Моделирование струйного аппарата с пульсирующим течением активного и инжектируемого потоков для очистки дымовых газов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Данные табл. 2, 3 показывают, что на годовую программу удельные затраты на серебро незначительны, при этом консервирующий эффект очевиден. Это, в свою очередь, может предотвратить порчу продукции от несвоевременной реализации, что особенно важно в летний период.

Известен ряд химических препаратов, используемых в качестве консервантов, но многие способы консервации в современных условиях являются дорогостоящими. В связи с этим в проекте Закона РФ «О качестве и безопасности пищевых продуктов» [4] даны разъяснения по использованию различных пищевых добавок. Вследствие этого следует расширить номенклатуру бактерицидных препаратов, которые, с одной стороны способствовали сохранению бактериальной устойчивости, а с другой имели свойство повышать биологическую ценность продукции, являясь при этом экономичным и эколого-гигиенически безопасным.

На основе критического анализа существующих методов обеззараживания питьевой воды и жидких пищевых продуктов (в частности молока), на наш взгляд, целесообразно использовать такие препараты

серебра, как цитрат серебра, комплекс с р-пири-динкарбоновой кислотой (провитамин РР) в качестве консервантов воды, молока и т. п. с концентрацией ионов серебра, не превышающей ПДК, а именно

0.05.мг/л. Экономические затраты от использования таких концентраций ионов Ag+ незначительны, при этом их использование позволит смягчить режимы пастеризации молочных продуктов.

Кроме того, опытным путем установлено, что молоко, содержащее ионы серебра, может в дальнейшем быть использовано для производства кисломолочной продукции.

Литература

1. Кульский Л.А. Серебряная вода, ее свойства и применение. Киев, 1963.

2. Кульский Л.А. Серебряная вода. Киев, 1987.

3. Дрововозов Т.И. Бактерицидные препараты для улучше-

ния качества воды и энергосбережения при пастеризации молока: Дис. ... канд. биол. наук. 1998.

4. Закон РФ «О качестве и безопасности пищевых продуктов». 2000.

Новочеркасская государственная мелиоративная академия 12 мая 2004 г.

УДК 621.66.01

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУЙНОГО АППАРАТА С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ТЕЧЕНИЕМ АКТИВНОГО И ИНЖЕКТИРУЕМОГО ПОТОКОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

© 2004 г. В.В. Шилов

Для очистки дымовых газов от оксидов и твердых частиц предлагается использовать способ, описанный в работе [1], использующий струйный аппарат как один из основных элементов газоочистки. Одним из путей повышения эффективности работы струйного аппарата является организация пульсации активного и инжектируемого потоков [2, 3].

Расчетно-теоретическое исследование струйных аппаратов с пульсирующим течением активного и инжектируемого потока имеет некоторые отличия от общеизвестного расчета. В традиционных расчетах струйных аппаратов обычно решаются две задачи: определение коэффициента инжекции, в том числе достижимого, при заданных параметрах активного (высоконапорного) и инжектируемого (низконапорного) потоков и заданном давлении в камере смешения, либо же определение достижимого давления сжатия при заданных параметрах активного и инжектируемого потоков и заданном коэффициенте инжекции [2].

Пульсация потоков вносит свои особенности в метод расчета, поскольку существует, как минимум, зависимость всех параметров этих потоков от времени. Для исследования процесса в струйном аппарате с пульсирующим течением потоков была разработана нестационарная модель (рис. 1). На рис. 1а показан период натекания в рабочую камеру 1 активного потока 2 из сопла 3, на рис. 16 - период натекания в рабочую камеру инжектируемого потока 4 за счет волнового процесса.

Полагается, что в период подачи активного потока истечение из сопла 3 дозвуковое, поперечное сечение этого потока перекрывает полностью без перелива поперечное сечение рабочей камеры 1. В любом поперечном сечении рабочей камеры имеет место течение только одного из потоков, следовательно, отсутствует перемешивание потоков за счет турбулентного смешения. Потоки между собой во времени разъединены контактной поверхностью 5. Полагается также,

что диффузия через контактную поверхность отсутствует. Схема физического процесса, объясняющая механизм работы рассматриваемого струйного аппарата, приведена на рис. 2.

а)

б)

Рис. 1. Схема течения пульсирующих потоков в струйном аппарате: а - период подачи активного потока; б - период подачи инжектируемого потока; 1 - рабочая камера; 2 - активный поток; 3 - сопло; 4 - инжектируемый поток;

5 - контактная поверхность

Пространство, где происходит рабочий процесс, представлено плоскостью х, t, со следующими ограничениями: t > 0, 0 <х <L. Оно имеет три ярко выраженные области, обусловленные тремя различными процессами. В области I отсутствует течение рабочего тела. В зоне II поток движется за счет внешней силы, действующей на границе х = 0. В области III движение потока осуществляется благодаря волновому процессу, при этом на границе х = 0 отсутствуют внешние силы. Время 0 < t <вд соответствует времени втекания в рабочую камеру за счет волнового процесса активного потока. Течение активного пульсирующего потока является принудительным. Оно может быть реализовано различными способами [3].

Механизм волнового процесса, который определяет режим втекания в рабочую камеру и течение в ней инжектируемого потока, следующий. Активный поток, попадая в рабочую камеру, создает волну разрежения I (рис. 2), которая распространяется к границе х = L со скоростью V = vi+ci, где vi, ci - местная скорость потока и скорость звука соответственно в i-м сечении.

Например, параметры потока в точке К (рис. 2) определяются через параметры волны разрежения в точке i и параметры волны сжатия в точке j. Уравнения течения активного и инжектируемого потоков в рабочей камере переменного сечения записывается с помощью уравнений:

д (ра) д ( ч _

- сохранения массы-+ — (раи) = 0

dt дх

и сохранения количества движения по х-компоненте

ди д 1 дР Л

— + и— +--= 0,

дt дх р дх

где а - площадь поперечного сечения рабочей камеры.

После преобразований, используя инварианты Римана 2, Я, приводим данную систему к виду:

dR

dZ

-u c-

dlna dx

dQ dn

-u c-

dlna dx

t, с

Рис. 2. Схема физического процесса в струйном аппарате с пульсирующими течениями потоков: I - область, где течение отсутствует; II - область принудительного течения активного потока; III - область течения за счет механизма волнового движения; 1 - волна разрежения; 2 - волна сжатия

Данные дифференциальные соотношения выполняются вдоль соответствующих им направлений при угловых коэффициентах: Х1 = и + с, Х2 = и - с. Далее определяются условия на границах области решения: t > 0, 0 < х < Ь. Общим методом решения этих уравнений является модифицированный метод Массо [4].

На рис. 3 представлена схема определения параметров в неизвестной точке. Пусть точки 1 и 2 близко отстоят друг от друга. Точка 1 принадлежит волне разрежения, точка 2 - волне сжатия. Точка 3 определяет параметры, где пересекаются волна сжатия и волна разрежения потока соответственно. Дойдя до правого конца рабочей камеры х = Ь, волна разрежения отражается и преобразуется в волну сжатия 2 (рис. 2), которая распространяется к границе х = 0 со скоростью Ж = у+Ср где у-, Ср местные скорости потока и звука соответственно в р-ом сечении потока. В свою очередь волна сжатия, достигнув координаты х = 0, отражается от свободного конца и преобразуется в волну разрежения, которая распространяется к координате х = Ь и границы х = Ь, в то время как волны сжатия препятствуют втеканию и течению этого потока и уменьшают в любом сечении рабочей камеры скорости течения потока VI до скорости у в направлении к границе х = Ь. В модели полагается, что энтропии потоков различны. При переходе через контактную поверхность энтропия изменяет свое значение

3

4

5

1

2

скачком. Скорость звука не является постоянной по длине потока, однако при переводе через контактную поверхность она также меняется скачком.

Рис. 3. Схема расчета параметров в области решения

Присоединение инжектируемого потока осуществляется между порциями активного потока. Режим течения в рабочей камере изоэнтропный. Скорость истечения из сопла активного потока (скорость на входе в рабочую камеру х = 0 постоянна в течение периода 0< /<вд. В области III параметры в узловых точках определяются при взаимодействии между собой волн сжатия и разрежения. Если из точки 1 в направлении точки 3 провести линию с угловым коэффициентом = и!+сь а из точки 2 в направлении точки 3 линию Х2 = и2 + с2, то они пересекутся в точке 3. Координаты точек 1 (хь ¿1) и 2 (х2, ¿2) известны, а точки 3 (х3, ¿3) неизвестны. Из условия равенства инвариантов Римана на границе в первом приближении неизвестные координаты х31), ¿Р могут быть определены

Х3 ) Х1 (3 ) t\ );

^ - Х2 _ ^2/ (tЗ1^ - 12 ) •

(1)

Значения инвариантов Римана R, Q в точке 3 определяются исходя из дифференциальных соотношений, в которых производные заменяются разностными аналогами:

dina 4

R _ R _ Л1) c (1)

R3 R1 _ U1i c1i

dx

Q3 _ Q1 _u 2? c 21)

V

/ dina

У13

V

dx

((1 _ ^); ((f _ 12 )•

(2)

Решая совместно уравнения (1) и (2), получаем первое приближение в точке 3 параметров х, Решая

совместно выражение для Я^ и , определяем

первое приближение . В дальнейшем уточня-

ем искомые параметры по следующим зависимостям:

) +х<1))/ 2; Я(2? =(я(2) +Я(Р)/ 2 ;

и(2) _(<} +и31))/ 2 ;

и22> _(и£ +и21))/ 2

(3)

(2)

_ c

(c1(1) + c® )/2 ; c22) _ (c21> + c21) )/2 •

23

Уточнение по формулам (3) осуществляется до тех пор, пока предыдущие значения искомых параметров не совпадут с последующими в пределах заданной погрешности расчета.

Исследования нестационарной одномерной модели показали следующие особенности. Для а = const модель устойчива: однако требует дополнительного алгоритма по выбору близлежащих точек 1, 2 с целью обеспечения устойчивости решения. Такой алгоритм в работе разработан. Его основная цель состоит в исключении случайных точек расчета исходя из следующих предпосылок. Координаты искомой точки должны удовлетворять условиям:

х1 < х2 < х3, t3 > t1, t3 > t2.

В случае переменной площади сечения по длине рабочей камеры необходимо дополнительно ввести в расчет волновую диаграмму, учитывающую изменения Q, R инвариантов при изменении сечения. При этом одним из методов облегчения алгоритма расчета является представление криволинейной рабочей камеры последовательным набором труб, увеличивающих (уменьшающих) свой диаметр ступенчато. Расчет показывает, что для а = const число узловых точек по длине струйного аппарата может не превышать 10, при этом для идеального газа время счета одного цикла на ЭВМ составляет не более 30 с.

Литература

1. Патент РФ № 2166356 2001. Способ смешивания газов с жидкостью / К.Б. Комиссаров, Е.Н. Суховеева.

2. Соколов Б.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М., 1970.

3. Карпачева С.М., Рябчиков Б.Е. Пульсационная аппаратура в химической технологии. М., 1983.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., 1970.

Ростовский государственный строительный университет

28 июля 2004 г.