
I
и
Динамические: ць =
0_
01
отношение рас-
хода потока через байпас к входному расходу; цк = О- - отношение расхода потока после
тормозного устройства к входному расходу;
4 • 01
Яе = -
ПУ1^1
отношение силы инерции к силе
вязкости (число Рейнольдса).
Кинематические: иг = — =
' и,
и рК
г~ с 01
- отно-
шение радиальной составляющей скорости к среднерасходной скорости во входном сечении и- и-РКс
конфузора; и = —- = -
и,
01
- отношение ок-
ружной составляющей скорости к среднерасходной скорости во входном сечении конфузо-
ра; иг = — = и
и рК
Струхаля; Яо = ^ - число Росби.
Выразим температурную эффективность трубы через перечисленные выше параметры:
П, = / (/, /, I.ь ^Д^Е^БЬ^Д0 ).
Таким образом, критериальная база вихревого теплогенератора позволяет устанавливать требования, которые следует предъявлять к лабораторной модели и проведению на ней исследуемого процесса, для того чтобы результаты моделирования могли быть использованы для проектирования реальных объектов.
В рамках приоритетного национального проекта «Образование» в 2007-2008 гг. в УГАТУ на кафедре прикладной гидромеханики в лаборатории учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика» разработан многофункциональный стенд «Гидродинамическое моделирование высокоскоростного многофазного течения жидкостей» (рис. 6, табл. 2).
а б в
Рис. 6. Стенд «Гидродинамическое моделирование высокоскоростного многофазного течения жидкостей»: а - насосная станция; б - общий вид стенда; в - вихревой теплогенератор с узлом визуализации в вихревой трубе до крестовины
и
Таблица 2
Технические характеристики стенда «Гидродинамическое моделирование высокоскоростного многофазного течения жидкостей»
Параметр Значение
Мощность электропривода насоса вгип^08 СЯКЕ (контур высокого давления), кВт 22
Мощность электропривода насоса вгип^08 СЯМЕ (контур низкого давления), кВт 7,5
Напряжение питания электродвигателей, В 380
Максимальное рабочее давление, Пах105 25
Диапазон регулирования подачи, л/мин 0-830
Рабочая жидкость вода
Температурный диапазон рабочей жидкости, °С 0 - 130
Данный стенд позволяет моделировать течение жидкости в «пассивных» теплогенераторах с возможностью визуализации процессов течения вихревых высоконапорных струй жидкости (рис. 6, в).
Входящее в состав стенда устройство с ультразвуковым, высокочастотным и высокопотенциальным возбуждением кавитационных процессов с получением высокотемпературной плазмы позволяет производить экспериментальные исследования в области плазмообразующих технологий на основе безуглеродных водосодержащих жидкостей.
В результате проведенных экспериментальных исследований процессов высоконапорных вихревых течений в «пассивном» теплогенераторе на стенде гидродинамического моделирования за 2 часа жидкость объемом 0,5 м3 нагрелась до 60 °С (рис. 7, 8) [5].
т"с
Время,с
Рис. 7. Результаты экспериментальных исследований
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, получены экспериментальные данные о гидравлических параметрах вихревого теплогенератора.
Анализ эмпирических зависимостей при испытаниях вихревого теплогенератора позволил определить концепцию математического моделирования вихревого течения жидкости в теплогенераторе, определиться с начальными и граничными условиями, провести верификацию и вывести эмпирические коэффициенты.
4№#7ПАТЮ1ЧД1- 1Н4ТШМ£НТ5'
ОІАсІеш
Рис. 8. Изменение давления по тракту вихревого теплогенератора
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арзуманов Э. С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. М.: Энергия, 1978. 304 с.
2. Калекин А. А. Гидравлика и
гидравлические машины: учеб. пособие. М.: Мир,
2005.
3. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 2003. 840 с.
4. Фузеева А. А., Пиралишвили Ш. А. Подобие в вихревых энергоразделителях Ранка // Инженернофизический журнал. 2006. Т.79. №1. С.29-34.
5. Ахметов Ю. М., Калимуллин Р. Р., Целищев В. А. Численное и физическое моделирование течения жидкости в вихревом теплогенераторе // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета 2010 Т.14, №4(39)
ОБ АВТОРАХ
Ахметов Юрий Мавлютович, доц. каф. прикл. гидромех., зам. ген. дир. НИИТ. Дипл. инж.-мех. по авиац. двиг. (УАИ 1959). Канд. техн. наук по тепл. двиг. (МАИ, 1978). Иссл. в обл. газогидр. течений и систем упр. энерг. установок.
Калимуллин Радик Рифкатович, аспир. той же каф. (УГАТУ, 2009). Дипл. инж. техн. и технол. по энергомашиностроению (УГАТУ, 2008). Иссл. в обл. высоконапор. многофаз. течения жидкости.
Хакимов Рустем Фанилевич, магистрант той же каф. (УГАТУ, 2010). Дипл. бакал. вакуум. и компресс. техн. (УГАТУ, 2009) Иссл. в обл. высокона-пор. многофаз. течения жидкости.
Целищев Владимир Александрович, зав. каф., проф. каф. прикл. гидромех. Дипл. инж.-мех. по гид-равл. машинам (УГАТУ, 1982). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. автоматики энергетических установок.
