CC BY
25
УДК 004.4 '242 Кулакова Ирина Михайловна,
к. т. н., доцент кафедры вычислительных машин и комплексов Ангарской государственной технической академии (АГТА), е-mail: iyelkina@mail.ru
Кулаков Алексей Юрьевич, инженер-электроник ОАО «АНХК», е-mail: alexei.kulakov@rambler.ru
Асламова Вера Сергеевна,
д. т. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельность и экология» ИрГУПС,
е-mail: weras@agta.mail.ru
ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ РАСКРУЧИВАЮЩЕГО ЛОПАСТНОГО АППАРАТА
I.M. Kulakova, A. Yu. Kulakov, V.S. Aslamova
VALIDITY CHECK OF THE MATHEMATICAL MODEL OF THE UNTWISTING BLADE DEVICE ELEMENTS CALCULATION
Аннотация. На основе закона сохранения момента импульса вращающегося потока в прямоточном циклоне с кольцевым каналом переменного сечения получена математическая модель раскручивающего лопастного аппарата, используемая для стереометрического профилированного расчета его элементов. Впервые экспериментально определен угол установки лопаток раскручивающего аппарата, отличающийся от теоретически определенного угла на 1,75° (погрешность расчета 11,29 %) и позволяющий снизить гидравлическое сопротивление прямоточного циклона на 8-15 % без уменьшения эффективности пылеулавливания.
Ключевые слова: момент импульса вращающегося потока, прямоточный циклон с промежуточным отбором пыли, раскручивающий лопастной аппарат, осевой направляющий аппарат, гидравлическое сопротивление, эффективность пылеулавливания.
Abstract. On base of the law of conservation of a moment of impulse of rotational flow in a direct-flow cyclone with annular channel of variable cross-section mathematical model of untwisting blade device, used for stereometrical profiled calculation of its elements is received. For the first time corner of installing the blades of untwisting device, diversified from theoretically determined corner on 1,75° (inaccuracy of the calculation 11,29 %) and allowing to reduce the hydraulic resistance an a direct-flow cyclone on 8-15 % without reduction of de-dusting efficiency is experiment tally determined.
Keywords: moment of rotational flow impulse, direct-flow cyclone with intermediate selection of
dust, untwisting blade device, axial directional device, hydraulic resistance, de-dusting efficiency.
Раскручивающий лопастной аппарат (РЛА) предназначен для снижения гидравлического сопротивления циклонных пылеуловителей. Однако его использование приводит, как правило, к снижению эффективности пылеулавливания циклона. Поэтому возникла необходимость разработки математической модели для расчета угла в установки лопаток на входе в РЛА относительно радиальной плоскости. Величина в зависит от диаметров: циклона D, осевого направляющего аппарата (ОНА) dz, выхлопного патрубка чистого воздуха d20 и РЛА dr, а также угла установки у осевого направляющего аппарата (ОНА), скорости ui и давления Pi на входе в ОНА и гидравлического сопротивления ÁP циклона.
В выхлопном патрубке прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли (ПЦПО) диаметром d20 имеется соосная цилиндрическая вставка диаметром dr. В кольцевом зазоре между ними находятся радиальные бицилиндрические лопасти, раскручивающие проходящий между ними поток. Лопасти имеют бицилиндрическую форму с двумя последовательными радиусами загиба ri и r2.
На этих участках углы загиба составляют ai и a2 соответственно. Высота раскручивающего лопастного аппарата hr. Входная кромка лопасти обеспечивает угол раскрутки потока Р . Выходная кромка расположена по радиусу циклона. Необходимые для геометрических вычислений вспомога-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
тельные размеры к\, к2, I, А и 12 изображены на рис. 1.
Основой расчета угла в является закон сохранения момента импульса вращения. Предполагается, что вращение газового потока подчиняется закону вращения твердого тела (при произвольном радиусе угловая скорость постоянна). В модели учтено также расширение газа в циклоне, вызванное его гидравлическим сопротивлением: А¥ = р /(р - АР) . Характеристики сечений: площади на входе 51 в ОНА и на выходе 52 из РЛА вычисляются по формулам: ^ = п • (О2 — 2) / 4,
^ =п (й^ — йг 2)/4.
ш
варьируемые радиус загиба Г\ и угол загиба а < 90° — /. Угол загиба а2 вычисляется из выражения: а2 = 90° — / — а1. Далее углы пересчитывать в радианы.
Рис. 2. Пример расчета угла установки лопаток РЛА
Определяем промежуточный расчетный ко-
Рис. 1. Проекция лопатки РЛА
Моменты инерции входного J\ сечения ОНА и выходного J2 сечения РЛА находятся по формулам:
J =л. (D4 - dz 4) / 2 , J =n-(d204 - dr 4) / 2 .
Скорости на выходе из РЛА с учетом u * и без учета гидравлических потерь u2 определяют по формулам: u2 = u2 • AV , щ = щ • S / S2. Тангенциальная w\ и угловая Ш\\ скорости на входе в ОНА определяются из выражений: w1 = щ • tg(у.п /180) и = w1 / D .
Момент импульса L\ на входе в ОНА равен моменту импульса L2 на выходе из РЛА, то есть выполняется соотношение L = Ь2 = соп • J.
Угловая и окружная скорость w2 и ю22 на выходе из РЛА рассчитывается по формулам: ®22 = L / J и w2 =ю22- d20. Тогда угол установки лопаток в равен / = 180°arctg(u2 / w2) / ж. Пример расчета угла установки лопаток РЛА представлен на рис. 2. Блок-схема расчета угла установки лопаток в приведена на рис. 3, а.
Исходными данными для стереометрического моделирования лопастей РЛА являются диаметры d20, dr, угол раскрутки в, высота РЛА hr, количество лопаток n. Также необходимо задать
эффициент K =
cos а1 - cos« +а2 ) sin («1 +«2 )-si
sin а
Радиусы первого загиба r и второго загиба r2 лопасти рассчитываются по формулам: 0,5Dsin(2^/n) - Kh h -sin c^
1 -cosa1 -Ksina1
sin (« +a2)- sin «
Далее следует определить проекционные характеристики лопастей: ^ = r (1 - cos «) /2 = r2 (cos а - cos(a + а2 )), осевые проекцион-
h = Г sin а Установочный угол ©1 (см. рис. 3) по внутреннему диаметру dr и установочный угол ©2 по внешнему диаметру d20, необходимые при монтаже лопастей, вычисляются по формулам:
и
ные размеры
и h = r2 (sin( а + а2 ) - sin «).
= arcsin
w2 = arcsin
r (1 - cos«) + r [cos a - cos (« + a)] 05d ,
Г (1 - cos a1) + r2 [cos a1 - cos« + a2)] 0,5d,n
Угол ю , образующийся между двумя лопатками на выходе потока, относительно оси РЛА рассчитывается из выражения ю = 360° / п , где п - число лопаток.
а) б)
Рис. 3. Блок-схемы алгоритмов: а - расчета угла раскрутки; б - расчета и построения РЛА
Длина первого участка с радиусом загиба ri: X = ra. Длина лопатки x2: x2 = x + r2a2 .
Координаты наружной кромки лопасти yi: на участке 0 < x < x :
У1 = 0,5_D{1 - cosarcsin[r1 /0,5D(1 - cos( x / r1))]}; на участке x < x < x2:
y1 = 0,5^20(1 — cosarcsin(r (1 — cosa) /0,5<i20 + +r2 / 0,5<i20 (cosax — cos(a + (x — X) / Г ))))• Координаты внутренней кромки лопасти y2:
на участке 0 < x < х:
y2 = 0,5d20 - 0,5dr {cosarcsin[r1/0,5dr (i - cos(x/ /1))]}; на участке x < x < x2: y2 = 0,5 d20 - 0,5dr cos arcsin(/ (i - cos a) / 0,5dr +
+r2 / 0,5dr (cos a - cos(a + (x - x) / / )))•
Блок-схема расчета и построения РЛА приведена на рис. 3, б. Расчет итогового изделия РЛА по разработанной математической модели довольно трудоемкий и длительный процесс, поэтому
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
автоматизация этих вычислений является логически обоснованным продолжением данной работы. Для выполнения условия плавного входа потока в направляющие аппараты и его качественной закрутки и раскрутки реализован внутренний алгоритм автоматического выбора параметров плавного загиба лопатки осевого направляющего и раскручивающего аппаратов при их стереометрическом профилированном расчете в разработанной автоматизированной системе [2]. Рассчитанный по теоретической модели угол Рр установки лопаток РЛА составил 13,75° для угла установки лопаток ОНА 30
Для проверки адекватности предлагаемой модели расчета элементов РЛА и изучения спирального следа из частиц на внутренней стенке корпуса циклона был использован метод Л. Прандтля [3], согласно которому на внутреннюю поверхность сепарационной камеры циклона был нанесен слой суспензии (окись титана на воде). После высыхания воды на стенках образовывался налет пыли. Далее в циклон подавался поток, и в течение двух часов аппарат работал при заданном режиме. По истечении времени на стенках циклона образовывался спиральный след линий тока закрученного потока. С помощью транспортира измерялись углы Рэ, образованные этими линиями к радиальной плоскости циклона.
На экспериментальном стенде исследовалось влияние РЛА на эффективность очистки и гидравлическое сопротивление циклона ПЦПО.
Закручивание потока осуществлялось ОНА с углом у = 30°, выхлопной патрубок был снабжен 8 отверстиями диаметром 2 мм, через которые эжек-тировался воздух из бункера основного отбора. Выхлопной патрубок был оснащен РЛА с углом Р = 13,75°. Для запыления потока использовали цемент марки М400. Гранулометрический состав порошка определялся методом жидкостной седиментации в керосине. Масс-медианные диаметры частиц цемента dm составили 8 мкм, среднее квад-ратическое отклонение функции распределения частиц по размерам ^ оч = 0,276. Истинная плотность рз цемента, измеренная с помощью пикнометра, составила 3150 кг/м3. Оценка эффективности пылеулавливания проводилась двояко: по поданной и улавливаемой отборами циклона пыли (минорантная оценка п™«); по поданной и выносимой из циклона пыли (мажорантная оценка п^); средняя эффективность пылеулавливания ] рассчитывалась по формуле: л = (л^ + л^. )/2. Среднее расхождение между ця« и цяшх не превышало 6 %, что соответствует требованиям нормативных документов, по которым ошибка измерения эффективности очистки не должна превышать 10 %.
На рис. 4 представлены результаты эксперимента.
При наличии раскручивающего лопастного аппарата наблюдается снижение гидравлического сопротивления циклона на ~ 40 Па для любой среднерасходной скорости потока при сохранении
1000
900
800
700
500
500
400
300
|
200
100
—----- //
■
// //
/
/
X/
■
100
90
Ж
80
70
60
50
40
30
20
10
скорость потока, м/с
Рис. 4. Влияние РЛА на гидравлическое сопротивление циклона и его эффективность сепарации: АР : без РЛА (■); с РЛА (А); п: без РЛА (<>); с РЛА (О)
эффективности очистки на том же уровне, что и без него. За счет геометрического профилирования лопастей РЛА и точности определения угла установки его лопастей происходит плавное равномерное выпрямление газового потока без уменьшения эффективности пылеулавливания, что приводит к снижению гидравлического сопротивления ПЦПО. Снижение гидравлического сопротивления привело к уменьшению энергопотребления, затрачиваемого на очистку запыленного потока.
Выводы
Установлено, что при прохождении потока в области промежуточного отбора происходит растягивание спирали закрученного потока до 35—36° и сжимание спирали закрученного потока до 15—16° при подходе к раскручивающему аппарату.
Впервые экспериментально определен угол установки лопаток раскручивающего аппарата, отличающийся от теоретически определенного угла на 1,75° (погрешность расчета 11,29 %) и позволяющий снизить гидравлическое сопро-
тивление прямоточного циклона на 8-15 % без уменьшения эффективности пылеулавливания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кулаков, А.Ю. Автоматизированная система проектирования деталей прямоточного циклона / А.Ю. Кулаков, А.А. Асламов, И.М. Кулакова, В.С. Асламова // Вестник СГТУ.- 20\\. - № 3 (58).- Вып. 2.- С. 68-73.
2. Кулаков, А.Ю. Автоматизация расчета и проектирования деталей прямоточного циклона / А.Ю. Кулаков, А.А. Асламов, И.М. Кулакова, М.И Аршинский, В.С. Асламова // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 20\\. - № 2 (30). - С. 105-\\2.
3. Веригин, А.Н. Экспериментальное подтверждение гипотезы о существовании вторичных вихрей в циклоне / А.Н. Веригин, В.Н. Федоров, В.А. Ким, Н.А. Незамаев // Химическая промышленность сегодня. - 20\0. - № 2. - С. 47-50.
УДК 658.2 Еременко Александр Алексеевич,
аспирант, старший преподаватель кафедры «Экономика» Забайкальского института железнодорожного транспорта - филиала ИрГУПС, тел. (3022) 24-06-90, e-mail: peo@zab.megalink.ru
МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕМ В СТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ КЛЮЧЕВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
A.A. Eremenko
MODEL OF POWER MANAGEMENT IN A STATIONARY HEAT POWER ENGINEERING OF RAIL TRANSPORT BY DEVELOPING OF KEY PERFORMANCE INDICATORS
Аннотация. В статье рассмотрены действующие механизмы внедрения энергосберегающих мероприятий и повышения энергетической эффективности в стационарной теплоэнергетике компании ОАО «РЖД». Предложена модель управления энергосбережением на основе проектного подхода с помощью формирования системы ключевых показателей эффективности теплоснабжения железнодорожного узла.
Ключевые слова: энергетическое обследование, ключевые показатели эффективности, энергосбережение, энергетическая эффектив-
ность, проект повышения эффективности теплоснабжения железнодорожного узла.
Abstract. The article deals with the mechanism for implementation of energy saving measures and increasing of energy efficiency in stationary heat power engineering of OAO RZD Company. Authors put forward a model of energy savings management on the basis of the design approach by forming a system of key performance indicators of railway junction heating.
Keywords: energy audits, key performance indicators, energy savings, energy efficiency, design of
