CC BY
92
УДК 66.021.4
В. В. Алексеев, И. И. Попик-аров, П. В. Алексеев
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВИХРЕВОГО ПЫЛЕГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЯ
Ключевые слова: аэродинамика, конструктивные параметры, аппарат.
Исследованы конструктивные и режимные параметры, влияющие на аэродинамические закономерности вихревого пылегазоразделителя на основе анализа распределения тангенциальной и осевой составляющих в различных технических устройствах - циклонах, циклонных, циклонно-вихревых камерах, сепараторах и других аппаратах вихревого типа.
Keywords: aerodynamics, design parameters, device.
Design and operational parameters influencing the aerodynamic appropriateness of the vortex dust and gas separator on the basis of the tangential and axial components in a variety of technical devices- cyclones, cyclone, cyclone - vortex chambers, separators and other vortex chambers, separators and other vortex devices are studied.
Эффективность пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя [1] определяется аэродинамическими закономерностями: распределениями тангенциальной V осевой V и радиальной VI- составляющими скорости в зонах центробежного пылеулавливания. При этом степень интенсификации процесса разделения газовых неоднородных систем зависит, главным образом, от абсолютного значения и характера распределения тангенциальной скорости по радиусу и высоте зон пылеулавливания. Основными последовательно расположенными зонами пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя (ПГР), описание конструкции которого представлено в [2], являются: входная зона, основная и дополнительная зоны, организованные винтовыми закручивающими устройствами (ВЗУ).
В данной работе даётся анализ, сопоставление экспериментальных данных по аэродинамическим характеристикам движения газа в пылеулавливающих и тепло-массообменных устройствах [3-7], трубах и кольцевых каналах с переменной и постоянной круткой потока [8-11], моделирующих зоны пылеулавливания вихревого ПГР.
Аэродинамическая структура входной зоны пылеулавливания, представляющей собой кольцевой канал с однозаходным тангенциальным закручивающим устройством (ТЗУ), определялась геометрическими параметрами: наружным диаметром d выхлопной трубы, внутренним диаметром й аппарата, шириной а и высотой Ь входного патрубка ТЗУ, а также высотой зоны Ивх и шероховатостью е стенок.
Относительными конструктивными параметрами входной зоны пылеулавливания служат: коэффициент крутки потока Кт = РВх/^ = 4 • а • Ь/[п .(1-62 ^ где
Р =ж.(п2 - d2)/4 и р = а • Ь - площади кольцево-
к \ / вх
го канала и входного патрубка, а = а / Б и Ь = Ь / Б - относительные ширина и высота входного патрубка, d = d / Б - относительный диаметр выходного патрубка; относительный радиус входного момента количества движения
Я = 2 • Ях/Б = 1 + а, где знак “+” используется для
циклонов с улиточным, а “- ” - для циклонов и исследуемого аппарата с простым ТЗУ; относительная длина входной зоны пылеулавливания к = Нех /Б и
относительная шероховатость стенок е = 5 / Б .
Коэффициент крутки потока для различных технических устройств - циклонов, сепараторов, тепло-массообменных контактных устройств, циклонных и циклонно-вихревых камер может принимать значения от 0,02 до 2,5 [3,4]. Для высокоэффективных циклонов и циклонных камер значение Кт лежат в пределах от 0,02 до 0,20 (0,30), а для высокопроизводительных - от 0,2 до 0,4 (0,6) [3]. Для обобщения аэродинамики и сопротивления закрученных потоков в трубах [5] и циклонах также используется относительная площадь входа р = р /р, где к = ж• Б2 /4 - площадь поперечного
сечения трубы, а связь этого параметра с Кт имеет
вид Кт = Рх /(1 - а2).
Уменьшение значения коэффициента крутки потока приводит к возрастанию тангенциальной составляющей скорости [6]. При этом увеличение значения скорости Уф приводит к увеличению статического давления вблизи стенок камеры и аэродинамического сопротивления камеры. За счёт увеличения крутки потока максимум тангенциальной составляющей скорости Уфт располагается несколько дальше от оси вращения.
Уменьшение значений коэффициента Кт осуществляется за счёт уменьшения относительных ширины а или высоты Ь входного патрубка ТЗУ. На рис. 1 представлено распределение тангенциальной Уф и осевой V составляющих скорости потока газа по радиусу контактной зоны трубы для различных значений Кт в контактном устройстве, организованном многозаходным ТЗУ щелевого типа [7]. Анализ зависимости у = у(г) показал увеличение
абсолютных значений тангенциальной составляющей скорости, и смещение её максимума к периферии канала с уменьшением значений Кт. При увеличении скорости Уф увеличиваются и центробежные силы, которые оттесняют поток к стенке трубы, что приводит к изменениям в распределении осевой оставляющей скорости Ух по радиусу канала: в пе-
риферийной зоне эта составляющая скорости увеличивается, а в приосевой - уменьшается.
Рис. 1 - Распределение тангенциальной и осевой Ух скоростей в трубе для различных значений коэффициентов крутки Кт: 1 - 1,25; 2 - 0,95; 3 - 0,8; 4 - 0,48
Для любых типов ЗУ по длине зоны центробежного пылеулавливания идёт трансформация профилей скорости Уф и Ух. Поскольку технические устройства имеют ограниченную длину Ь = Ь / Б : циклонные сепараторы - 1^3, циклоны - 3^5 и тепломассобменные устройства - 5^8, то знание закономерностей распределения Уф и Ух на этой длине является необходимым условием для расчёта эффективности разделения газовых неоднородных систем.
На рис. 2 показано распределение относительных скоростей уф = ух / уср и ух = ух / ур по радиусу
т = т/К и длине трубы Ь = 3,4 + 54,1 с закруткой потока, организованной простым ТЗУ с коэффициентом крутки КТ = рвх = 0,096 [8].
Рис. 2 - Распределение относительных тангенциальной Уф и осевой Ух составляющих скорости в потоке с тангенциальным подводом при
Кт = Рвх = 0,096 : 1 - Ь = 3,4; 2 - Ь = 13,55; 3 -Ь = 33,8; 4 - Т = 54,1
Как видно из этого графика, по длине трубы Ь наблюдается уменьшение уровня значений скорости у смещение её максимума к оси и перераспределение скорости Ух в сторону уменьшения обратных токов. Зону обратных токов при фиксированных значениях Ь в трубе (контактном устройстве) можно снизить за счёт уменьшения интенсивно-
сти крутки потока (увеличения значения параметра Кт). Другим способом уменьшения этой зоны является установка в центре трубы цилиндрической вставки, которая уменьшает или даже ликвидирует обратные токи при умеренной крутке потока. Вредное влияние зоны обратных токов при сильной крутке потока заключается в перемешивании пылегазовых потоков, снижающих эффективность центробежного пылеулавливания.
Интенсивность закрутки потока в контактных зонах пылеулавливания вихревого ПГР определялась по интегральному параметру закрутки О [5,8]:
, . К2 О = М/(К • К2), М = 2 • ж • \р. Уф • ух • т2 • ат
К2
к = 2 • ж • |р • у^ • т • ат
К1
, где соответственно
К1
осевые составляющие потоков момента количества движения М и количества движения К; К1 = а / 2 и
К2 = Б/2 - наружный радиус выхлопной трубы и
внутренний радиус аппарата.
Когда распределения скоростей Уф и Ух в зоне центробежного пылеулавливания вихревого ПГР не известны или отсутствуют, то может быть использован подход, предложенный в работе [5], на основании которого по конструктивным параметрам ЗУ получены интегральные параметры закрутки потока на входе в канал Овх. Для простых и улиточных ТЗУ параметр Овх определялся по выражению:
Овх = ^П фИ * Квх / КТ ,
где фн - начальный угол отклонения потока от осевого направления (для циклонов ЦН-11 фн = 790, а для ЦН-15 и ЦН-24 соответственно фн =75 и 660; для аппаратов с простым и улиточным ТЗУ фн =900). Наиболее полные исследования по аэродинамической структуре потока в автомодельной по числу Рейнольдса области течения при изотермических условиях в трубах ( Б = 0,203м) с различными типами ЗУ (простыми и улиточными тангенциальными, тангенциально- и аксиально-лопаточными) были проведены авторами работы [9]. В качестве обобщающего параметра была использована начальная интенсивность крутки потока на входе О6Х.
На рис. 3 представлены распределения безразмерных осевой Ух и тангенциальной Уф скоростей по радиусу т для простого тангенци-ального I и аксиально-лопаточного II ЗУ при различ-ных значениях О6Х. Анализ графика зависимости = /(т)
показал, что при увеличении значений Овх как для
тангенциальных, так и для аксиально-лопаточных закручивателей наблюдается увеличе-ние значений Уф по всему радиусу трубы. Кроме того, профиль
скорости при больших значениях Овх для простых
ТЗУ соответствует профилю «квазитвёрдого вращения», что для входной зоны пылеулавливания оказывает положительное влияние с точки зрения ин-
и
тенсификации центробежного пылеулавливания. Однако, как это уже указывалось в работе, при высоких значениях интенсивности крутки потока, образуются обратные токи в осевом направлении, что уменьшает сепарационную способность контактных устройств круглого поперечного сечения за счёт перемешивания пылегазовой смеси в аппарате. Поэтому установка в центре трубы цилиндрической вставки или применение кольцевого канала с относительным диаметром выхлопной трубы а = 0,4 + 0,6 будет снижать уровень обратных токов и способствовать повышению эффективности центробежного пылеулавливания.
Рис. 3 - Распределение безразмерной осевой у = у /у и тангенциальной у = у /у со-
XX ср ф ф ср
ставляющих скорости потока в трубе при различных значениях Овх: 1 - 8,4; 2 - 4,4; 3 - 2,75; 4
- 2,1; 5 - 3,2; 6 - 1,4;7 - 0,75; 8 - 0,45 для простого тангенциального I и аксиально-лопаточного II ЗУ
В основной и дополнительной зонах пылеулавливания данного аппарата использованы ВЗУ [8], которые позволяют создавать постоянную по длине крутку потока и получать внутри канала и на выходе из него законы вращения твёрдого тела [11]. При начальных углах закрутки фН < 450 используют ленточные, а при фН > 450 - винтовые ЗУ. Увеличение фн в ВЗУ обеспечивается за счёт уменьшения относительного шага £ = £ / Б .
Исследование влияния закрутки потока с постоянным по длине шагом £ > 0,95 проводились в трубе диаметром Б = 31,66 мм и длиной Ь < 39,04 с закручивателем в виде ленточных и винтовых ЗУ [10]. Для закрученного потока с £ > 20 изменение шага не оказывает влияния на аэродинамическое сопротивление, а его уменьшение ниже 2 ^ 3 вызывает существенный рост аэродинамического сопротивления трубы.
Исследования проведенные в экспериментальных (диаметры 0,12 и 0,20м) и опытнопромышленном (диаметр 0,65м) образцах вихревых ПГР с простыми ТЗУ показали подобие относительных скоростей у и у .
Поэтому для расчета распределения скоростей можно использовать безразмерный параметр вх, который удовлетворительно описы-вает эти
профили для простых ТЗУ.
Значение абсолютных скоростей Уф и Vx определяется значением средней скорости потока в зоне пылеулавливания.
В рассматриваемых конструкциях относительный диаметр выходного патрубка d изменяется от 0,25 до 0,40. Так же установлено, что увеличение значения d способствует уменьшению зоны обратных токов и улучшает центробежную сепарацию мелкодисперсной пыли из пылегазовой смеси.
Литература
1. Патент Российской Федерации на изобретение №2253515 от 10.06.05. Пылегазоразделитель. Филимонов А.Н. и др.
2. Валеев А.М., Разработка опытно-промышленного вихревого пылегазоразделителя / А.М. Валеев, П.В. Алексеев, А.Н. Филимонов, И.И. Поникаров.- Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология.- Казань, 2005. С. 77-79.
3. Сабуров Э.Н., Теплообмен и аэродинамика закрученного потока в циклонных устройствах/ Э.Н. Сабуров, С.В. Карпов, С.И. Осташев - Л.: Изд-во Ленинград-го ун-та, 1989. - 276 с.
4. Алимов Р.З. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в закрученном потоке / Р.З. Алимов // - Инж. физ. Журнал - 1966. - №4. С. 437-445.
5. Щукин В.К. Теплообмен, массобмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах/ Щукин В.К., Халатов А.А. - М.: Машиностроение, 1982. -200 с.
6. Устименко Б.П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях / Б.П. Устименко Алма-Ата: Наука КазССР, 1977. - 228 с.
7. Сивенков В.П. Исследование распределения скоростей газа в закрученном потоке / В.П. Сивенков В.П, И.М. Плехов, А.И. Ершов // Общая и прикладная химия. Минск. - 1972, - вып. 5, С. 127-131.
8. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил / В.К. Щукин. - 2-е изд. -М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.
9. Нурсте Х.О. Исследование аэродинамики потока в закручивающих устройствах / Х.О. Нурсте, Ю.В. Иванов, Х.О. Луби // Теплоэнергетика. - 1978. - №1. С. 37-39.
10. Ермолин В.К. Интенсификация конвективного теплообмена в трубе в условиях закрученного потока с постоянным по длине шагом / В.К. Ермолин // Инж. физический журнал. - 1966. - №11, С. 52-57.
11. Халатов А. А. Теория и практика закрученных потоков / А.А. Халатов. - Киев: Наук. думка, 1989. - 192 с.
12. Москалев, Л.Н. Исследование влияния аэродинамических закономерностей входного потока на конструктивные параметры контактного теплообменника вихревого типа / Москалев Л.Н. Поникаров С.И., Поникаров И.И., Алексеев В.В. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 15. №10; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2012. - с. 240-242.
13. Москалев, Л.Н. Сравнения контактно вихревого конденсатора с закрученным потоком с поверхностными вихревыми и кожухотрубными конденсаторами / Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И., Алексеев В.В. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 15. №3; М-во образ. и науки России, Казан. Нац.
Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2012. - с. 123- Вестник Казанского технологического университета. Т.
125. 16. №7; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед.
14. Алексеев, В.В. Исследование гидравлического сопро- Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2013. - с. 217-221.
тивления аппарата вихревого типа комплексной очистки газов / Алексеев В.В., Лукин В.О., Поникаров И.И. //
© В. В. Алексеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, yAlexeevTT@mail.ru; И. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; П. В. Алексеев - инж. той же кафедры.
