Определение аэродинамического сопротивления патрубка рецикла воздуха экспериментальной установки дезинтегратора Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

DOI: 10.12737/article_5bd95a7b37fd98.85598287 1Логачев И.Н., 1*Семикопенко И.А., 1Смирнов Д.В., 1Беляев Д.А., 1Ханин С.И.

'Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 *Е-таИ^ет1^репЫ. ¡а@ bstu. ги

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПАТРУБКА РЕЦИКЛА ВОЗДУХА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЕЗИНТЕГРАТОРА

Аннотация. В настоящее время дезинтеграторы являются одним из видов оборудования, применяемого при помоле, смешении и активации ряда материалов. В данной статье предложено описание конструкции дезинтегратора с патрубком рецикла материала, обеспечивающим необходимую тонкость продукта помола. Патрубок рецикла содержит отводной канал для отделения тонкого продукта, расположенный в верхней части конструкции. Высокая частота вращения роторов дезинтегратора обеспечивает измельчение материала в рабочей камере и получение высокой скорости рецир-кулируемого двухкомпонентного потока «воздух - частицы материала». Данный процесс требует дополнительных затрат мощности электродвигателей на преодоление аэродинамического сопротивления конструктивных элементов патрубка рецикла. Используя фундаментальные труды профессора И.Е. Идельчика, в статье получено аналитическое выражение, позволяющее определить суммарный напор, создаваемый дезинтегратором, через сумму потерь во всех ранее рассмотренных элементах патрубка рецикла, учитывая его аэродинамическое сопротивление. Представлена расчетная схема для определения аэродинамического сопротивления в патрубке рецикла дезинтегратора. При проведении экспериментов определялись потери давления, учитывая коэффициенты местного сопротивления. В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что суммарный напор зависит от конструктивных и технологических параметров патрубка рецикла дезинтегратора. Результаты подстановки численных значений данных параметров показывают, что основные потери давления приходятся на преодоление сопротивления поворотной заслонки. При площади поперечного (в проекции на вертикальную плоскость) сечения сегмента с высотой h = 8 мм, через которую проходит реверсируемый поток воздуха, данные потери составляют 84,5%, при этом потери давления на сопротивление кольцевой трубы составляют 14,1 %.

Ключевые слова: дезинтегратор, сопротивление, патрубок, материал.

Экспериментальная установка дезинтегратора для обеспечения необходимой тонкости помола оснащена патрубком рецикла материала (обеспечивающего его многократное пребывание в камере помола), представляющей собой цилиндрический корпус с двумя патрубками: на входе (загрузочный) и на выходе (разгрузочный). Значительная скорость вращения роторов (более 3000 мин-1) обеспечивает не только тонкое измельчение, но и вызывает высокие скорости ре-циркулируемого двухкомпонентного потока «воздух-частица материала», что требует большой мощности используемых электродвигателей на преодоление аэродинамического сопротивления элементов патрубка рецикла (рис.1).

Оценим величину сопротивления патрубка рецикла с помощью расчетов, используя фундаментальную работу профессора Идельчика И.Е. [1].

Определим потери давления при плавном повороте воздуха в резиновом рукаве 1. Коэффициент сопротивления рукава:

где Г

^ т

Г

~ м

- сопротивление на трение в рукаве; местное сопротивление на поворот потока.

Сопротивление на трение в рукаве (1):

I

Г = X , (2)

' тр-р■ р И Ы0

где X - коэффициент гидравлического сопротивления; 1р - длина рукава; do - диаметр переходника (конфузора).

Учитывая значительные величины скорости воздуха в резиновом рукаве (и0 = 15 + 19,4 м/с) и большое число Рейнольдса, которое составляет (при ^ = 0,05 м и у = 15 -10_бм2/с при ^ = 20 °С):

Ке = «04 = 15:005 +19,4 • 0,°5 = 50000 + 64700,

15-10"

15-10"

Гр Гтр. р. ^ Гм

(1)

коэффициент гидравлического сопротивления X уменьшается [1, 2]:

0,45

0,45

Яе00

, ,140,263 , ,\0

(5-104) (6,47-104)

= 0,0256 + 0,0239.

Рис. 1. Расчетная схема для определения аэродинамического сопротивления в патрубке рецикла

дезинтегратора:

1 - рукав из гладкой резины при d0 = 0,05 м, а = 180°; Лср = 0,425 м; 2 - стальной тройник; 3 - поворотная заслонка; 4 - переходник (конфузор) с d0 = 0,05 м на квадратное сечение 0,03x0,03 м; 5 - кольцевая труба с наружным диаметром dн = 0,045 м и внутренним dв = 0,029 м; 6 - загрузочный патрубок с внутренним диаметром dп = 0,025 м и толщиной стенок 0,002 м;

7 - роторы камеры помола; 8 - корпус

Местное сопротивление определяется по формуле [1, 3, 4]:

Потери давления на первом участке патрубка рецикла определяются по формуле:

= 4 • В • с1г

(3)

ип

где Ау - коэффициент, учитывающий угол изогнутости патрубка, определяемый по формулам [4] , при а> 1000:

а

А = 0,7 + 0,35--,

1 90°

(4)

В1 - коэффициент, учитывающий влияние относительного радиуса кривизны патрубка, где а > 100°, определяется по формуле [1]:

В =

0,21

R.

(5)

ср

С - коэффициент, учитывающий влияние относительной вытянутости поперечного сечения па-

трубка в нашем случае для круглого сечения

С = 1.

АР! = СР ^ Р,

(6)

где р- плотность воздуха, р = 1,2кг/м3.

Определим потери давления на втором участке патрубка рецикла (тройник с поворотной заслонкой). Скорость в нижнем отводе тройника и ~ 0 , и сопротивление на трение ствола тройника пренебрежимо мало в силу малой его длины. Наибольшая скорость воздуха в зазоре между поворотной заслонкой и стенкой ствола тройника:

и3 = и о

^ = 00

(7)

где площадь поперечного сечения ствола тройника (¿о= 0,05 м); - площадь поперечного (в проекции на вертикальную плоскость) сечения сегмента с высотой И = 8 мм, через которую проходит реверсируемый поток воздуха с расходом (предполагая, что скорость воздуха в нижнем отводе тройника пренебрежимо мала), м2.

Рис. 2. Схема тройника 2 с поворотной заслонкой (рассекателем) 3

Коэффициент местного сопротивления поворотной заслонки, отнесенный к скоростному давлению в патрубке рецикла диаметром (10 = 0,05 м, определяется по формуле [5]:

в виде суммы коэффициентов местных сопротивлений (Смк ) и коэффициента сопротивления

трения(Ср.к.):

С =АР3 / р-2-,

(8)

где АРз - потери давления на поворотной заслонке, определяемые по формуле:

с =с + с

^ к 2 ^ м.к ^ т

Рик 2

(10)

и

АРз = Сз ^ р.

(9)

Определим потери давления в переходнике 4. Для инженерных расчетов общий коэффициент сопротивления переходников представляется

где Арк - потери давления; ик - скорость воздуха в переходнике 4.

Величина коэффициента местного сопротивления при турбулентном течении определяется по формуле [6, 1]:

с =-Ар- = (- 0,0125«4 + 0,0224«3 - 0,00723^ + 0,00444п0 - 0,00745) 2

•(а3р -2па2р - 10ар), где ар = 0,01745а рад (где а измеряется в градусах); п = —- (- площадь квадратного отвер-

0 ^ ' к

стия переходника 4).

С = X

Ь тр.к. т т 5

й,.

(11)

(12)

где 1к - длина переходника (конфузора 4); йк -меньший диаметр переходника; Хт определяется по формуле [1, 7]:

при Re = 6,5-104 и 012 = 012 = 0Ш4.

~ йк 30 , ;

X = 0,11| А + — Re

Рис. 3. Расчетная схема переходника (конфузора) между патрубком рецикла и кольцевой трубой

Коэффициент сопротивления на трение рекомендуется определять по формуле для труб (при а<100):

= 0,11| 0,004 + -

68

65-103

(13)

= 0,0293.

Потери давления в переходнике 4 определяются по следующей формуле:

0,25

0,25

ЛРк = Г ^ Р-

(14)

Максимальные потери давления реализуются при выходе воздуха из переходника в открытое пространство (в этом случае Г = 1,0).

дртах = 1-

а

V Ек )

р 2'

(15)

Определим потери давления в кольцевой трубе (позиция 5 рисунка 1) со спиральными ребрами.

Величина коэффициента сопротивления трубы кольцевого поперечного сечения определяется [8, 9, 1] по формулам:

С-- ;

(16)

спирального потока воздуха определяется следующим образом:

5,

'011 = 5р - %

(21)

Рис. 4. Развертка спирального канала

где Нс - высота спирали; Нс = 2Т. «0 - внутренний диаметр кольцевой трубы; Т - шаг витка спирали; X определяется по формуле (13); кн -

коэффициент, определяемый по формуле:

г \

• 1 кол = 1 + = 3,066 • 1 кол . (17)

1,. =

1+

_2_0

V «0

Гидравлический диаметр винтового канала определяется как:

4 • S0■k■k■

«г.в. =

2-(¿0 + К )'

Тогда средняя скорость:

= а

Wo =

(22)

(23)

0.11.

Коэффициент 1 кол определяется по графику (а) [1].

Гидравлический диаметр определяем из рис.

4:

1 - <

А0

Т dt А - В " 6в

л А0 1" ^ лА0 А0

лс1в А0

(18)

+-[1 - А

А0

6в

А =

1 +

Т. • ^ Л А0 )

; в=^

А0 V

1+

( Т ^2

клйе)

(19)

Определим скорость №0 в поперечном сечении спирального канала кольцевой трубы. Для этого определим расстояние между ребрами К (см. развертку спирального канала на рис. 4).

К = V т • п,

(20)

При зазоре между цилиндрическими поверхностями ёр, площадь поперечного сечения для

х Р=ЕДР0 = Гр

(Г> V

I=1

00

V 50 )

• Р + Гз 2 з

' 00 у 50

Потери давления в кольцевой трубе со спиральными ребрами:

ДР = Г

ш к.т. Ь;

к.т.

а *

V 50 )

р 2 .

(24)

Потери давления на выходе из кольцевой трубы в приемную камеру дезинтегратора при №0 = 48,2 м/с и коэффициент сопротивления

~ 1 составляют:

—' оЫХ.и

ДРв.д. Гвых.д

щ 2

• Р.

(25)

Суммарные потери кольцевого канала:

2

ДРк.к. = ДРк.т. + ДРв.д. = (Гк.т. + Гых.д ) • ^Т • Р. (26)

Тогда суммарный напор, создаваемый дезинтегратором-нагнетателем, через сумму потерь во всех ранее рассмотренных элементах патрубка рецикла, равен:

РР+

' 00 ^

2

• Р + (Г + Г У^0- • Р

2 VЬк.т. Ь вых) 0 У-

2

(27)

140

45

= «0

2

Подстановка численных значений геометрических и технологических параметров, а также коэффициентов местного сопротивления на всех участках патрубка рецикла показывает, что основные потери давления приходятся на преодоление сопротивления поворотной заслонки. При h = 8 мм данные потери составляют 84,5 %, при этом потери давления на сопротивление кольцевой трубы составляют 14,1 %. Таким образом, из выражения (27) можно заключить, что суммарный напор зависит от конструктивных и технологических параметров патрубка рецикла дезинтегратора.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975.559 с.

2. Тольцман В.Ф., Шевелев Ф.А. Гидравлическое сопротивление резиновых рукавов. В кн.: Исследование по гидравлике. 1952. 190 с.

3. Абрамович Г.Н. Аэродинамика местных сопротивлений // Сб. Промышленная аэродинамика. Труды ЦАГИ, вып. 211. 1935. С. 65-150.

4. Некрасов Б.Б. Гидравлика. ВВА, 1954, 290 с.

5. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления (физико-механические основы). Госэнер-гоиздат, 1954, 356 с.

6. Levin I., Clermont F., Etude des pertes de charge singulieres dans les convergents, "Le Genie Civil" 1970. Vol. 147. No. 10. Pp. 11-20.

7. Альтшуль А.Д., Калицун В.М. О коэффициенте сопротивления конфузоров // Известия ВУЗов. Энергетика. 1960. №7. С. 130-136.

8. Золотов С.С. Гидравлическое сопротивление каналов кольцевого сечения. Труды Ленинградского кораблестроительного института, вып. 74. 1971. С. 41-49.

9. Субботин В.И., Ушаков П.А., Шейнина А.В. Гидравлическое сопротивление узких кольцевых каналов со спиральными ребрами. "Атомная энергия", 1966. Т. 25. №1. С. 13-16.

Информация об авторах

Логачев Иван Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и вентиляции. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.

Семикопенко Игорь Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры механического оборудования. E-mail: semickopencko.i@yandex.ru; e-mail:semikopenko.ia@ bstu.ru. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.

Смирнов Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры механического оборудования. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.

Беляев Денис Александрович, аспирант кафедры механического оборудования. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.

Ханин Сергей Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры механического оборудования. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.

Поступила в июле 2018 г.

© Логачев И.Н., Семикопенко И.А., Смирнов Д.В., Беляев Д.А., Ханин С.И., 2018

1Logachev I.N., 1 *Semikopenko I.A., 1Smirnov D. V., 1Belyaev D.A., 1Hanin S.I.

1Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46 *E-mail:semikopenko.ia@ bstu.ru

DETERMINATION OF THE AERODYNAMIC RESISTANCE OF THE AIR RECOVERY PIPE OF THE DEZINTEGRATOR EXPERIMENTAL UNIT

Abstract. Currently, disintegrators are used for milling, mixing and activating a spectrum of materials. The article allows to determine the total head created by the disintegrator through the sum of losses in all previously considered elements of the recycle branch pipe, in terms of aerodynamic resistance. The design scheme is presented for determining an aerodynamic resistance in the disintegrator recycling branch pipe. During the experiments, the loss of pressure is determined, taking into account the coefficients of local re-

sistance. In result of conducted studies, it is concluded the total head depends on the structural and technological parameters of the disintegrator recycling branch pipe. The numerical values ofgiven parameters show that the main pressure losses occur due to overcoming the resistance of rotary damper. Keywords: disintegrator, resistance, branch pipe, material, air.

REFERENCE

1. Idelchik I.E. Reference book on hydraulic resistance. M., "Mechanical Engineering", 1975, 559 P.

2. Toltzman V.F., Shevelev F.A. Hydraulic resistance of rubber hoses. In: Research on hydraulics. 1952, 190 pp.

3. Abramovich G.N. Aerodynamics of local resistances. Sat. Industrial aerodynamics. Proceedings of TsAGI, no. 211, 1935, pp. 65-150.

4. Nekrasov B.B. Hydraulics. VVA, 1954, 290

p.

5. Idelchik I.E. Hydraulic resistance (physical and mechanical basis). State Power Engineering Publishing House, 1954, 356 p.

6. Levin I., Clermont F., Etude des pertes de charge singulieres dans les convergents, "Le Genie Civil", 1970, vol. 147, no. 10, pp. 11-20.

7. Altshul A.D., Kalitsun V.M. On the resistance coefficient of confusers. Proceedings of universities. Power Engineering, 1960, no. 7, pp. 130136.

8. Zolotov S.S. Hydraulic resistance of channels of annular cross-section. Proceedings of the Leningrad Shipbuilding Institute, 1971, no. 74, pp. 41-49.

9. Subbotin V.I., Ushakov P.A., Sheinina A.V. Hydraulic resistance of narrow annular channels with spiral ribs. "Atomic energy", 1966, vol. 25, no. 1,pp. 13-16.

Information about the author

Logachev, Ivan N. DSc, Professor. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.

Semikopenko, Igor A. PhD, Assistant professor. E-mail: semickopencko.i@yandex.ru; e-mail:semikopenko.ia@ bstu.ru. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.

Smirnov, Dmitriy V. Research assistant. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.

Belyaev, Denis A. Research assistant.Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.

Hanin, Sergey I. DSc, Professor. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.

Received in July 2018 Для цитирования:

Логачев И.Н., Семикопенко И.А., Смирнов Д.В., Беляев Д.А., Ханин С.И. Определение аэродинамического сопротивления патрубка рецикла воздуха экспериментальной установки дезинтегратора // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №10. С. 132-137. DOI: 10.12737/article_5bd95a7b37fd98.85598287

For citation:

Logachev I.N., Semikopenko I.A., Smirnov D.V., Belyaev D.A., Hanin S.I. Determination of the aerodynamic resistance of the air recovery pipe of the dezintegrator experimental unit. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2018, no. 10, pp. 132-137. DOI: 10.12737/article_5bd95a7b37fd98.85598287