CC BY
56
РАСЧЕТ ВИХРЕВЫХ ЭНЕРГОРАЗДЕЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ХОЛОДО- И ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ОВОЩЕКАРТОФЕЛЕХРАНИЛИЩ
CALCULATION OF VORTICAL POWER DIVIDERS FOR SYSTEMS OF MAINTENANCE WITH HEAT AND THE COLD OF STOREHOUSES OF THE POTATO AND VEGETABLES
M.B. Бодров M. Bodrov
Нижегородский ГАСУ
Приведены конструктивная схема, аналитический расчет холодо- и теплопроиз-водителъности испытанной адиабатной противоточной вихревой трубы, а также рациональные области применения вихревого эффекта в строительстве.
The constructive scheme, analytical calculation of developed quantity of a cold and heat of the tested adiabatic counter flow vertical pipe, and also rational scopes of vortical effect in building are resulted.
Конструктивная схема вихревого энергоразделителя (противоточной вихревой трубы) приведена на рис. 1. Вихревая труба (ВТ) представляет собой гладкую цилиндрическую трубу 1, снабженную тангенциальным соплом 2, улиткой 3, диафрагмой с осевым отверстием 4 и дросселем 5. При втекании сжатого воздуха через сопло образуется круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока. Вихревой эффект заключает в себя сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа.
Основные характеристики вихревой трубы
Конструктивные и режимные параметры. Основные величины для построения
и расчета характеристик вихревых ВТ [2]: полные температура и давление поступаю* * * *
щего в сопло сжатого воздуха T1 и p1 ; холодного потока Tx и px ; горячего потока T* и p* . Эффекты охлаждения холодного потока и нагрева горячего, соответственно, равны ДОх = T* - T* и ДОГ = T* - T*. При общем массовом расходе сжатого воздуха G, расходе холодного потока Gx и горячего потока Gr (G = Gx + Gr ) относительные массовые расходы холодного потока ц и горячего потока (l - |j.) составят: м = Gx / G ; Gr / G = 1 -м. Характеристики ВТ строятся в виде функций Atx = f(p.) и Atr = /(p.).
7/2011
ВЕСТНИК МГСУ
Рис. 1. Схема противоточной вихревой трубы
При отсутствии теплообмена с окружающей средой энергия выходящих из ВТ потоков равна энергии входящего потока. Обозначив полные удельные энтальпии входящего, холодного и горячего потоков /ь ix, ir, уравнение энергии для 1 кг проходящего через ВТ воздуха записывается в виде i = мгх + (1 - м)г . Используя выражение i = CpT и принимая cp = const, получим:
Т* = мГх* + (1 - м)Тг* или = (1 - м№г . (1)
Удельная холодопроизводительность ВТ равна qx = мД£хср = (1 - м)Д£гср кДж/кг. При общем расходе G холодопроизводительность составит:
Qx = qxG = ™№xcvG- (2)
Факторы, влияющие на характеристики ВТ
Диаметр отверстия диафрагмы Вд влияет не по абсолютному значению, а по
его отношению к диаметру ВТ В = Вд / В). Рекомендуемые значения ¿А лежат в диапазоне 0,2 < ц < 0,8; = 0,350 + 0,313ц [4].
Длина вихревой камеры цилиндрической трубы Ь = 9В [3].
Относительная площадь выходного отверстия сопла = 4^с / рВ2 составляет 0,085< < 0,1. Для расчетов ВТ принимают Ес = 0,092, при прямоугольном сечении
сопла отношение его сторон Ь / к = 2 [4].
Давление сжатого воздуха на работу ВТ определяется степенью расширения воздуха я, равной отношению полного давления р* к давлению рх в холодном потоке п = р*/ рх . Интенсивность охлаждения наиболее высока в диапазоне 1< л< 8 [4].
Для обобщенной оценки эффективности ВТ вместо эффекта охлаждения Д/х термодинамически оправдано принимать безразмерную величину ц, называемую температурной эффективностью. Она показывает отношение Д?х к эффекту охлаждения
тт * *
при изоэнтропном расширении от рх и Тх до давления холодного потока рх: ц = Д£х / . Величина Д?5 определяется по термодинамическому выражению
к-1
Д/5 = 71 [1 - (1/ л) к ] . С ростом температуры сжатого воздуха 71* растут эффекты охлаждения холодного и подогрева горячего потока. Значение температурной эффективности при этом остается практически неизменной.
В общем случае наблюдается рост эффективности ВТ с увеличением их масштаба (диаметра О). Поправки Д^ на масштаб составляют [4]:
= 0,005(0 - 33). (3)
Тогда эффективность ВТ диаметром О равна = ^ + Дп . Введенная поправка
применима для труб с О < 33 мм. Диапазон диаметров до 33 мм практически перекрывает все случаи промышленных ВТ, т.к. рост расхода сжатого воздуха ограничивает применение ВТ большого диаметра.
Влажность подаваемого в ВТ сжатого воздуха оказывает влияние на величину эффекта охлаждения. Если температура холодного потока снизится ниже температуры точки росы, то поправка становится соизмеримой с получаемым эффектом охлаждения. Поправка на эффект охлаждения холодного потока воздуха имеет вид [4]:
(д/х )вл = (д/х )-5(д/х).
В настоящее время в основе инженерных расчетов ВТ лежат эмпирические данные, полученные при их исследовании. В то же время для сопоставления и анализа опытных данных необходимо иметь методику их расчета. Наиболее распространена методика профессора А.П. Меркулова [4].
Аналитический расчет холодопроизводителъности ВТ. Перед расчетом задаются допустимой величиной изобарного подогрева Д/к холодного потока при теплообмене с охлаждаемым объектом, т.е. холодопроизводительностью охлаждаемой системы Qx. Потребный массовый расход холодного воздуха:
Ох = Qx / срД/х. (4)
Если требуется определить необходимое давление сжатого воздуха р* , то задаются значением массовой доли р. холодного потока: р= 0,3, соответствующее "Птах, или р. = 0,65, соответствующее . По выбранному значению р из обобщенной харак-
теристики [4] находится величина ^ (средняя для различных л) и рассчитывается степень расширения воздуха:
к
к-1
. (5)
% = 11
\ _ ж
3 Т1 ,
По полученному значению л из обобщенной характеристики уточняется значение "л и вновь определяется л. Искомое давление р1 равно: р1 = рхл.
Находится поправка на влажность и потребный эффект охлаждения для сухого воздуха: (Д/х) = (Д/х )вл + 5(Д/Х), т.е. заданной начальными условиями величиной является: (Д/х )вл = 71* - Т*. Дальнейший расчет заключается в определении размеров ВТ. Для этого находится общий расход воздуха, кг/с:
О = Ох / р = Qx / рсрД/х (6)
7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_МГСУ
При л > 2 в диапазоне 0,2< ц <0,8, когда рабочим телом является воздух, площадь выходного сечения сопла равна (мм2): Fc = 100G^Tj*/0,38p* . Высота и ширина сопла, соответственно, составляют h = у]Fc / 2; b = Fc / h .
Диаметр ВТ определяется из соотношения Fc = 4FC /pD2: D = 3,65^/FT . Диаметр отверстия диафрагмы Dfl = (0,350 + 0,313|j.)D .
Аналитический расчет теплопроизводителъности ВТ. Для расчета ВТ в качестве нагревателя исходными данными являются: начальная температура Т1 , потребная
*
температура Тг и тепловой поток Qr к нагреваемому телу при заданной величине изобарного охлаждения Д?к горячего потока в процессе передачи теплоты нагреваемому телу. Потребный эффект подогрева AtT задан, расход горячего потока составляет:
Gr = Qr / срДгг. (7)
Задаваясь значениями, близкими к ц = 0,65, из обобщенной характеристики выбирается средняя для различных л величина Пользуясь значением определяется значение необходимого л:
л = 1 [(1 -Д/г /згт;. (8)
По найденному л из обобщенной характеристики находится уточненное значение "Лг и пересчитывается л. По величине последнего находится потребное значение Pj . Расход сжатого воздуха в соответствии с (6) равен:
G = Gr /(1 -ц) = Qr /(1 Дгг. (9)
Расчет геометрических размеров ВТ и поправок на масштаб приводится аналогично расчету холодопроизводительности ВТ, причем расчет на влажность не учитывается.
Обсуждение результатов экспериментальных исследований ВТ. В результате проведенных исследований ВТ [1] определены функциональные зависимости Atx = Дц, л), AtT = Дц, л), графически показанные на рис. 2.
Геометрические характеристики исследованной противоточной адиабатной ВТ с развихрителем горячего потока близки к общепринятым в практике размерам: относительная длина L / D = 120/10 = 12; относительный диаметр диафрагмы dA = D / Dfl =
10/5 = 2 ; относительная площадь входного сечения сопла Fc = 4FC / pD2 =
4• 3 • 2/3,14-102 = 0,077 .
Максимальный эффект охлаждения воздуха Atx наблюдается при р. = 0,2...0,35. Он возрастает с увеличением величин p1 . Максимальное значение Atx находится в пределах 22...24°С при p* = 0,5 МПа, до 20...24°С - при p* = 0,4 МПа и 16...19°С -при p1 = 0,3 МПа. Наибольшая холодопроизводительность ВТ соответствует диапазону ц = 0,55.0,65. Значения |дД/х = 15,0; 13,0; 10,5, соответственно, при p1 = 0,5; 0,4
и 0,3 МПа, что несколько ниже полученных при л = 6 характеристик лучших неохлаж-даемых ВТ, достигающих 20.25 кДж/кг [4].
Максимальный наблюдаемый в экспериментах эффект нагрева воздуха в ВТ Дгг наблюдается при р. >0,85, а минимальные значения (1 -р)Дгг при р = 0,4 (р* = 0,3 МПа), р = 0,4...0,55 (р* = 0,4 МПа), р = 0,5...0,6 (р* = 0,5 МПа). Абсолютные значения Мт достигали 70 °С и выше (р1 = 0,5 МПа), более 60 °С (р1 = 0,4), превышали
ДЬ.°С
80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30
40
!
* \ \
6
/
\° \ .1 0 ,2 0 3 0 4 0 5 и 6 0. 7 0. к и Г'
\ \ Л
Л1«,':С
70 60 50
40 30 20
10 0 10 20 30
40
ч ч
м \
£ О
/ Г
о. 1 0- 2 О. 1 0. 4 0. О. 6 0." 0.5 0. 9
4 А **
А - *
30 20 10 о 10 20 30
Д1г.°С
- &
0, 1 0. 2 0.. 0. 4 0. 0.( ; о.* 0.Е 0.9 / У
4- \- —р.
£ 1.0
Рис. 2. Зависимости Дгх = /(р), Дгг = У(р): а -ри = 4,0 ати (ра = 5,0 ата); б -ри = 3,0 ати (р.л = 4,0 ата); в -ри = 2,0 ати (р.л = 3,0 ата)
30 °С (р* = 0,3 МПа), а величины (1 - р)Дгг ~ 45, 42 и 27, соответственно, при р* = 0,5; 0,4; 0,3 МПа.
Удельная теплопроизводительность ВТ дт = (1 - м)Д?гсв , кДж/кг, соответствовала этим величинам.
7/)П11 ВЕСТНИК _^/2отт_МГСУ
Поправка на масштаб ВТ снижает ее эффективность (3) на величину = 0,005(В - 33) = 0,005(10 - 33) =-0,115. Поправка на влажность сжатого воздуха §(Д/тах) в процессе исследований могла достигать при режимах работы ВТ с /х< 0 °С следующих величин: л = 5,0, 5(Д/тах) = 8,5 °С; л = 4,0, 5(Д/тах) = 11,0 °С; л = 3,0, §(Д/тах) = 16,0 °С. Далее с учетом величины 5(Д/тах) по (5) определяется поправка на эффект охлаждения холодного потока (Д/х )вл . Относительная влажность воздуха
может значительно снизить охлаждающих эффект вихревой трубы Д/х, особенно в диапазоне р. до 0,4.0,5, когда холодный поток имеет отрицательную температуру, но незначительно сказывается на холодопроизводительность при положительной температуре холодного потока.
Расчетные характеристики исследованной ВТ сведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Холодопроизводительность исследованной вихревой трубы
Давление л qx, кДж/кг Qx, кДж/ч Qx, Вт
5 15,0 462,9 128,6
4 13,0 294,7 81,9
3 10,3 168,2 46,7
Таблица 2.Теплопроизводительность исследованной вихревой трубы
Давление л и qr, Вт/кг О, кг/ч Qг, кДж/ч Qг, Вт
5 0,55 45 30,86 1389 385,8
4 0,50 42 22,67 952 164,5
3 0,3 27 16,02 433 120,2
Вихревые трубы рассчитывают и подбирают по наиболее теплонапряженному периоду охлаждения сочного растительного сырья (СРС) в хранилищах емкостью Ор, когда величина расхода холода Qx1 максимальна. Количество параллельно установленных труб равно: п = Qx1 /Qx. Для испытанной ВТ значения Qx приведены в табл. 1.
Необходимый удельный расход сжатого воздуха, требующийся для охлаждения 1 т СРС g, кг/(т ч), равен: g = пО / Ор .
Анализ результатов расчетов количества параллельно устанавливаемых вихревых труб для охлаждения сочного растительного сырья и необходимого удельного расхода сжатого воздуха g, кг/(т ч), позволил сделать ряд практических выводов.
1. Количество устанавливаемых ВТ в хранилищах может составлять значительную величину.
2. Рациональна установка ВТ, объединенных в блоки с заданной холодопроиз-водительностью Qx, изготавливаемых на промышленной основе.
3. Наиболее приемлемым является секционные объемно-планировочные решения хранилищ (по 50-100 т каждая секция), что позволяет во временном интервале одновременно охлаждать не все заложенное на хранение сырье, а последовательно в каждой секции. Данное мероприятие дает возможность снизить текущий расход сжатого воздуха.
Литература
1. Бодров, М.В. Эффективность применения вихревых воздухоохладителей в овощехранилищах / М.В. Бодров // Известия вузов. Строительство, 2010, № 8. - с. 66-71.
2. ГОСТ 22617-77. Вихревые трубы. Термины и определения.-М., 1977.- 6 с.
3. Дыскин, Л.М. Вихревые термостаты и воздухоосушители / Л.М. Дыскин. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 1991. - 85 с.
4. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике/ А.П. Меркулов - М.: Машиностроение, 1969. - 183 с.
Literatureл
1. Bodrov M. V. Efficiency of application of vortical air coolers in vegetable storehouses // News of high schools. Building, 2010, № 8. - p. 66.71.
2. GOST 22617-77. Vortical pipes. Terms and definitions. 1977, 6 p.
3. L.M. Dyskin. Vortical thermostats and air dehumidifiers. - Nizhny Novgorod: NNGU, 1991. -
85 p.
4. A.P. Merkulov. Vortical effect and its application in technician. M.: Mechanical engineering, 1969. - 183 p.
Ключевые слова: вихревая труба, холодопроизводительность, теплопроизводительность, блоки вихревых труб, давление сжатого воздуха
Key words: vortical pipe, productivity of a cold, productivity of heat, blocks of vortical pipes, pressure of compressed air
e-mail: tes84@inbox.ru
