CC BY
48
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
4. Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности в электроэнергетических системах. М. : Энергоатомиздат, 1983. 435 с.
5. Володарский В. А. Об оптимизации предупредительных замен и ремонтов технических устройств // Надежность и контроль качества. 1989. № 6. С. 21-24.
6. Володарский В. А. Определения показателей надежности электрооборудования при неопределенности исходной информации // Электричество. 1987. № 3. С.49-51.
7. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. М. : Советское радио, 1969. 488 с.
УДК 621.928.93 Аршинский Максим Иннокеньевич,
оператор ОАО «АНХК» (НПЗ), е-mail: arshmax@mail.ru Асламов Александр Анатольевич, к. т. н., профессор кафедры машин и аппаратов химических производств Ангарской государственной технической академии (АГТА), е-mail: aslamov@agta.ru,
Кулакова Ирина Михайловна,
к. т. н., доцент кафедры вычислительных машин и комплексов АГТА, е-mail: iyelkina@mail.ru,
Асламова Вера Сергеевна, д. т. н., профессор каф. «Безопасность жизнедеятельности и экология» Иркутского государственного университета путей сообщения, е-mail: aslamavav@yandex.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ И ДАВЛЕНИЙ ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
M.I. Arshinsky, A.A. Aslamov, I.M. Kulakova, V.S. Aslamova
THE INVESTIGATION OF VELOCITIES AND PRESSURES FIELDS OF SWIRLING FLOW IN RING-SHAPED CHANNEL WITH VARIABLE CROSS-SECTION
Аннотация. Исследованы поля скоростей и давлений закрученного потока воздуха в прямоточном циклоне с промежуточным отбором, кольцевая сепарационная камера которого имеет переменное сечение, сформированное за счет внутреннего вытеснителя центрального вихря.
Ключевые слова: прямоточный циклон, осевой направляющий аппарат, профилированный вытеснитель центрального вихря, квазипотенциальное течение, квазитвёрдое течение, поля скоростей и давлений.
Abstract. The velocities and pressures fields of swirling flow in direct-flow cyclone with intermediate dust extraction in the ring-shaped camera with variable cross-section formed by the inner central whirl displacer are investigated in the study.
Keywords: direct-flow cyclone, axial guiding device, profiled displacer of the central whirlwind, quasipotential current, quasisolid current, fields of speeds and pressure.
Введение
Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции, потребляющие уголь. Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка
чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн т в год [1]. Для защиты атмосферы от техногенных выбросов промышленных предприятий широко применяются циклоны.
Для получения более полной информации о работе циклонов в различных условиях необходимо подробное изучение газодинамических процессов, происходящих внутри аппаратов. Многие вопросы можно решить путем экспериментального определения полей скоростей и давлений в закрученных потоках.
С этой целью была разработана лабораторная установка прозрачной модели прямоточного циклона с промежуточным отбором (ПЦПО) диаметром 114 мм (рис.1) [2]. Закручивание потока осуществлялось осевым направляющим аппаратом (ОНА) 3 с бицилиндрическими профилированными лопатками, установленными под углом 30° к радиальной плоскости. Центральное внутреннее тело 7 с максимальным диаметром 85 мм служит вытеснителем центрального вихря. Измерения проводились по общепринятым стандартам [3] по всему сечению ПЦПО с изменением положения зонда 2 относительно внутреннего радиуса (рис. 1). Скорость потока определялась откалиброванной трубкой Пито 1. Для измерений малых перепадов
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
давлений использовался микроманометр 6 серии ММН-240. Для измерения статического давления использовался зонд 2 диаметром 3 мм и И-образный манометр 5. При определении плотности воздуха его влажность не учитывали, так как допускаемая при этом ошибка не превышает 0,5 % [4].
Исследование проводилось в рамках НИОКР № 0121257743 «Исследование двухфазных закрученных потоков в кольцевом канале переменного сечения» 2012-2014 гг.
объясняется трением о стенки аппарата, но в зоне ядра вихря она стабильно высокая.
Профили скоростей в пустотелой части циклона имеют экстремум на радиусе 18-24 мм.
Рис. 1. Схема опытной установки: 1 - трубка Пито, 2 - трубка для измерения статического давления, 3 - ОНА, 4 - ПЦПО, 5 - и-образный манометр, 6 - микроманометр, 7 - вытеснитель центрального вихря, 8 - измерительные отверстия, 9 - раскручивающий лопастной аппарат (РЛА), 10 - бункер промежуточного отбора, 11 - бункер основного отбора, 12 - заслонка, 13 - вентилятор
Результаты исследования
Испытания проводились на чистом воздухе на циклоне двух конфигураций - с коническим вытеснителем (К1) и с профилированным вытеснителем (К2) впервые. На рис. 2 представлено расположение точек замера в ПЦПО конфигурации К1, на рис. 3 - соответствующее поле давлений, а на рис. 4 - поле полных скоростей.
Как видно, поток закрученного воздуха от ОНА до выхлопного патрубка теряет часть своей кинетической энергии в результате резкого снижения давления в центре вихря. Полная скорость на периферии несколько снижается, что очевидно
65мм Т2 25мм Т4
Т1 85 мм ТЗ 45 мм Т5 5 мм
100 мм
0 мм
297 мм Т13. 337 мм Т14. 377 мм Т1 5 407 мм ТКк
Т6 17 мм Т7 57 мм Т8 97 мм Т9 137 мм
110 182 мм /ГЦ 222 мм ■112 262 мм
0 мм
200 мм
420 мм
Рис. 2. Расположение точек замера в ПЦПО конфигурации К1
Рис. 3. Поле статического давления в ПЦПО конфигурации К1
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
В области сужения диффузоров вытеснителя, в районе ПО, наблюдается течение обратного вихря, параллельное движению потока.
Радиус циклона Га, мм
Рис. 4. Поле скоростей в ПЦПО конфигурации К1
С физической точки зрения это явление объясняется переходом вращательной скорости из области периферии - квазипотенциального течения в центральную - квазитвёрдого течения [5].
Для квазипотенциального движения соблюдается соотношение WT r = const, а для квазитвёрдого в пределе -WT /г" = const. Таким образом, в объёме циклона выделяется некоторая цилиндрическая поверхность радиусом гя, которой соответствует максимальное значение скорости. В центре вихря наблюдаются существенные пульсации давления, что отмечается и другими исследователями [6-7].
На рис. 5 представлено расположение точек замера в ПЦПО конфигурации К2 с профилированным вытеснителем, на рис. 6 - соответствующее поле давлений, а на рис. 7 - поле полных скоростей. Видно, что с присутствием профилированного тела в ПЦПО не происходит резкого изменения статического давления при движении вихря от ОНА к выхлопному патрубку. Профилированное тело служит вытеснителем квазитвёрдого движения, и, как следствие, наблюдается сохранение компоненты тангенциальной скорости.
Конструкция вытеснителя конфигурации К2 предназначена для увеличения эффективности сепарации за счет предотвращения уноса уловленных частиц пыли вследствие уменьшения скорости потока в области промежуточного отбора (ПО) [3]. Уменьшение скорости в зоне ПО приводит к повышению давления и снижению полной скорости и замедлению потока (рис. 7).
65 мм Т2< 25мм Т4<
= Т1 85 мм = ТЗ 45 мм I Т5 5 мм
100 мм
0 мм
297 мм Т13= 337 мм T14L 377 мм T1 5l 407 мм Т16г
Т6 17 мм Т7 57 мм Т8 97 мм ТУ 137 мм
■Т10 182 мм iTl 1 222 мм :Т12 262 мм
0 мм
200 мм
420 мм
Рис. 5. Расположение точек замера в ПЦПО конфигурации К2
Радиусциклона Го. мм
Рис. 6. Поле статического давления в ПЦПО конфигурации К2
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Радиусциклона Го, мм
Рис. 7. Поле скоростей для конфигурации К2
Образование обратного вихря наблюдали визуально с помощью шелковой нити, закреплённой на конце спицы диаметром 2 мм (рис. 8).
Данное явление предположительно можно объяснить отрывом потока воздуха с поверхности диффузора при высокой скорости вследствие резкого угла его раскрытия.
Выводы
1. Получены поля скоростей и давлений в прямоточном циклоне ПЦПО, визуализировано направление движения закрученного потока, проанализирована аэродинамика движения потока в циклоне с разными конфигурациями вытеснителя.
2. Обнаружен эффект возникновения обратного центрального вихря в ПЦПО с профилированным вытеснителем. Для установления закономерностей необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Комплексная оценка качества атмосферы промышленных городов Оренбургской области / А.А. Цыцура и др. Оренбург: Изд-во ОГУ, 1999. 168 с.
2. Патент RU 61156 U1, МПК В04С 3/06. Прямоточный циклон / В.С. Асламова, А.А. Асламов, П.К. Ляпустин, Т.Н. Мусева, Н.А. Брагин. ; заявитель и патентообладатель Ангарская гос. техн. академия. Бюл. № 6. 2007.
3. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнений. М. : Госкомитет по охране природы СССР, 1990.
4. Асламова В. С. Прямоточные циклоны. Теория, расчет, практика. Ангарск : АГТА, 2008. 233 с.
5. Красовицкий Ю., В. Батищев В. В., Иванова В. Г. Новый подход к проблеме энергосберегающего сухого пылеулавливания при производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2004. № 4. С. 2.
6. Алексеенко С. В. Куйбин П. А., Окулов В. Л. Введение в теорию концентрированных вихрей М. Ижевск : Ин-т компьютерных исследований, 2005. 504 с.
7. Алексеенко С. В. Окулов В. Л. Закрученные потоки в технических приложениях : обзор // Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3. № 2. С. 101-138.
Рис. 8. Движение обратного вихря в области сужения диффузоров
