CC BY
47
УДК 532.5
ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКОРОСТИ ПОТОКА В ЦИКЛОННЫХ КАМЕРАХ БОЛЬШОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЛИНЫ
Канд. техн. наук, доц. ОРЕХОВ А. Н., докт. техн. наук, проф. САБУРОВ Э. Н.
Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова
Работа выполнена в рамках программы имени Леонарда Эйлера на стенде, созданном совместно сотрудниками кафедры теплотехники САФУ имени М. В. Ломоносова и лаборатории лазерной техники Университета прикладных наук г. Эмдена1 (Германия).
Основой измерительного комплекса экспериментальной установки являлся двухлучевой лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) фирмы Dan-tec Measurement Technology A/S. Для трассирования воздушного потока при измерениях использовали силиконовую жидкость, образующую при диспергировании в генераторе Safex Fog Generator микроскопические частицы тумана размером около 1 мкм. Они имели практически одинаковую с воздухом плотность и при вводе в рабочий объем циклонной камеры перемещались со скоростью потока, не оказывая влияния на его характеристики.
В работе производили измерения распределений пульсационных и осредненных тангенциальной и аксиальной скоростей турбулентного циклонного потока. Модель циклонной камеры (рис. 1) была выполнена из органического стекла и состояла из закручивателя 1, шлицев 2, глухого торца 3, сменных секций рабочего объема 4 и выходного пережима 5. Внутренний диаметр закручивателя и секций рабочего объема камеры DK = = 2RK = 179 мм. Закручиватель длиной 124 мм имел два тангенциальных шлица прямоугольного сечения общей площадью /вх = 2 -13 • 39 мм2.
В относительном виде 7 = 4 f /nD2 = 0,04, а высота шлицев А = h / R =
j вх J вх к у у вх вх к
= 0,0726. Относительный диаметр выходного отверстия пережима 4,ых = ¿вых / De= 0,43. Закручиватель со сменными секциями позволял собирать циклонные камеры с относительной длиной LK = LK /DK = 1,55; 6,30;
Воздух в экспериментальную установку подавали от центробежного вентилятора с плавной регулировкой производительности. Эвакуацию смеси воздуха с аэрозолем осуществляли из пережима в систему вытяжной
1 На отдельных этапах работы участие в ней принимал проф. В. Гарен.
вентиляции. Измерения полей осредненных и пульсационных скоростей потока производили в распределенных по длине рабочего объема сечениях при различных числах Рейнольдса. Координаты измерительных сечений г = г/^к в осевом направлении отсчитывали от глухого торца камеры. Их значения представлены в табл. 1.
Таблица 1
Координаты измерительных сечений
z
1,55 1,00 - - -
6,30 1,00; 2,50; 6,05 -
11,88 1,35; 5,85; 11,63 -
17,48 1,35; 5,85; 11,63; 17,23
Поскольку в экспериментах использовали двухлучевую лазерную систему, для измерения тангенциальной w(f и осевой Wz компонент скорости в каждом сечении замеры производили дважды: с вертикальной и горизонтальной ориентацией плоскости пересечения лазерных лучей.
Полученные в работе распределения безразмерной тангенциальной W<p = w9 / w^ и осевой Wz = wz/ wEX компонент скорости подтвердили известные представления о потоке в относительно коротких циклонных камерах, особенности его вихревой структуры, выводы об его приближенной авто-модельности относительно критерия Рейнольдса Яевх = WвхDкNвх ^вх - скорость потока во входных каналах; vвх - кинематический коэффициент вязкости) при высоких входных скоростях [1, 2]. Распределения тангенциальных скоростей условно можно разделить на зоны: внутреннюю и внешнюю (квазипотенциальную), считать их практически осесимметричными. Однако с увеличением LK установленные ранее схемы вихревых потоков продолжают наблюдаться лишь в средних сечениях рабочего объема, а распределения тангенциальных скоростей начинают существенно меняться по его длине. В средней части камеры появляются профили, значительную радиальную часть которых можно приближенно описать уравнением w<p(r) « const [3], где r = r/RK. Распределения тангенциальной и аксиальной скоростей в циклонной камере с LK = 17,48 при различных z и среднем значении числа Рейнольдса, а также при z = 5,85 и изменении Яевх • 10-4 от 4,38 до 27,32 приведены на рис. 2.
Как следует из рис. 2, распределения w9 в общем случае зависят от входного числа Рейнольдса; их значения незначительно увеличиваются с ростом последнего. Влияние Яевх на распределение осевой скорости более значительно проявляется в приосевой зоне течения при r < 0,2.
При r > 0,2 значения wz практически не зависят от Яевх. В целом полученные данные позволяют сделать заключение о приближенной автомо-дельности циклонного потока в рассмотренном диапазоне Яевх и в относительно длинных камерах.
Распределения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осе-
вой компонент скорости д/М,2 и л!™'2 и составляющие относительной ин-
тенсивности их пульсаций еф = ^м^2 уМ и в2 = у м'2/м приведены на рис. 3, где М - осредненное значение модуля вектора скорости в точке замера. На рис. 3 использованы те же обозначения, что и на рис. 2. Из представленных данных видно, что в циклонных камерах большой относительной длины, как и в относительно коротких [1], имеет место высокий уровень интенсивности пульсаций компонент вектора скорости потока.
В большинстве сечений изменения относительных интенсивностей пульсаций вф и вг вдоль радиуса камеры качественно одинаковы. На радиусах Г от 0,2 до 0,9 значения вф и вг составляют около 10 %. В пристеночной области течения интенсивность пульсационного движения начинает возрастать и в нескольких миллиметрах от поверхности достигает 20 % и более. Аналогичное еще более сильное возрастание интенсивности турбулентности наблюдается при приближении к оси циклонной камеры. Особенно заметно это проявляется во входном ее сечении с г = 1,35. Заметим, что в сечении ввода потока в камеру распределения Мф, мг,
V
имеют особый, отличный от других сечений рабочего объе-
ма, характер.
Рост вф и вг вблизи оси и стенки циклонной камеры в определенной мере объясняется и тем, что в рассматриваемых областях снижение осред-ненного значения модуля вектора скорости до нуля происходит значительно интенсивнее, чем нарастание и . С продвижением потока к вы-
и
ходному отверстию уровень среднеквадратичных пульсации компонент вектора скорости снижается и достигает наименьших значении в области стока. Опыты показали, что в относительно длинных циклонных камерах наблюдается приближенная автомодельность не только осредненных, но и турбулентных характеристик течения относительно критерия РеИнольдса в рассмотренном диапазоне его изменения.
¡wф , м/с - г
0,6.
г = 1,35 5,85 11,63 17,25
од-
ою-
\ \ \
♦-♦ -
■ Л •*
0,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0,0 0,2 0,4 0,6
0,8
8ф
0,4
0,2
0,0
=вхЮ-4=4 38 8,14
\ 16,2 ■ ¿1 1 27,3 1 / 2 л
=0-60^
0,4
0,2
0,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0,2 0,4 0,6 0,8
г
г
г
Рис. 3. Распределения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осевоИ скоростей и относительные интенсивности их пульсаций в циклонной камере с Ьк = 17,48 при различных 2 и Яевх
Значения вышерассмотренных турбулентных характеристик на определенных характерных радиусах циклонного потока в сечении с 2 = 5,85 приведены в табл. 2. Верхняя строка в столбцах значений для каждого из рассмотренных Г соответствует минимальному, а нижняя - максимальному значению чисел Яевх, имевших место в опытах. В табл. 2 приведена также степень турбулентности потока, вычисленная по формуле
в2 (<2+2)/.
Значения характерных радиусов выбраны по распределениям ^ф. Так, радиус Г = 0,1 примерно соответствует среднему радиусу «квазитвердой» зоны течения, Г = 0,2 и 0,8 - границам квазипотенциальной зоны течения, Г = 0,9 - границе пристенной зоны течения на боковой поверхности камеры.
Из табл. 2 и рис. 3 следует, что степень турбулентности в, тангенциальная и аксиальная составляющие относительной интенсивности пульсаций в квазипотенциальной зоне практически не зависят от Яевх. Минимальные значения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осевой компонент скорости (11-15 %) наблюдаются при Г = 0,8. При уменьшении Г
до 0,2 среднеквадратичные пульсации возрастают до 20-22 % и продолжают увеличиваться в «квазитвердой» зоне вращения, достигая при г = 0,1 значений 0,4 и более.
Таблица 2
Значения турбулентных характеристик
г л/Ч2, м/с •у/Ч2, м/с 8ф 8г 8
0,1 0,16 0,20 0,40 0,40 0,40
1,10 0,93 0,37 0,32 0,35
0,2 0,15 0,19 0,20 0,22 0,21
0,68 0,75 0,20 0,21 0,20
0,8 0,13 0,17 0,11 0,15 0,14
0,54 0,54 0,12 0,13 0,13
0,9 0,12 0,18 0,11 0,16 0,14
0,50 0,52 0,12 0,13 0,10
О высокой турбулентности и сложности потока в циклонной камере свидетельствуют и результаты его визуализации. Через прозрачную боковую стенку при Ьк = 11,88 можно было наблюдать, как две струи с аэрозолем, истекающие из шлицев, перевивались около оси камеры друг с другом, образуя колеблющийся жгут радиусом 20-25 мм (г = 0,25-0,35). На наружном радиусе жгута концентрация силиконовых частичек была намного больше, чем на оси. Ось вращения жгута практически совпадала с осью камеры.
В Ы В О Д Ы
1. В циклонных камерах большой относительной длины, как и в сравнительно небольшой (близкой к единичной), общий уровень интенсивности пульсаций скорости значительно превышает наблюдаемый в камерах аналогичного назначения с незакрученным теплоносителем.
2. Величина пульсаций компонент скорости слабо снижается по мере продвижения закрученного потока к выходному отверстию камеры.
3. В сечении ввода потока в камеру (в области формирования его закрутки) распределения осредненных скоростей и среднеквадратичных пульсаций компонент вектора скорости имеют особый характер, отличный от других зон рабочего объема.
4. Радиальные распределения среднеквадратичных пульсаций тангенциальной и осевой компонент и относительных интенсивностей их пульсаций имеют в основной части рабочего объема циклонной камеры (за исключением зоны в окрестности входного сечения) единообразный качественный характер - практически постоянное значение в квазипотенциальной зоне, возрастание в приосевой «квазитвердой» зоне и в пристеночной области течения.
5. В достаточно длинных циклонных камерах наблюдается приближенная автомодельность не только осредненных, но и пульсационных скоро-
стей относительно критерия Рейнольдса в рассмотренном диапазоне его изменения (Яевх = 4,38-104-27,32-104).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. У с т и м е н к о, Б. П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях / Б. П. Устименко. - Алма-Ата: Наука, 1977. - 231 с.
2. С а б у р о в, Э. Н. Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах / Э. Н. Сабуров. - Л.: ЛГУ, 1982. - 240 с.
3. С а б у р о в, Э. Н. Аэродинамика циклонной камеры большой относительной длины / Э. Н. Сабуров, А. Н. Орехов // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1995. - № 3-4. - С. 82-87.
Представлена кафедрой
теплотехники Поступила 15.05.2013
УДК 621.311.22
АНАЛИЗ ПРИВЛЕЧЕНИЯ ТЭЦ, РАБОТАЮЩЕЙ ПО ТЕПЛОВОМУ ГРАФИКУ, К ПРОХОЖДЕНИЮ ПРОВАЛОВ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
Кандидаты техн. наук, доценты НАЗАРОВ В. И., ТАРАСЕВИЧ Л. А., магистрант НАЗАРОВ П. В.
Белорусский национальный технический университет
Структура генерирующих мощностей объединенной энергетической системы (ОЭС) Республики Беларусь весьма неблагоприятна для суточного и недельного регулирования, особенно в отопительный период, так как доля ТЭЦ в этой структуре составляет 50 %. В результате в настоящее время имеют место трудности, особенно с прохождением ночных и недельных минимумов, что хорошо видно из графиков нагрузки, приведенных на рис. 1, 2. Здесь диапазон регулирования в рабочий день А^рег = 2000 МВт, а в выходной А^рег = 1600 МВт. Причем коэффициент неравномерности графика нагрузки К составляет: для рабочего дня - 1,5, а для выходных -1,4 при уровне загрузки оборудования Ку соответственно 0,67 и 0,71. Необходимо отметить, что базовая зона графика в отопительный период покрывается за счет ТЭЦ, так как подавляющее большинство ТЭЦ принимает весьма ограниченное участие в регулировании мощности в ОЭС.
Одной из основных причин малого участия ТЭЦ в регулировании мощности в энергосистеме является принятый способ регулирования электрической мощности теплофикационных паротурбинных установок, который осуществляется изменением расхода пара в конденсатор и на турбину при поддержании постоянного отпуска теплоты с помощью поворотных диафрагм.
