МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
Агарков А.М., аспирант, Шарапов Р.Р., д-р техн. наук, проф., Бойчук И.П., канд. техн. наук, доц., Прокопенко В. С., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАТОРА
alexagarkof@mail. ™
Проведен анализ и расчет гидравлического сопротивления концентратора сепарационного воздуха. Приведена формула полного гидравлического сопротивления при различных геометрических размерах концентратора и различных углах наклона отражающих лопаток. Представлены график изменения гидравлического сопротивления в зависимости от скорости входного потока, диаграмма вклада в гидравлическое сопротивление различных слагаемых, график изменения гидравлического сопротивления концентратора в зависимости от диаметра частиц.
Ключевые слова: концентратор, гидравлическое сопротивление, скорость потока, диаметр частиц.
Введение. Все многообразие пылеочистно-го оборудования имеет две важнейшие характеристики: эффективность улавливания пыли и гидравлическое сопротивление. Для увеличения эффективности работы и уменьшения гидравлического сопротивления учеными усовершенствуются конструкции данного оборудования [2, 3]. Одним из таких оборудований является концентратор, предназначенный для улавливания пыли и разделения ее по фракциям.
Важной характеристикой концентратора является его гидравлическое сопротивление, т.е. значение энергозатрат на очистку 1 м3 газа. Для уменьшения гидравлического сопротивления в концентраторе модернизируют его конструкцию, которая влияет на движение потока загрязненного воздуха. Полное сопротивление складывается из потерь напора на входе в подводящий патрубок, на направляющем устройстве на выходе, на преодоление трения газового потока о стенки корпуса и на поворот потока [4, 6].
Основная часть. На входе, представляющем собой диффузор с переходом круга на прямоугольник, гидравлическое сопротивление определяется, согласно [5], следующим выражением:
2 2
(1)
Коэффициент трения вычисляется по формуле [1]:
Л
(
^тр
Л
8sin V 2
>-4
nrn j
(2)
эквивалентный угол расширения определяется соотношением (рис. 1):
a_2Mbi/п - D0
2
2L
(3)
Л = f (Re, А) вычисляется по таблицам и диа-
= Si
грамм [1], пп1 = у, - степень расширения
диффузора.
Коэффициент сопротивления расширению определяется выражением:
? расш = Ъ
1-1-n
Л
(4)
п1 j
где kD определяется в зависимости от диффузора.
Для выхода, который является конфузором,
гидравлическое сопротивление равно:
22 Ар = Я = {д +д) ^
г вых ? г\ \Г1р 7м/ /-Ч
2 У 7 2 (5)
Коэффициент сопротивления трения представляется формулой (2). Коэффициент местного сопротивления:
Ям =(
где a p = 0,01745 • a
(-0,0125n0+0,0224n3 - 0,00723n0 + 0,00444n0 - 0,00745)( a3p - 2nap-10a p),
(6)
S0
n = 0/
/I
степень сужения.
Рис. 1. Схема входного диффузора
В пределах 10° < а < 40° общий коэффициент сопротивления остается почти постоянным и
РаВНЫМ Я = $тр + Ям ~ 0,05
Гидравлическое сопротивление плоского поворота потока на 180° равно:
\ щ /
А Рп =
2
2 (7)
где ^п = 4,0 - 4,2
При обтекании решетки лопаток гидравлическое сопротивление будет равно:
А Рл = = а1°2'
(8)
£
Рг + Фз
\
I
&+М и + с1и
р + с!р
Рис. 2. Расчетная схема
где <г1шах = 1,33 при угле атаки 0о = 40°, а
°2шах = 4,7 при Угле атаки = 60°.
При движении воздуха с твердыми приме- движения в проекции на ось 2 с учетом сил сями потери давления можно посчитать следу- трения о стенку камеры:
ющим образом. Записав уравнение Бернулли для сечения S1 и S2 (рис. 2), получим:
22 Р^2
ри г- Л
= Р2 + + А Р,
Напишем уравнение сохранения количества ения в проекции на ось 2 с учете га о стенку камеры: р8 - Р282-^РН-^ = Р$2Ъ2 -.ри2^, (11)
_ ЛрV2
где Р - периметр камеры, т0 = -—-— [5]. От-
4 2
откуда
А р = р- Р2+
Р (и2-I)
(9) сюда:
Р- Р2 = Р2
/ S Л 1-8
S1
РН +Ж + Р
S1 S1 "
S
Я28 - и2
. S1 .
А Р = Р2 Найдем давление Р2:
' S Л 1 - S2
V У
Sl
(10) РН , ^
Подставляя (12) в (11), получим:
+ г„ — +
^ Sl
+ Р
S
Я2^. - и2 . 8
Л Р1"2 .+—
(и2)
у
2
(12)
(13)
2 Н Sp (у-Я)|у-| Р2 =-р!2 + |рСх (3^-^-^
0 VР
Подставив в (13), получим:
(14)
А р =
Л( и+|)2 4
РН+1 (4S2. - 38!)- S1u2
8Р + 2 8
1-8 И рСх р
8р (у-|у-|
dz
Полное гидравлическое сопротивление будет равно:
81Л Vp 2 Ь = АРвх + А Ры +АРп +А Рл + А Р.
(15)
(16)
2
2
Формула (16) дает возможность определить полное гидравлическое сопротивление концентратора при различных геометрических размерах концентратора и различных углах наклона отражающих лопаток. В таблице 1 показаны расчеты по гидравлическому сопротивлению концентратора при различных скоростях на вхо-
де при следующих данных: р = 1,2 кг/м3, S0 = 7,24-10
-3 м2
^ = 2,25 -10-
м
Р = 1000
d = 100 мкм, ^ = 3,75 -10-2 м2, мм, Н = 600 мм,
2= 0,075, а = 45°, Сх =1,8, р = 1 кг/м3.
Таблица 1
Расчеты по гидравлическому сопротивлению концентратора
У0, м/с 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
h, Па 44,05 140,68 301,78 527,34 817,38
График изменения гидравлического сопротивления в зависимости от скорости входного //, Па
900.00
потока имеет квадратичный вид и показан на
рис. 3.
воо.оо "00.00 600,00 500.00 400.00 300.00 200.00 100,00 0,00
► 817.38
(^527,34
К140.68
5.00
10,00
20.00
25,00
15.00
чо, м/с
Рис. 3. Изменение гидравлического сопротивления в зависимости от скорости входного потока
Вклад в гидравлическое сопротивление слагаемых формулы (16) при скорости входящего потока 25 м/с показан на рис. 4.
Ряд1; лопатки; 0,1; 0%.
Ряд1; трение; 1,7; 2%
Ряд1; поворот потока; 57,8; 58%
Ряд1; входное; 39,0; 39%
входное выходное поворот потока лопатки трение
Ряд1; выходное; 1,3; 1%
Рис. 4. Диаграмма вклада (в %) в гидравлическое сопротивление различных слагаемых
2
h, Па 1000,00
950,00
900,00
850.00
800,00
750,00
700,00
Ik 945,1
83
1,57 ►
81 \3S 81 2,65 81 0,28
10
50
100
150
200
d, мкм
Рис. 5. Изменение гидравлического сопротивления концентратора в зависимости от диаметра частиц
Выводы. Наибольший вклад в гидравлическое сопротивление концентратора дает входное сопротивление и сопротивление на поворот потока. Потери на трение и сопротивление межфазового взаимодействия не превышают 2 %.
Найдены соотношения для определения гидравлического сопротивления концентратора с учетом входных - выходных эффектов, поворотом потока воздуха, влиянием отражающих лопаток, трения и межфазового взаимодействия. Показано, что наибольшее влияние на гидравлическое сопротивление имеют скорость входящего потока и размер частиц. С увеличением скорости растет гидравлическое сопротивление. Обратный эффект с увеличением размера частицы - чем больше частица, тем меньше гидравлическое сопротивление концентратора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
2. Овсянников Ю.Г., Агарков А.М. Экспериментальные исследования аэродинамических
характеристик системы аспирации с принудительной рециркуляцией // Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений: сб. докладов Междунар. науч.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. Т. II. С. 166-169.
3. Орехова Т.Н., Уваров В.А. Теория и расчет пневмосмесителей непрерывного действия: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 114 с.
4. Прокопенко В.С., Шарапов Р.Р., Агарков
A.М., Шарапов Р.Р. Оптимизация работы оборудования для получения тонкодисперсных порошков // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. №1. С. 80-83.
5. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. М: Стройиздат, 1979. 295 с.
6. Харламов Е.В., Шарапов Р.Р., Шаптала
B.Г., Шаптала В.В. Моделирование процесса разделения в магнитно-аэродинамическом сепараторе // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №4. С. 91-95.
Agarkov A.M., Sharapov R.R., Boychuk I.P., Prokopenko V.S. HYDRAULIC RESISTANCE OF HUB
Analyzed and calculated of hydraulic resistance the air separation hub. The formula of full hydraulic resistance for different geometrical sizes hub and different angles of reflecting blades given. Presented graph of change of hydraulic resistance depending on the speed of the input stream, contribution to the hydraulic diagram of the resistance of various summands, graph of change of hydraulic resistance the hub depending on the particle diameter.
Key words: hub, hydraulic resistance, the flow rate, the particle diameter.