CC BY
17
УДК 66.023.2
В. В. Алексеев, Л. Н. Москалев, И. И. Поникаров
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВИНТОВОЙ ЗОНЫ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ ВИХРЕВОГО ПЫЛЕГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЯ
Ключевые слова: аэродинамическое сопротивление, зона пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя.
В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований аэродинамического сопротивления винтовой зоны пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя и рассмотрено влияние режимных и конструктивных параметров.
Keywords: aerodynamic resistance, zones of a pyleulavlivaniye of a vortex pylegazorazdelitel.
In this article are given results of experimental research of aerodynamic resistance of a screw zone of a pyleulavlivaniye of a vortex pylegazorazdelitel and influence ofperformance and structural constants.
Охрана окружающей среды промышленных технологических зон и экологическая безопасность производств определяется совершенством технологических процессов и эффективностью применяемого оборудования.
В ряде производств улавливание пыли из газовоздушных потоков осуществляется малоэффективными циклонами, циклонными камерами, центробежными пылеуловителями, которые устанавливаются на конечной стадии технологических процессов.
На кафедре машин и аппаратов химических производств КНИТУ разработаны центробежные пылеуловители, получившие название вихревых пылегазоразделителей (ВПГР). Особенностью их конструкции является наличие трех последовательных зон сухого центробежного пылеулавливания, позволяющее улавливать твердые частицы, размерами до 3,0 - 5,0 мкм. Применяемые в настоящее время промышленностью высокопроизводительные циклоны ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У и ЦН-24 обладают существенно меньшей эффективностью пылеулавливания по сравнению с разрабатываемыми аппаратами типа ВПГР. Данные аппараты могут конкурировать с высокоэффективными аппаратами отечественного производства, такими как СК-ЦН-22, СК-ЦН-34, СК-ЦН-40 и СДК-ЦН-33 и не отечественного производства, такими как, циклоны Огавы, циклоны Гумбольдта.
Для разработки инженерной методики расчета необходимо определить эффективность процессов пылеулавливания различных пылегазо-вых систем, исследовать влияние режимных и конструктивных параметров, аэродинамическое сопротивление аппарата, учитывающее энергетические затраты на проведение санитарной или технологической очистки и экологическую безопасность.
Целью данной работы являлось исследование аэродинамического сопротивления винтовой зоны пылеулавливания ВПГР и определение влияния режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих экологическую безопасность процесса.
Аэродинамическое сопротивление винтовой зоны пылеулавливания аппарата АРе, Па рассчитывалось по уравнению:
АРв = ^
Р- ^z 2
(1)
где ^ в - коэффициент сопротивления винтовой зоны пылеулавливания; р - плотность газовой смеси, кг/м3; Ус = Су / Рк - скорость движения смеси в кольцевом сечении, м/с; - объёмный расход газовой смеси, м3/с; рк = — . р 2 _ ё 2 )
2
- площадь кольцевого сечения, м ; и - внутренний диаметр аппарата, м; ё - наружный диаметр выходной трубы, м.
Аэродинамическое сопротивление в винтовом закручивающем устройстве (ВЗУ) возникает при изменении направления движения газа из входной зоны пылеулавливания в винтовой канал, внутри его и на выходе из него. Изменение направления потока на входе возникает из-за разности углов закрутки потока во входной зоне пылеулавливания и винтовом канале. Потери давления внутри ВЗУ обусловлены трехмерным характером течения, трением потока о стенки канала и неравномерностью поля скорости за счет возникновения вторичных трений. По этим причинам теоретический расчет отдельных составляющих потерь давления вызывает трудности. Поэтому уравнения для расчета сопротивления ВЗУ получены экспериментальными методами, в которых учитываются суммарно все виды потерь в виде коэффициента Св в основной и дополнительных зонах пылеулавливания.
В уравнении (1) коэффициент Св является функцией конструктивных и режимных параметров, которые могут быть определены экспериментально в виде зависимости:
& = ¡1 (ё, 5, А, Ив, Явв), (2)
где ё = ё / Б - относительный диаметр выхлопной трубы; = ¡¡/Б - относительный шаг
закрутки потока; А1 = А1 /Б - относительный радиальный зазор между лопастями ВЗУ и внутренним
диаметром аппарата D; hв = Не /О - относительная
высота закручивателя; Reв =VD^dЭ^р/^ - критерий Рейнольдса; ц - вязкость газовой смеси, Па ■ с ; р - плотность газовой смеси, кг/м3
Св=2 АР/(р VD2).
(5)
d Э = D
d -
эквивалентный диаметр, м.
Уравнение (2) может быть преобразовано
к виду:
Се = / (ввхве, 4, Ив, Reв), (3)
где вeхe=tgфср(1+ d2)/(1+d ) - интегральный параметр крутки ВЗУ [1]; tgфср=(п■dср)/S; ^р= (О + d)/2 - средний диаметр канала ВЗУ; фср- средний угол закрутки, град.
Для определения влияния режимных параметров на аэродинамическое сопротивление винтовой зоны пылеулавливания были проведены исследования при постоянных конструктивных параметрах
(Явх = 2 ■ Rх /D = 0,8;КТ = а ■ Ъ /= 0,15 ).
Исследования проводились на аппарате диаметром 0=120 мм, с наружным диаметром выхлопной трубы d=0,047 м, шириной а=0,024 м и высотой Ь=0,06 м входного патрубка, на чистом воздухе по известной методике [1-3].
Расходы газа изменялись в интервале от 50 до 250 м3/ч при температуре воздуха 20 + 1 °С .
В ходе эксперимента находилось гидравлическое сопротивление винтовой зоны как разность между суммарным гидравлическим сопротивлением входной и винтовой зоны ДР^, Па и сопротивлением входной зоны ДРЬ Па:
ДРВ = ДР12-ДР1.
(4)
Винтовая зона пылеулавливания состояла из основной и дополнительной винтовых зон (рис.1).
Основная винтовая зона включала в себя ВЗУ, имеющее следующие конструктивные размеры. Шаг винта составил 81=0,048 м; количество витков щ=4; зазор между корпусом аппарата и ВЗУ Д!=0,006 м.
Дополнительная винтовая зона состояла из цилиндрической вставки, для создания большей центробежной силы, чем в основной зоне, и ВЗУ с шагом 82=0,038 м; количеством витков п2=4; зазор между ВЗУ и цилиндрической вставкой Д2=0,006 м.
На рис. 2 представлена зависимость гидравлического сопротивления винтовой зоны аппарата АРе, Па от скорости движения газовой смеси VD, м/с.
Анализ этого графика показывает, что сопротивление винтовой зоны аппарата существенно возрастает при скоростях движения газа Уп=5-7 м/с.
Коэффициент сопротивления Се экспериментально определялся из уравнения (1), когда были известны значения АРе, Па как функция скорости VD, м/с:
б
Рис. 1 - а) Основная винтовая зона; б) дополнительная винтовая зона
Рис. 2 - Зависимость гидравлического сопротивления винтовой зоны аппарата АРв от скорости движения газовой смеси Уп
На рис. 3 приведена зависимость коэффициента сопротивления винтовой зоны от критерия Рейнольдса Reе.
а
20000 Re
Рис. 3 - Зависимость коэффициента сопротивления винтовой зоны Се от критерия Рейнольд-са Яве
Из рисунка видно, что с увеличением значения критерия Рейнольдса Reе значение коэффициента Се уменьшается и при значениях яе )( 35 + 40 ) ■ 10 3 , по-видимому, достигается автомодельный режим течения. При числах Рейнольдса яе в < ( 35 + 40 ) ■ 103 коэффициент
сопротивления Се определяется режимными и конструктивными параметрами, а при Яе ) ( 35 + 40 ) ■ 103 - только конструктивными.
В данной исследовательской работе не определялось влияние конструктивных параметров винтовой зоны на аэродинамическое сопротивление.
В ходе работы было установлено, что сопротивление винтовой зоны зависит от геометрических параметров входной зоны. Исследования, проведенные с изменением конструктивных параметров входной зоны при числах Рейнольдса
Яев = (5 ^ 40) ■ 103, представлены на рис. 4.
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,05
0,1 Кт
0,15
0,2
Рис. 4 - Зависимость коэффициента сопротивления винтовой зоны Се от коэффициента крутки Кт
Анализ этого графика показывает, что увеличение значения коэффициента сопротивле-
ния С в происходит с увеличением значения коэффициента крутки Кт.
Результаты проведенных исследований аэродинамического сопротивления винтовой зоны пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя качественно совпадают с исследованиями проти-воточных циклонов, вихревых камер и закручивающих устройств [4,5].
Выводы
1. Приведены результаты опытных исследований аэродинамического сопротивления винтовой зоны пылеулавливания ВПГР и рассмотрено влияние режимных параметров.
2. Установлено влияние коэффициента крутки потока на коэффициент аэродинамического сопротивления винтовой зоны пылеулавливания.
3. В производстве сухой молочной сыворотки [6] предложено дополнительное пылеулавливающее оборудование для снижения потерь, что позволит частично устранить экологические проблемы данного производства.
4. В производстве синтетических моющих средств [7] реконструкция систем аспирации позволит снизить выбросы порошков СМС в окружающую среду и повысить экологическую безопасность производства за счет замены существующих циклонов на ВПГР.
Литература
1. В.В. Алексеев, И.И. Поникаров, П.В. Алексеев. Исследование аэродинамических закономерностей вихревого пылегазоразделителя // Вестник Казан. технол. ун - та, 16, 20, 220 - 223 (2013)
2. В.В. Алексеев, И.И. Поникаров, П.В. Алексеев. Анализ гидравлического сопротивления и расчет противо-точных циклонов и вихревых камер // Вестник Казан. технол. ун - та, 17, 2, 132 - 134 (2014).
3. В.В. Алексеев, И.И. Поникаров. Исследование аэродинамического сопротивления входной зоны пылеулавливания вихревого пылегазоразделителя // Вестник Казан. технол. ун - та, 17, 4, 220 - 222 (2014).
4. Нурсте Х.О. Исследование аэродинамики потока в закручивающихся устройствах / Х.О. Нурсте, Ю.В. Иванов, Х.О. Луби // Теплоэнергетика. -1978.-№1. -С. 37 - 39.
5. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков / А. А. Халатов. - Киев: Наук. думка, 1989. - 192 с.
6. В.В. Алексеев, П.В. Алексеев, И.И. Поникаров. Совершенствование технологической схемы производства сухой молочной сыворотки// Вестник Казан. тех-нол. ун - та, 16, 21, 218 - 220 (2013).
7. В.В. Алексеев, И.И. Поникаров. Расчет и применение вихревого пылегазоразделителя в производстве синтетических моющих средств // Вестник Казан. тех-нол. ун - та, 17, 14, 428 - 430 (2014).
0
0
30000
40000
0
© В. В. Алексеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, valexeevtt@mail.ru; Л. Н. Москалев - зав. лаб. той же кафедры, lejnya@yandex.ru; И. И. Поникаров - д-р техн. наук, профессор той же кафедры, советник ректората.
© V. V. Alekseev - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of machines and devices of chemical productions of KNRTU, valexeevtt@mail.ru; L. N. Moskalev - manager of laboratory of the same chair, lejnya@yandex.ru 1 I. Ponikarov - the Doctor of Technical Sciences, Professor of the same chair, the adviser of administration.
