Теоретическое и экспериментальное исследование характера истечения полидисиерсной среды, состоящей из воздуха и отвержденного диоксида углерода Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

при любом виде абразивного изнашивания материал всегда взаимодействует с абразивом с некоторой степенью динамичност и [2].

Исследования, проводимые в СибАДИ, показывают необходимость использования различных конфигураций зубьев ковшей, которые должны быть созданы с уче том ряда параметров, воздействующих на процесс взаимодействия рабочего органа с грунтом. Такие исследования показали, что изготовление зуба ковша целиком из износостойкого материала экономически нецелесообразно. Необходимо защищать от абразивного изнашивания лишь определенные области зуба. Тогда как его тело должно быть выполнено из сталей с повышенными прочностными характеристиками, к примеру, из стали 110Г13Л.

УДК 629.45

Библиографический список

1. Рейш А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин/ А. К. Рейш. - М.: Машиностроение, 1986- - С. 97.

2. Встрой А.ІО. Резание грунтов землеройными машинами / АЛО Ветров. — М.: Машиностроение, 1971. — С.139,146— 147,

КУЗНЕЦОВА Виктория Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация дорожных машин».

АВДЕЕВА Екатерина Сергеевна, аспирантка кафедры «Эксплуатация дорожных машин».

Адрес для переписки: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Статья поступила в редакцию 17.11.2009 г.

© В. II. Кузнецова, Р. С. Авдеева

Ю. И. МАТЯШ А. П. СЕМЁНОВ

Омский государственный университет путей сообщения

Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта,

г. Омск

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ИСТЕЧЕНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ СРЕДЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ВОЗДУХА И ОТВЕРЖДЕННОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА___________________________________________

В статье дан анализ существующей проблематики загрязнения воздуховодов пассажирских вагонов железнодорожного подвижного состава. Приведены результаты санитарно-гигиенического обследования объектов пассажирского комплекса на железнодорожном транспорте Российской Федерации в 2006 г. службами ФГУЗ. Отмечены недостатки существующих технологий очистки воздуховодов. Описаны основные физико-химические свойства твёрдого диоксида углерода. Приведены предположительные перспективы развития технологии очистки воздуховодов пассажирских вагонов гранулами сухого льда.

Ключевые слова: отверженный диоксид углерода, экспериментальные исследования, воздуховод, пассажирский вагон, загрязнения, установка очистки.

Опыты по использованию отвержденного диоксида углерода (гранул сухого льда) для очистки тяговых электрических двигателей в ремонтном производстве железнодорожной отрасли были проведены в 2005 г. Было установлено, что он безвреден для человека и может быть использован для очистки сложных поверхностей от различных загрязнений. Для организации процесса очистки обычно применяется установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. В камеру смешения А одновременно из ком-

прессора КМ подается воздух, характеризующийся следующими параметрами: температура 298*5 К, давление 0,6*0,3 МПа; а из контейнера Б — гранулы сухого льда (температура 298±5 К при 0,1 МПа). Теплофизические свойства гранул сухого льда (в дальнейшем СО.,) и воздуха заимствованы из [1].

Компоненты пол учен ной полидисперсной среды в значительной мере отличаются как по температуре, так и по фазовому составу. Однако в литературе отсутствуют сведения об изменении теплофизических

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЇСТИИК М* 1 «7» 2010

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК №1 <*;> 2010

км

Рис. 1. Экспериментальная установка для оценки воздействия гранул СОд на очищаемую поверхность и её температуры:

КМ - компрессор; ЗВН - запорный вентиль;

А - смесительная камера;

Б - контейнер с гранулами сухого льда;

1 - сопло;

2 - площадка с размещёнными на поверхности тензометрическими датчиками и датчиками температуры

свойств каждого компонента, как в процессе их смешения, так и при движении по транспортным коммуникациям установки.

Для оценки этих изменений были проведены теоретические и экспериментальные исследования истечения полидиснерсной среды, состоящей из воздуха и отвержденного С02.

Исходные условия для численных исследований.

— гранулированный С02 имеет форму куба с размерами граней 3x3x3 мм;

— температура сжатого воздуха изменяется в пределах 298±5К.давление - О.б^О.З МПа;

- д\я транспортировки полидиснерсной среды использовался силиконовый грубопроводдлиной <9 м и внутренним диаметром 19x10“3М.

Для расчета теплоемкости газообразного и отвержденного С02 использованы уравнения (1) и (2) соответственно (2)

С() - 544,64837 + 86.08226 (— ] + к 100 ^

+ 4,65957 — 0,0313962 Г ——— 1 ; (1)

4100^ К\оо)

Ср -754,59029 * 0,6402736Т + 0,0101596Т2. (2)

где Ср — теплоёмкость С02;

Т — температура.

Удельная теплота кристаллизации диоксида углерода I.определяется выражением

I = 69194288 - 5682264 (Т/100)-

- 3049,55 (Т/100)2 + 75,06 (Т/100)3.

(3)

Рекомендации для расчетов динамической п и з кинематической у вязкости, теплопроводности X, чис-з ла Прандтля Рг на линии равновесия жидкость - пар приведены в работе [3]. Теплопроводность газообразного диоксида углерода X подчиняется уравнению (4)

Т.

Рис. 2. Зависимость температуры Тв поверхности сублимирующегося сухого льда от тсмисратуры Т. и скорости движения со окружающего воздуха:

1 - со = 0 м/с; 2 - (0= 0,5 м/с; 3 - а) = 4,5 м/с; 4 - со = 5,8 м/с

л = (Т/ТК11 )'-5 х (0,57286012 - 0,78143519 (Т/Т,,,) 1 +

+ 0,49187118(Т/Ткр)”2 0,11509435 (Т/Т^^хЮ-'. (4)

Теплопроводность Лф твёрдого С02 определяется по уравнению (5)

Я.ф=а75Х(рф/р).

(5)

Число Прандтля Рг для газообразного С02 при атмосферном давлении в диапазоне температур от 273 до 373 К в среднем равно 0,75. Потери сухого льда ДСс характеризуются коэффициентом интенсивности сублимации Лс, который определяется по формуле (6)

(6)

Характер изменения температуры Ти поверхности сублимирующегося сухого льда от температуры Тп и скорости со движения окружающего ею воздуха приведён на рис. 2. В результате сублимации, температура поверхности твёрдого С02 понижается с уменьшением температуры воздуха и с увеличением скорости его движения.

Интенсивность сублимации С02 в воздух описывается зависимостью (2]

Л =8(723 10'П Т3-4,278-10 \

(7)

Расчет количества сублимирующего С02 при его движении по трубопроводу был проведён для следующих начальных условий: расход воздуха СИ1>лл =

— 3,5 м3/мин; температура окружающего воздуха поступающего в трубопровод Т|Ю1Д=293,15 К. расход граттулироваиного диоксида углерода Сгс>1 = 1,5 кг/мин ; диаметр внутреннего сечения силиконового рукава для передачи полидиснерсной смеси Э= 19 мм; давление воздуха в воздушной питающей магистрали Р~...= 8 атм = 8 кге/м2.

■И *л

Скорость движения воздуха в рукаве

о.- =

3,5

Я^Р^ 283 10-8

-1546 м/мин - 25,8 м/с - (8)

Для определения длительности т взаимодействия гранулы С02 с воздухом в процессе перемещения по

внутренней поверхности силиконового рукава, воспользуемся формулой (9)

Ь

Т--

(9)

и.

Т- —= 0,39с.

25,8

При условии, что гранула имеет форму куба с длиной грани 3 мм, площадь поверхности одной гранулы Э равна

гулмСОт “грнп

- пги,..|2 = б'3-3 = 54 мм2,

(10)

Общее количество гранул п, одновременно находящихся внутри силиконового рукава, определяется но формуле (12) исходя из параметров:

— площадь поверхности одной гранулы, = = 54 мм2;

— внугренний объем силиконового рукава, V = = 28,3x104 м';

— вес одной гранулы, 4.24Х10--1 г.

^*со2Сфуоа) ~ - 25-0,39 - 9,75г .

236 шт.

п _ Ссогиууба) 9.75 _ 23

С* 4.2 10

-2

(11)

(12)

где Ссолруклв) ~ общая масса гранул, одновременно находящихся в трубопроводе;

С.2 - расход С02 в единицу времени.

Общая площадь поверхнос тей всех гранул, одновременно находящихся в силиконовом рукаве, рассчитывается по формуле {13)

К^,го,=пРп,„Ш1=236-54 = 12.7 10 V. (13)

Количество сублимированного диоксида углерода с одной гранулы за время контактирования с воздухом при движении полидисперсной среды в силиконовом рукаве длиной 10 м рассчитывается пугём подстановки полученных значений в формулу (7):

= 8,723-10"‘1 - Т* - 4,278 10-4 =1г5грм2/с.

Общее количесгво сублимированного диоксида углерода с поверхности всех гранул, находящихся в трубопроводе, рассчитывается по формуле (14)

Син1 « 4• -^„со, •х = 1«5 12,7 10 3 0.38 =

= 7,6210 Згр. (14)

Для оценки доли сублимированного С03 от общего числа гранулированною перемещаемого диоксида углерода воспользуемся зависимостью (15)

С" -^% _ 7,62110_^ 1(Ю%1г 0 0?8% (15) 9.75

Из расчётов видно, что за время прохождения по соединительному трубопроводу полидисперсного потока «воздух —гранулированный диоксид углерода» СО, сублимировалось менее 0,1 % от общего объема.

Режим течения смеси в трубе оценивается по критерию Рейнольдса (1)

к _ора ^25,В__10,419-10-1=310., (16)

п 171-10"7

Соотношение II.>2000 указывает на турбулентный режим течения. Изменение температуры воздуха (ДТ^) за счёт охлаждения в процессе сублимации С02 при движении полидисперсной среды по трубопроводу определяется

<С(У>

= ^23Л ,

(17)

где Ос02 — количество холода полученного при сублимации СОг;

^со, — количество сублимированного С02; г — скрытая теплота сублимации СОг

Ср^»<ИЛ^\оЭл'

где ср — изобарная теплоемкость воздуха; С - количество воздуха;

ДТ,„>1А - изменение температуры воздуха.

где р — плотность воздуха.

3,4

(18)

(19)

ДТ^-

28,3-1.005

- 0,12 К.

Для оценки степени охлаждения воздуха при движении полидисперсной среды по силиконовому трубопроводу воспользуемся зависимостью

ДТ* = -^—100% .

012

С*г = —— 100% - 0,041 %.

293,15

(20)

Температура воздуха за счёт сублимации гранулированного СОг за время движения по силиконовому трубопроводу и взаимодействия с воздухом изменилась на 0,041 %.

КМ

Рис. 3. Экспериментальная лабораторная установка для оценки характера истечения полидисперсной среды КМ - компрессор; РС - ресивер;

ЗВН - вентиль подачи воздуха;

А — камера смешивания;

Б - устройство дозированной подачи гранул СО,;

1, 2,4, 5, в, 7, 8 - датчики температуры; 3 - сопло;

9 - площадка с размещёнными на ёе поверхности тензометричсскнми датчиками и датчиками температуры

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N* 1 (В7) 2010

*

Расход CO:(GCO;). кг/мин Риг. 4. Изменение параметров полидисперсной среды от вида удаляемых загрязнений

Из полученных данных видно, что теплофизические параметры воздуха и гранулированного С02 изменяются незначительно, что позволяет рассматривать полидисперсиый поток как идеальный газ.

Для проверки теоретических исследований была создана экспериментальная установка, обеспечивающая формирование полидисперсного потока состоящего из воздуха и отвержденного диоксида углерода, а так же позволяющая оценить воздействия гранул СО^ на очищаемую поверхность, и проконтролировать изменение её температуры (рис. 3). На ней установлены датчики температуры ИС567А с классом точности 2 и диапазоном измеряемых температур от

77,15 до '173,15 К. Для регистрации характера изменения температуры полидисперсной среды использован температурный модуль комплекса КИПАРИС. Он позволяет регистрировать, обрабатывать и сохранять в памяти компьютера результаты измерения температуры, поступающие одновременно со всех датчиков, установленных на экспериментальной установке.

Установка представляет собой магистраль с регулируемым расходом воздуха, магистраль дозированной подачи гранул сухого льда Б, камеру смешивания А. сопло для разгона полидисперсной смеси с размещёнными на нём термодатчиками 3, тензомстрическую площадку с размещёнными на её поверхности термо-датчиками 9. Параметры окружающей среды контролируются датчиками температуры, давления и влажности окружающего воздуха. Вес гранул С02, помещаемых в устройство дозированной подачи гранул, контролируется лабораторными весами.

Экспериментальным пугём были получены зависимости параметров полидисперсной среды от вида удаляемых загрязнений (рис. 4). Эксперимент заключался в подборе давлен ия воздуха в воздушной питающей магистрали установки очистки для удаления тех или иных загрязнений поверхностей. Одновременно, при помощи лабораторных весов ПВ-30 и электронного секундомера, оценивался расход гранулированного С02. Расход воздуха СпЩА при очистке лакокрасочной) покрытия составил 3,5 м3/мин.

Оценка динамического воздействия полидисперсного потока на очищаемую поверхность производи-

лась с использованием поверенных лабораторных весов ПВ-30 с пределом взвешивания ЗОкгидоиуска-емой погрешностью до 15кг±5г, до30кг±10г. Индикатором значений в данном случае служил электронный жидкокристаллический дисплей.

Выводы:

В процессе движения но трубопроводу длиной <9 м полидисперсиый поток «воздух — отвержденный диоксид углерода» изменил свою температуру менее чем на 0,1 %. При этом сублимация С02 в воздух изменилась на 0,08 % и составила 7,62-10"3 гр.

Режим течения смеси в трубе является турбулентным, поскольку расчётные значения критерия Рейнольдса оказались более 2000 и составили 3-10\

При проведении экспериментальных исследований данные, полученные теоретическим путём, нашли свое подтверждение. Расхождения между численными и экспериментальными значениями в процессе проведения эксперимента не превысили 5%.

Библиографический список

1. Варгафтнк. М. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / И. Б. Варгафтик. — 2-е изд., перс раб. — М.: Наука. 1972. -720с.

2. Галдин, В. Д. Производство и применение сухого л)*да / В.Д. Галдин. — Омск: ОмГТУ, 2000. — 172 с.

3. Кузнецов, В. М Транспортная1еплитехниха.Часп»11. Основы теплообмена / В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников; Омский ин-т. инж.ж.-д.тр-та. - Омск:ОмИИТ, 1992. - 46с.

МЛТЯШ Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС).

Адрес для переписки: e-mail: vvh@omgups.ru СЕМЁНОВ Александр Павлович, главный инженер научно-исследовательского института технологии, контроля и диагностики железнодорожною транспорта, аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС.

Адрес для переписки: e-mail: Semalex_AP@mail.ru

Статья поступила в редакцию 30.09.2009 г.

© IO. И. Матят, Л. П. Семенов