ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ПОТОКА ВОЗДУХА В ВЕРТИКАЛЬНОМ КАНАЛЕ С СЕТОЧНЫМ ЭКРАНИРОВАНИЕМ В СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

TECHNICAL SCIENCE

Задвернюк В.В.

старший преподаватель кафедры ТЕ

Баранюк А.В.

к.т.н., ст. преподаватель ТЭФ кафедра теплотехники и энергосбережения ИЭЭ НТУУ Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ПОТОКА ВОЗДУХА В ВЕРТИКАЛЬНОМ КАНАЛЕ С СЕТОЧНЫМ ЭКРАНИРОВАНИЕМ В СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ

RESEARCH HYDRODYNAMIC AIR FLOW IN A VERTICAL CHANNEL WITH MESH SHIELDING IN HEAT RECOVERY SYSTEM

Zadverniuk V.

Baranyuk A.

АННОТАЦИЯ

Проведено исследование структуры потока воздуха в вертикальном канале прямоугольной формы с сеточным экранированием боковых стенок в условиях противотока восходящего течения потока газа . Представлено методику проведения и описание экспериментальной установки для выполнения термоане-мометрических исследований. Выполнено сравнение экспериментальных данных профиля турбулентности для гладкой и оребренной сеткою боковой поверхности прямоугольного канала. Проанализирована структура течения в середине канала и ее влияние на стабилизационные характеристики предложенного сеточного экранирования.

ABSTRACT

A study of the structure of the air flow in the vertical channel with rectangular mesh drawing on the side walls in a forward flow of the rising gas flow stream. Presented methodology and description of the experimental setup to perform hot-wire research. Comparison of experimental data Profile turbulence for smooth and ribbed rectangular grid side surface. The structure in the middle of the flow channel and its impact on the quality of the proposed stabilization mesh screening.

Ключевые слова: - система стабилизации движения (ССД), турбулентность, контактный аппарат, пульсационные характеристики.

Keywords: - Stability Control System (SСR), turbulence, contact apparatus, pulsation characteristics.

Введение

Для утилизации тепловой энергии отходящих газов котелень, парогазотурбинных установок, получения нагретой воды широко используют контактные тепломассообменные аппараты, в которых возможно максимальное использование не только физической теплоты газов, но и скрытой теплоты конденсации водяного пара в этих газах.

Наиболее распространенными являются контактные аппараты с противотоковым движением теплоносителей. Эти аппараты имеют ряд недостатков, главный из которых - низкая скорость уходящих газов, которая ограничена скоростью захлебывания течения. С повышением скорости движения теплоносителей растет интенсивность процессов тепломассообмена. Данные экспериментальной обработки исследований закономерностей процессов тепломассообмена и гидродинамики восходящего противоточного движения теплоносителей в литературе практически отсутствуют. Актуальным является проведение таких исследований.

Перспективным методом интенсификации процессов тепло- и массообмена между пленкой

жидкости и газом является использование развитой поверхности контакта фаз. Развитие поверхности контакта фаз, как правило, достигается применением различных регулярных насадок к поверхности канала (сетчатое покрытие) или применением покрытий с регулярной шероховатостью, пористостью [1]. Важным условием обеспечения эффективности работы контактного аппарата является использование особенностей взаимодействия жидкости и газа в канале определенной геометрии, а также диапазона рабочих параметров, в пределах которых реализуется устойчивое течение жидкости. Различают следующие основные режимы движения в контактных теплообменных аппаратах: пленочный, подвисания, захлебывания, уноса. Режим подвисания рассматривается как начальный режим захлебывания. Геометрическая форма поверхности контакта фаз влияет на амплитуду волн стекающей жидкости, которая в свою очередь влияет на предельную скорость начала режима захлебывания при противоточном движении фаз. Также к особенностям рассматриваемого противоточного

процесса следует отнести возможность возникновения термокапилярных возмущений на пленке жидкости, стекающей вертикально [1]. Особенностью исследования процессов в каналах контактных теплообменных аппаратов является сложность определения всех факторов, влияющих на гидродинамику и теплообмен в двухфазных противоточных системах. Исследование гидродинамики при проти-воточной движении в каналах прямоугольного сечения стекающей пленки и газа проведены экспериментально [1, 4] а также для микроканалов [2].

Цель работы

Целью представленного экспериментального исследования является изучение структуры воздушных потоков в вертикальном прямоугольном канале путем измерения усредненных во времени и пульсирующих гидродинамических характеристик с помощью термоанемометрической техники. В качестве объекта исследования изучались гидродинамические параметры потока, наблюдаемые вдоль канала экранированного сеткой из нержавеющей стали при изменении его расходных характеристик (рис. 1 а - б).

На рис. 1 а приведена схема движения газа в элементе утилизационного контура.

б

Рис. 1 - Схема движения газового потока вдоль стенки с сетчатым покрытием: а - визуализация движения; б - фото стенда: 1 исследуемый участок канала; 2-передвижная система контроля.

Очевидно, что изменение формы гладкой поверхности канала на дополнительную сетчатую увеличивает гидравлическое сопротивление канала по газовому тракту, однако для стекающей пленки по сетчатому покрытию увеличивается площадь взаимодействия между фазами, что улучшает теп-лообменные характеристики от газовой фазы к жидкой в среднем на 15%.

Существует необходимость эффективной стабилизации потоков в системе и авторы предполагают, что использование сетчатой накладки на гладкую стенку (рис. 1 а) улучшит гидродинамику в прямоугольном канале. В связи с этим возникает актуальный вопрос обоснования с гидродинамической точки зрения целесообразности такой плоской накладки, которая в дальнейшем тексте статьи называется «экраном» или «насадкой». В данной

работе основное внимание уделено изучению гидродинамической картины внешнего обтекания сетчатой насадки, а также установление закономерностей влияния сетки на характеристики турбулентных пульсаций и профиля скорости в системе.

Методика исследований

Измерения структуры течения - профилей усредненных во времени скоростей и их пульсаций проводилось экспериментально с помощью термо-анемометрической техники. В качестве термоане-мометрического оборудования использовались термоанемометр DISA-Еelectronics (Дания) типа 55М. В качестве первичного преобразователя используется однониточный датчик. Рабочий элемент датчика длиной 1,25 мм изготовлен из вольфрамовой нити диаметром 5 мкм. Нить датчика термоанемометра включается в одно из плеч моста, входит в состав основных блоков термоанемомет-рической системы DISA 55М. Для настройки термо-анемометрической системы и визуального наблюдения за сигналом при проведении измерений применялся осциллограф С1-70. Аэродинамический стенд со всей необходимой аппаратурой, а также схема фиксации датчика показаны на рис.1.

Во время измерений датчик термоанемометра DISA 55М, располагался в центральном сечении канала и перемещался на глубину от его центра (канала) к боковой стенке. Нить датчика находилась перпендикулярно набегающему потоку и реагировала на суммарную возбудимость, которая создается при течении в канале.

Известно, что при использовании термоанемометров с нагретой нитью измеряемые электрические сигналы пересчитываются в гидродинамические характеристики потока. Коэффициенты чувствительности определяются закономерностями конвективного теплообмена между потоком и нагретым чувствительным элементом датчика. Поэтому точность методики термоанемометриче-ских измерений в значительной степени определяется корректностью построения тарировочной характеристики датчика.

Для проведения тарировки датчика в то же сечение, где находился датчик устанавливался «носик» трубки Пито-Прандтля, посредством которой определялась скорость воздушного потока. Тариро-вочная характеристика, как обычно, строилась в линеаризованных координатах.

Методика термоанемометрических измерений базируется на теории конвективного теплообмена нагретой нити датчика термоанемометра. Рассматривая нитку как цилиндр бесконечной длины, для описания теплообмена применяются уравнения подобия, полученные для случая поперечного обтекания цилиндра, поскольку при измерениях продольной компоненты пульсаций нить датчика термоанемометра располагается перпендикулярно относительно набегающего потока.

В теории конвективного теплообмена уравнение подобия для поперечно-обтекаемого воздухом цилиндра определяется в виде двучленной зависимости [6]

е 2 = е; + ви

0,45

(1)

где и - скорость потока, м/с; Е - напряжение снимается с диагонали моста (линейно связана с Ено усилена за счет мостовой схемы и усилителя обратной связи), В; Е; - Квадрат фактического напряжения, значение которого определяется при пролонгации тарировочной характеристики до V = 0, В2 , В - тарировочная константа; показатель степени п =0,45 выбран как оптимальный на основе экспериментальных данных [6], В2 (м / с) 045.

С помощью уравнения (1) проводится расшифровка результатов измерений. Как непосредственно следует из этого уравнения, средняя во времени скорость может быть определена, как

(

и■■

Е2

-Е 2 Е0

\ 2,22

в

(2)

у

Дифференцирование уравнения (2) по переменным Е и V позволяет установить взаимосвязь между среднеквадратичными пульсациями продольной компоненты скорости и напряжения

^ %=М44^

и

Е2 - Б2

(3)

где

- среднеквадратичная пульсация напряжения в мВ.

Степень турбулентности потока определялся с суммарной относительной погрешностью

%и =лМ2 + Е 2 + £™ + Е02

(4)

Погрешность определения отдельных величин:

а) погрешности измерения пульсаций напряжения ев и напряжения моста Е оценены соответственно в ± 0,5 и ± 0,2 %;

б) сопротивление датчика измерялось с абсолютной погрешностью 0,05 Ом, так что максимально относительная погрешность е™ (для датчика с нитью диаметром 5 мкм, е™ = 4 Ом) составляла ± 0,8 %;

в) значение Е 2 получалось построением тари-ровочной характеристики насадки с погрешностью не более ± 2 %;

г) абсолютная погрешность измерения скорости потока с помощью трубки Пито-Прандтля, необходимой для построения тарировочной характеристики датчика, составляла ± 0,07 мм водяного столба, при минимальной скорости потока (~ 1,5 мм водяного столба) приводит к максимальной относительной погрешности ± 2, 4 %.

Гидродинамические характеристики потока -число Рейнольдса и степень турбулентности определялись с погрешностью ± 2,7 % И ± 3,3 % в соответствии.

2

Таким образом, измерения степени турбулентности проводилось с погрешностью ± 3,3 %, а средней скорости ± 2,4 %.

Обсуждение результатов

Результаты экспериментов представлялись в виде распределений средних скоростей и их пульсаций в центральной части канала. Эксперимент проводился в диапазоне чисел Рейнольдса от 23х103 до 81х103. В качестве определяющего размера в числе Рейнольдса выбирался эквивалентный диаметр канала КТМО, а в качестве определяющей скорости - скорость потока в центре канала.

Для анализа влияния «сетки» на распределение средней скорости потока на рис.4 приведены данные зависимостей и=Ду) для канала с установленным «сетчатым экраном» и без него (гладкая поверхность). Сравнение проводилось при скорости потока в сечении, проходящем через центр канала при и= 8,3 м/с, которому соответствует число Рей-нольдса 13,4-Ш3.

Анализ распределений приведенных на рис. 2 - 4 показывает, что в случае отсутствия «насадки» в канале развивается классическое отрывное течение с максимальной скоростью обратного движения 4,5 м /с, что составляет 45 % от скорости основного потока. Причем необходимо констатировать,

что профиль средних скоростей потока в центре прямоугольного канала является прямоугольным, о чем свидетельствует зависимость и=Ду) для высоты от 100 мм до 480 мм. Упомянутое утверждение справедливо также для канала с «сетчатой насадкой» и свидетельствует о правомерности проведения тарирования датчика термометра в центре прямоугольного канала.

Анализ распределения скоростей для канала с установленной сеткой свидетельствует об образовании сложной в гидродинамическом смысле картины течения в канале - наличие «экрана» позволяет разделить сплошную вихревую на систему отдельных вихрей, взаимодействующих между собой (о чем свидетельствует деформация профиля скорости на высоте от 0 до 480 мм, и ширине канала от 0 до 10 мм).

Анализ рис. 4-6 показывает, что установление «сетки» на 16 % снижает суммарную турбулентность потока в канале по сравнению со случаем «гладкого канала». Так, в центре канала турбулентность потока составляет 22 %, тогда как в канале с установленной «сеткой» она достигает 6,5 %. Причем, необходимо констатировать, что установление «сетки» меняет характер профиля пульсаций скорости с параболической (характерный для канала без «сетки») на выпрямленный.

VW*/

1 3

Г/ .и * I % - 1 - . 8 ч ■ ■ ^ 1 А Д ■ ■

ч ,6

□ ° □ / □ □ □ □ □

0

5

10

15

20

x/z

1 - 1,91 м3/ч; 2 - 4 м3/ч; 3 - 6 м3/ч; 4 - 9,37 м3/ч; 5 - 12,73 м3/ч; 6 - 16,31 м3/ч; Рис. 4 - Пульсация скоростей воздуха вдоль поперечного сечения канала на высоте 0,1 м:

Зависимость = /(х/ 2) для сетчатого оребрения стенок канала;

JW2/

.. * и 8 1 я

х 8 Q

■ " - . П ■ 1 Д Д Ä ■— ■ ■-■

ч 6

□ о □ □ / □ □ о □ о

0

5

10

15

20

x/z

1 - 1,91 м3/ч; 2 - 4 м3/ч; 3 - 6 м3/ч; 4 - 9,37 м3/ч; 5 - 12,73 м3/ч; 6 - 16,31 м3/ч;

Рис. 5 - Пульсация скоростей воздуха вдоль поперечного сечения канала на высоте 0,3м: Зависимость = /(х/ г) для сетчатого оребрения стенок канала;

2 . 11

Iw /w 6

5

4

3

2

,6

□ П Pf /

10

15

20

x/z

1 - 1,91 м3/ч; 2 - 4 м3/ч; 3 - 6 м3/ч; 4 - 9,37 м3/ч; 5 - 12,73 м3/ч; 6 - 16,31 м3/ч; Рис. 6 Пульсация скоростей воздуха вдоль поперечного сечения канала на высоте 0,48м:

Зависимость '2 /ж = /(х / г) для сетчатого оребрения стенок канала;

0

5

Анализ рис.3 показывает, что с увеличением расхода воздуха, уровень среднеквадратичных пульсаций скорости уменьшается. При значениях расхода воздуха 9.37; 12.73 и 16.31 м 3 /ч среднее значение пульсаций скорости составляет 4.9, 4.3 и 2.5% соответственно. Для значений расхода воздуха 2, 4 и 6,25 м 3 /ч необходимо отметить экстремальный характер зависимо-

сти '2/ж = у (х / г), что подтверждается наличием экстремумов пульсаций скорости в точках х^ = 5.5 i 24. Такой характер зависимости можно объяснить изменением режима движения в канале с сеткой. По мере движения потока вдоль по высоте канала, характер движения описанный выше, сохраняется. Таким образом, можно отметить следующее: использование в прямоугольном канале сетки, нанесенной на одну из его боковых стенок (большую) приводит к спрямлению профилей пульсаций скорости по высоте и ширине канала.

Выводы

1 При повышении расхода воздуха через прямоугольный канал с сетчатым покрытием одной (большей) стенок уровень пульсаций скорости уменьшается;

2 Определено, что пограничный слой развивается в пределах сетки, нанесенной на стенку гладкого канала, о чем свидетельствует выпрямленный характер профилей пульсаций скорости;

3 Применение сетчатой накладки («насадки») на боковую поверхность (большую по линейному размеру стенку) в прямоугольном канале позволяет стабилизировать поле пульсаций скорости по длине и высоте канала.

4 Полученные значения свидетельствуют о том, что сетку можно учитывать как дополнительное местное сопротивление в методике аэродинамического расчета теплообменного аппарата. Желательно в таком канале определять структуру течения, что позволит определять влияние сетки на

аэродинамическую картину движения потока в таком же прямоугольном канале, но без сетчатого покрытия. Проводить такие исследования в присутствии жидких потоков с применением приведенной элементной базы невозможно. Поэтому принято решение провести исследование течения сухого воздуха в канале с заданной геометрией.

Список литературы

1 Дикий Н.А. Тепломассообмен при адиабатном увлажнении воздуха в сетчатом канале / Н.А. Дикий, И.М. Кузьменко // Энергетика: экономика, технологии, экология. - 2004. - №1.- С.32-37.

2 Кузнецов В.В. Экспериментальное исследование формирования

газожидкостного течения и его структуры в прямоугольного микроканале с Т-образным входом / Козулин И.А., Кузнецов В.В. // Современная наука. - 2012. - № 2 .- С. 176-182.

3 Дешко В.И.. Структура потока при неизотермическом течении в прямоугольном канале с сетчатыми стенками [Текст] / В. И. Дешко, О.В. Бара-нюк, В.В. Задвернюк,. Материалы XII международной конференции аспирантов, магистрантов, студентов «Современные проблемы научного обеспечения энергетики» - 2014.Киев 25 апреля . - С. 179.

4 Дешко В.И. Исследование структуры течения воздуха в канале с сетчатыми стенками [Текст] /В. И. Дешко, О.В. Баранюк, В.В. Задвернюк. Материалы XIV международной конференции аспирантов, магистрантов студентов «Современные проблемы научного обеспечения энергетики (посвященный 85 летию ТЭФ)» - 2016. Киев 21 апреля. - С. 80.

5 Письменный Е.Н., Баранюк А.В., Вознюк Н.Н. Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных их теплогидравлических характеристик // Промышленная теплотехника - Т. 34, №1, 2012 - с. 45 - 54

6 Баранюк А.В. Методические указания к лабораторным работам «Структура турбулентного пограничного слоя» по дисциплине "Турбулент-

ность и методы ее измерения" для студентов специальности "Теплофизика"; дата получения грифа НТУУ "КПИ" 19.05.2011

Кохреидзе Г.К.

Профессор факультета энергетики и телекоммуникации Грузинского технического университета

(ГТУ).

Прангишвили Гр.В.

Докторант ГТУ.

Тетунашвили Э.Р.

Бакалавр ГТУ.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВСТРЕЧНО-ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ АГРЕГАТАХ

MATHEMATICAL MODELING OF ELECTROMECHANICAL TRANSITION PROCESSES IN COUNTER-PARALLEL POWER FACTOR CORRECTING DEVICE-INVENTOR AGGREGATES

Kokhreidze G., Doktor of Technical Sciens, Professor of the Department of Electrical Engineering and Electronics of Georgian Technical University.

Prangishvili Gr., Doctoral Candidate of GTU.

Tetunashvili E., Bachelor of the Faculti of Energetics and Telecommunication, GTU.

АННОТАЦИЯ

Целью настаящей работы является разработка вопросов математического моделирования электромеханических переходных процессов в встречно-параллельно соединенных выпрямительно-инверторных агрегатах. Учитывается уравнение движения работи двигателя постянного тока. Определени выражения приводящего момента и затормозящего электромагнитного момента в функций электрических величин, входящие в уравнениях электромагнитного переходного процесса.

ABSTRACT

The purpose of the task is to draw out issues of Mathematical modeling of electromechanical transition processes in counter-parallel power factor correcting device-inventor aggregates. Equation of motion of traction ascending excitable electric current engine rotor is foreseen, where expression of the inhibiting electromagnetic moment participates in terms of recuperative braking, depending on electromagnetic quantities.

Ключевые слова: выпрямитель, инвертор, реактор, электро- механический.

Keywords: Correcting device, inverter, reactor, electromechanical

В работе предлогаются математическое моде- ma

лирование электромеханических переходных про- Где в (i) Mя =-(v0 + at),

цессов в встречно-параллельно соединеных выпря- £УЯ

мительно-инверторных агрегатах. Рассмотривается я (2)

1 г л\гп \ 1 \ В (2)- m -полная масса подвижного состава,

от tn-i=-(n-l)(--Y) до t„=-n(--K) в не- w '

iO 3 iO 3

коммутационные обобщенные интервали времени. -угловая частота якоря тягового двигателя,

Уравнениям электромагнитного переходного про-

v -начальная скорость движения в начале пуска, цесса добавляется уравнение движения ротора тя- 0

гового двигателя постоянного тока[1,2,3]: a -равномерное ускорение, t -время движения в

dm пуске при рекуперативном торможении.

т ^ ^^я 1 / ИТ

J 1. я эл Электромагнитный момент определя-

dt (1) «

ется через потокосцеплении и токов вторичных обмоток тягового трансформатора.

2 2 (3)