CC BY
12
УДК 531.61:533.697.5
ЧернякЮ.В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) ПаламарчукМ.В, д.т.н., професор (Дон1ЗТ) Гущин А.М., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) Бондар О.А., ст.. викладач(Дон1ЗТ) Володарец Н.В., студент (Дон1ЗТ)
ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТР1В ГАЗОПОВ1ТРЯНОГО ПОТОКУ ПРИ РОЗС1ЮВАНН1 В1ДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗ1В
ТЕПЛОВОЗ1В
Формулювання проблемы. При реостатних випробуваннях тепловозiв останнш е крапковим джерелом викидiв в атмосферу вiдпрацьованих газiв з високою концентрацiею окислу вуглецю, окислiв азоту, сажi й шших шкiдливих речовин. Концентрацiя цих шюдливих речовин у вiдпрацьованих газах у десятки, сотш разiв вище припустимих меж [1].
Одним зi способiв зниження концентрацiй шкiдливих речовин в атмосферi е розсiювання 1х у навколишньому просторi. При цьому концентращя шкiдливих речовин у приземному шарi атмосфери в загальному випадку залежить вiд висоти викиду газового потоку, швидкост виходу струменя, температури газу [2].
Аналiз останнЫ публiкацiй. Найбшьш простим ршенням завдання розсшвання газiв, що вiдробили, була б установка додаткового каналу (труби) на вихщний патрубок тепловозу. Однак при реостатних випробуваннях тепловозiв таке ршення не е прийнятим, тому що додатковий канал на вихщному патрубку за рахунок свого аеродинамiчного опору буде змшювати режим роботи двигуна тепловоза й не дозволить правильно виконувати налагодження роботи окремих вузлiв тепловозу. У з'язку з цим канал над патрубком повинно установлювати з розривом по потощ. Але тодi потж газу з вихщного патрубка тепловозу буде шдсмоктувати пов^я з атмосфери, й такий канал фактично буде працювати як ежектор.
У нашому випадку такий ежектор по своему призначенню вiдрiзняеться вщ традицiйного поняття ежектора, призначенням якого е тдсмоктування одного газорщинного струменя за рахунок кшетично! енерги iншого рухливого газорiдинного середовища. При цьому ефектившсть традицiйного ежектора буде тим вище, чим менш швидюсть виходу потоку газорiдинного середовища з ежектора. У нашому випадку ставиться протилежне завдання - забезпечити на виходi з ежектора максимальну швидюсть руху, що полiпшить розсiювання шюдливих речовин в атмосферi. На ефектившсть розсшвання, як це треба з ОНД-86 [2], впливають також температура й кшьюсть газiв. Одне з таких ршень описано в робот [з].
Для полiпшення розсшвання в робот [з] пропонуеться встановити канал над вихлопним патрубком тепловоза з розривом потоку газу (рис.1). За рахунок ежекцшно! ди потоку газiв, що вiдробили, у мющ розриву буде пiдсмоктуватися атмосферне повггря. Це приведе до збiльшення витрати газово! сумiшi i до зниження 11 температури. Цi два фактори мають протилежний вплив на розсшвання газiв в атмосферi. Тому виникае питання про вибiр оптимальних значень кшькосп пiдсмоктуваних газiв й оптимальних значень площi вихiдного перетину каналу. Ця оптимiзацiя може бути виконана з урахуванням залежностей формування приземних концентрацш шкiдливих речовин [2].
1-тепловоз; 2- вихщний патрубок тепловозу; 3- прийомний зонт каналу; 4-газовщвщний канал.
Рисунок 1 - Схема газових потоюв в ежекторному пристро!
Мета статтi. Установити залежшсть для визначення температури газово! сумш^ кшькоси сумiшi, швидкостi 11 руху з використанням коефщента ежекци в, як вщношення маси тдсмоктуваного повiтря 02 до маси вщпрацьованих газiв 0ь а також залежшсть максимально! концентраци См вiд цих параметрiв.
Основный текст статти Масова витрата газово! сум^ складе:
Осм = 01 + а2, (1)
де 01 - масова витрата газiв, що вiдпрацювали, кг/с;
02 - масова витрата пiдсмоктуваного пов^я, кг/с.
Уводимо поняття - коефщент ежекцi! в, який дорiвнюе вiдношення витрат 01 та 02:
в = 02 / 01. (2)
Тодi масова витрата газово! сумiшi можна виразити через коефщент ежекцi!:
Осм = 01 (1+ в). (3)
Для визначення об'емно! витрати газово! сумiшi й швидкост газу на входi в канал використаемо данi про температуру пов^я Т2 i температуру газiв, що вщробили, Т1.
Температуру сумiшi газiв виразимо з рiвняння теплового балансу, зневажаючи залежнiстю питомо! теплоемностi вщ температури [4]:
0гсТ1 + 02 сТ2 = (01 + О2). сТсм , (4)
де с - теплоемнiсть газiв.
З оглядом сшввщношення (2 ) вираз для температури сумiшi газiв буде мати вигляд
Т + — Т
Т = —1Т + —2Т2 = —1 = Т1+ вТ2 К (5) см — — г — — , {->)
—1 + —2 1 + —2 1 + в —1
По температурi сумiшi визначаемо об'емну витрату сумiшi, використовуючи рiвняння стану газу:
рсм Усм Осм Кем Тсм. (6)
Звiдки:
Усм = Рм Осм ■ Тем , м3/с. (7)
см
Величини Осм та Тсм визначаються, вщповщно, по формулах (3) та (5). Значення питомо! газово! постшно! Ясм за розрахунками роботи [5] можна прийняти рiвноl 289 Дж/(кг ■ К), а тиск сумiшi газiв Рсм рiвним атмосферному тиску.
Середнiй атмосферний тиск для Донбасу становить 740 мм рт.ст. В одиницях вимiру СИ це складе:
Рсм = Р g ■ И , Па (8)
3
де р = 13595 кг/м - щшьшсть ртутц
g = 9,81 м/с - прискорення вшьного падiння;
И - атмосферний тиск, м рт.ст.
Тод Рсм = 13595 . 9,81 . 0,74 « 98,69 - 103 Па
Вiдношення Ясм / Рср буде мати значення:
Ясм / Рср = 289 / (98,65 . 103) = 2,928- 10-3 м3/ (кг . К) (9)
Даш спiввiдношення (3), (5) i (9) пiдставимо в рiвняння (7).
Усм = 2,928 . 10-3 . О1 (1+ в) Т + в2 = 2,928 - 10-3 . ^ (Т1 + вТ2), м3/с (10)
1 + в
Швидкiсть на входi газiв в канал знайдемо зi спiввiдношення:
ц = ^ = 2,928 ■ 10-3 ■ С,- <31 + ю = 37310-3 (Т[ + м3/с (11)
1 Рк л 0,785 ■ 4'
2
де Ек1 - площа перетин каналу на вход^ м ;
- дiаметр перетин каналу на вход^ м.
Враховуючи, що параметри газоповiтряно! сумiшi в каналi змшюються незначно, об'емна витрата газоповiтряно! сумiшi приймаеться незмiнною. Тодi швидкiсть потоку на виходi з каналу:
ц = ^ = 2,928 -10-3.—1. (71 +ргг) = 3,7310-3. 01 (Т1 + вт^, м3/с (12)
Рк ,2 0,785 - ё2 йх
де Ек ,2, ё 2 - площа та дiаметр перетин каналу на виходь
У результатi розгляду рiвнянь балансу маси газiв й теплоти отримаш залежностi для визначення витрати газово! сумiшi 0см, !! температури Тсм, швидкостi газового потоку у входом ц i вихiдному и2 перетинах каналу, вираженi через коефщент ежекцi! в Таким чином вираз для характеристики газового потоку на входi в канал буде мати вигляд:
Масова витрата газового потоку:
0см = 01(1+в). (13)
Об'емна витрата газового потоку:
Усм = 2,928 . 10-3 . 01 (Т1 + вгТ2). (14)
Температура газового потоку:
Тсм = . (15)
Швидкiсть газового потоку на входi в канал:
ц = 3,73 . 10-3 . 01 (Т1 + в Т2) . (16)
Швидкiсть газового потоку на виходi з каналу:
и = 3,73 . 10-3 . 01 (Т1 + вТ2)Л . (17)
ё 2
Наведеш вище розрахунковi величини мiстять у собi температуру навколишнього повiтря Т2, температуру Т1 та витрату О1 газiв, що вiдробили, дiаметр каналу ё2 на виходi з нього газiв, а також коефiцiент ежекци в.
Коефiцiент ежекци у формулi (10) залежить вiд характеру шдведення ежекцiйного потоку пiд зонт. Чим бшьш вiдстань руху ежекцшного потоку до зонту, тим бшьш повггря з атмосфери пiдсмоктуеться в газовихщний канал. [б]
Через параметри газового потоку, що виходить в атмосферу Тсм, Усм, и2 виразимо максимальне значення концентраци шюдливо1 речовини См у приземному шарi атмосфери. Максимальна концентращя шюдливо1 речовини в приземному шарi визначаеться по формулi [2]
гл _ А ■ М ■ ^ - т ■ п-п (л оч См--1 -, (18)
де А - коефщент, що залежить вiд температурно1 стратифжацп атмосфери (для Украши приймаеться 160);
М - маса шюдливо1 речовини, що викидае в атмосферу в одиницю часу г/м3;
Б - безрозмiрний коефiцiент, що враховуе швидюсть осiдання шкiдливих речовин в атмосферному повiтрi (для газоподiбних шкiдливих речовин Б = 1);
т и п - коефiцiенти, що враховують умови виходу газоповпряно1 сумiшi з устя джерела викиду;
Н - висота з викиду над рiвнем земл^ м;
п - безрозмiрний коефiцiент, що враховуе вплив рельефу мюцевост (у випадку малопереЫчено1 мюцевосл п = 1);
А Т - рiзниця мiж температурою газопов^яною сумiшi, що вiдпрацювала й температурою навколишнього атмосферного пов^я (приймаемо рiвнiй середнiй максимальнiй температурi зовнiшнього повггря найбшьш жаркого мiсяця року по СНШ 2.01.01-82);
Усм - витрата газоповпряно1 сумiшi, м3/с;
Б - дiаметр устя джерела викиду, м.
Значення коефiцiента т визначаеться з формул:
т =-1-= при f < 100 (19)
0,67 + 0,ц/7 + 0,34^7
або
1 47
т = ^ при f > 100 , (20)
3!7 р 4 7
2 р
де f = 1000 (21)
Н АТ к 7
Дат визначаемо значення для кусочно-змшно! величини п
п =1 при ум > 1, (22)
п = 0,532 Ум2 -2,13 Ум + 3,13 при 0,5 < Ум < 2, (23)
п = 4,4 Ум при Ум< 0,5 . (24)
Коефiцiент п залежить вiд величини Ум, яка мае такий вщ залежнiстi
ум = 0,65 ^^Н7 . (25)
З формул (2..7) следует, що величини т й п у формулi (18) е кусочно-змшними, залежними вщ висоти викиду газiв Н, швидкост вiдпрацьованого газового потоку и2, витрати цього потоку Усм i рiзницi температур Тсм i температури атмосфери Т2 (А Т = Тсм - Т2).
Кусочно-змiнний характер змши величини т й п утрудняють аналiз залежностi гранично! концентраци шкiдливих речовин См вiд факторiв, що впливають на не!, тому подальше завдання полягало у вщшуканш едино! (безперервно!, гладко!) залежностi величини См вiд визначальних !!
величин. Це можливо, якщо звузити дiапазон змiни величин А Т, Усм, и2, Н. Для iснуючих тепловозiв обранi реальнi межi змiни цих величин
АТ = 100 500° С, Н = 3 ^ 20м, У1 = 30 ^ 200м3 / мин , (26)
и2 = 10 ^ 100 м / с
Граничне значення висоти викиду Н=20 м обрано з тих мiркувань, що витрати пращ й вартють установки каналу над тепловозом будуть збшьшуватися з штенсившстю, вище ступеня збшьшення висоти Н, а з шшого боку, значний вплив висоти на приземну концентращю газiв спостерiгаеться при збшьшенш джерела викиду до 10 м [7], а при збшьшенш висоти джерела викиду Н бшьше 10м його вплив зменшуеться.
Розрахунковим аналiзом по формулах (18...25) установлено, що практично у всьому дiапазонi величин зi спiввiдношень (26) коефщент п можна приймати рiвним 1,0. При цьому значення п > 1,0 мало мюце в тих
А Т, Усм, Н, якi не характернi для реальних режимiв
сполученнях величин роботи тепловозiв■
Значення коефiцiента т для зазначеного дiапазону величин (26) розраховувалось або по формулi (19), або по формулi (20), таким чином, величина т для обраного штервалу величин (26) залишаеться кусочно-змшно1. Нами зроблена спроба для обраних iнтервалiв величин (26) знайти едину залежшсть у формi
т = а^ь. (27)
Для обраних iнтервалiв змiни величин (26) отримана емшрична залежнiсть
т = 1,022 ■ / -0 2539 . (28)
з величиною вiрогiдностi апроксимацп Я = 0,9919.
На рисунку 2 доведена розрахунковi значення коефiцiента т; суцiльна лiнiя - по формулi (28), крапками - по формулам (19) i (20).
З огляду на стввщношення (21), залежнiсть для визначення максимально: концентраци шкiдливих речовин у приземному шарi атмосфери виразитися сшввщношенням
I „ х-02539
А^ М■ ^ ■п ■ п ■ 1,022 ■ I 1000и— I См =-^-И-А^- . (29)
и' ■Л/УМАТ
♦ т (Ъ ^—Степенной (т (Ъ))
Рисунок 2 - Залежшсть коефщента т вiд функцп {
У формулi (29) величину можна виразити через коефщент ежекци , якщо використати спiввiдношення (15)
АТ =Т -Т2 = Т1 2 - Т2 = Г— , (30)
» 2 12 >1+в v 7
де в =— - вщношення температури атмосферного повiтря до
Т1
температури газiв, що вщпрацювали.
З огляду на значення прийнятих вище величин Б = п = п = 1,0 i спiввiдношення (30) залежнiсть для визначення максимального значення концентрацп шкiдливих речовин у приземному шарi атмосфери буде мати вигляд
(
163,5.
С,
1000^1+4). Г Н2 (1 -в)
V . " ' ^
н2/3у IIе. т1
у см 1 + в 1
(31)
Застосовуючи спрощення формула (31) прийме вид
-02539
См 8 ч 0,2461 (32)
(и2 ■ — )0 2539 Ис
/ ч 0,2461
^1
V + вJ
■ V 0'5
Об'емна витрата Усм можна також виразити через коефщент ежекцп i коефiцiент 0. Виходячи iз залежностi (14), можна записати
Усм = 2,928 10-3. ОгТ1(1+во) (33)
Висновки. За рахунок апроксимаци кусочно-безперервно1 залежностi впливу окремих величин на значення максимальное' концентрацп шкiдливих речовин См при 1хньому розсiюваннi в атмосферi для област параметрiв газiв, що вiдробили, i атмосферного повiтря, характерних для реальних умов роботи тепловозiв отримана гладка розрахункова залежшсть для визначення См. У цю розрахункову залежнiсть входить швидкiсть газово1 сумiшi у вихлопному патрубку каналу , що залежить не тшьки вiд витрати газiв, що вiдробили, 01, 1хньо! температури Т1, коефiцiент ежекцп й вщносини температур (вiдповiдно до вираження (15)), але й вiд конструкци каналу, що е ежекторним пристроем, тому для ршення завдання про вибiр оптимальних значень параметрiв газоповiтряного потоку й конструктивних розмiрiв каналу (ежектора), необхщно знайти характеристику ежектора. Функцюнування ежектора, представлене в данiй статл е специфiчним, i пiсля одержання характеристики такого ежектора залежшсть (32) може бути використана для визначення оптимальних параметрiв газоповпряного потоку й конструкцшних характеристик ежектора, що забезпечують мшмальне значення приземно1 концентрацп шюдливих речовин См.
Список лтератури
1.Ю.В.Черняк, А.М.Гущин, О.В.Трубихин. Влияние локомотивных энергетических установок на приземную концентрацию вредных веществ при их испытаниях / Зб.наук.пр. вип..№72. УкрДАЗТ, 2006, с.34-38.
2. ОНД-86 Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.
3. Овчинников В.М., Френкель С .Я., Халиманчик В .А. и ДР. Снижение приземных концентраций вредных веществ при реостатных испытаниях тепловозов / Весник БелГУТ: Наука и транспорт, 2001, №1, стр.21-25.
4. А.Э.Симсон, А.З.Хомич, А.А.Куриц и др. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для втузов - 2-е изд., пере раб. и доп. М.:Транспорт, 1987, 536 с.
5. Ю.В.Черняк, А.М.Гущин, О.В.Трубихин Удельная постоянная отработавших газов тепловозных двигателей / Зб.наук.пр. вип..№2, Дон1ЗТ, 2005, с.26-28.
6. Паламарчук М.В., Черняк Ю.В., Гущин А.М., Беспалов Н.Ф. Определение коэффициента эжекции при неорганизованном подводе эжектирующего воздуха / Сб. науч. тр. УкрДАЖТ, 2004 - Вып. 6.4, стр. 97-105.
7. Ю.В.Черняк, Н.В. Володарец, Е.А. Бондарь Влияние параметров газового потока на рассеивание вредных веществ при реостатных испытаниях тепловозов / Сб.статей Международной конференции аспирантов и студентов. Т.1 - Донецк: ДонНТУ, 2006. - с.30-31.
