CC BY
74
УДК 621.565.83
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ВИХРЕВЫХ ТРУБ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ТЕРМОСЕПАРАЦИИ
А.Ю. Орлов, Н.В. Орлова, М.В. Савушкин
Кафедра «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУВПО «ТГТУ»; orlov.andrey1983@gmail.ru
Ключевые слова и фразы: вихревая труба; вихревой эффект; гидравлическое сопротивление.
Аннотация: Представлено исследование влияния конструктивно-технологических особенностей вихревых труб различных типов и конструктивных вариантов на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации.
Обозначения
с, Ь, и, г, k - коэффициенты аппроксимации; с - теплоемкость, Дж-кг-1-К-1; Б - диаметр, м; Е - площадь, м2;
О - массовый расход воздуха, кг/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; Ь - длина, м; р - давление, Па; Q - количество теплоты, Вт; Я - универсальная газовая постоянная Дж-кг-1-К-1;
Т - температура воздуха, К;
А - погрешность расчетов, %;
Ар - перепад давления на участке, Па;
5 - относительное сопротивление на участке;
С, - местные сопротивления;
X - коэффициент трения;
ц - доля холодного потока, %.
Индексы
акт - активный; в.п - винтовой поток; вх -вход; вых - выход; гор - горячий; д - дроссель; диафр - диафрагма; закр - закручивающее устройство; о - открытый; ост -остаточный; пот - поток; с - струя; соп - сопло; тр - труба; хол - холодный.
Экономия энергоресурсов определяется дальнейшим развитием совершенствованием производств, а также радикальным улучшением использования тепловой энергии на промышленных предприятиях. При этом одним из направлений данного комплекса мероприятий является повышение эффективности работы топ-ливоиспользующих и теплоэнергетических установок, так как именно здесь имеют место высокие потери энергоресурсов. Существенным резервом экономии является использование вторичных энергоресурсов, которые неизбежно появляются во многих энергоемких технологических процессах. Существуют теоретические и инженерные решения, обеспечивающие повышение КПД и эффективность работы теплоиспользующих агрегатов и установок, а также разработки по использованию теплоты вторичных энергоресурсов, обеспечивающие в конечном счете ощутимую экономию топливно-энергетических ресурсов.
Одним из возможных типов энергосбережения является термотрансформация (теплотрансформация) с использованием вихревой трубы Ранка-Хилша (ВТ). Основной физический феномен вихревого эффекта Ранка - это температурная стратификация сплошной среды: разделение исходного закрученного потока воздуха (газа, пара, жидкости) с равномерной по сечению начальной температурой на входе на два выходящих потока - «горячий» периферийный и «холодный» осевой.
Проблема термотрансформации до сих пор содержит многочисленные парадоксы и противоречия и представляет значительный научный интерес. В науке и технике основные вопросы разделения состоят в минимизации энергозатрат и
в максимально достижимых КПД. Решение задачи использования тепла в процессе сушки дисперсных материалов в конвективных сушилках с использованием ВТ требует разработки соответствующей экспериментально-аналитической базы и инженерной методики расчета, в связи с чем необходимо исследовать газо-, гидро- и термодинамические характеристики ВТ для разработки на их основе инженерной методики расчета, позволяющей рассчитать конструктивные параметры ВТ.
Основой разработки такого газогидродинамического расчета для ВТ также является прямой эксперимент. Это вызывается специфическими особенностями, отличающими течения в ВТ от течений в большинстве «обычных» устройств, а именно: сильно закрученные потоки с мощными внутренними «активными» струями; большие давления на входе; большие, но дозвуковые скорости на выходе из закручивающих устройств; многократные их изменения (увеличения) при расширении воздуха (сжимаемых сред) не только в завихрителе, но и в других элементах трубы; а для «несжимаемой» воды в огромных начальных давлениях (в опытах Балмера - 200.. .500 атм).
Схема экспериментальной установки, созданной на кафедре «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» ФГБОУ ВПО «ТГТУ» для исследования ВТ и процессов сушки с ВТ, представлена на рис. 1.
Исследовались виды и варианты ВТ трех типов, семи вариантов:
1) ВТ Меркулова со слабо конической внутренней поверхностью: внутренний диаметр 15,9.24,3 мм, длина трубы 164 мм, три тангенциальных сопла с площадью поперечного сечения 15,75 мм2, диаметры диафрагм 6, 8, 13,1 мм;
2) ВТ Nex Flow 40 (H, С): внутренний диаметр 11 мм, длина трубы 110 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 19,2 мм2, H - диаметр диафрагмы 9,1 мм, C - диаметр диафрагмы 6,3 мм;
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования ВТ и процессов сушки с ВТ: 1 - образец на подложке (измерение скорости трубкой Пито WI12, измерение и регистрация веса и температуры GTIR 11); 2 - сушильная камера (регулирование температуры в термостатируемой камере TIC1, измерение температуры на выходе из камеры TE3); 3 - обдув высушиваемого образца (измерение температуры на выходе из сопла TE2); 4 - дроссельная задвижка; 5 - ВТ (измерение давления PI8 и температуры TE7 на входе в ВТ, измерение температуры выходящего холодного потока TE5, измерение давления PI4 и температуры TE10 перед дроссельной задвижкой); 6 - ротаметр на входе воздуха (измерение расхода воздуха FI9); 7 -диафрагма; 8 - ротаметр на выходе холодного воздуха (измерение расхода холодного воздуха FI6); 9 - компрессор с ресивером
(D
3) ВТ Nex Flow 4 (H, C): внутренний диаметр 4,6 мм, длина трубы 70 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 4,8 мм2, H - диаметр диафрагмы 2,8 мм, C - диаметр диафрагмы 2 мм.
Проводились серии экспериментов с ВТ, в которых измерялись все характеристики труб в штатном и однопоточных режимах (при закрытом дросселе и при заглушенной диафрагме). Диапазон давлений от 0,1 до 0,6 МПа с шагом 0,1 МПа. Расход воздуха на входе и выходах в ВТ пересчитывался в зависимости от температуры воздуха, далее считалась доля «холодного» потока ц. После обработки полученных данных рассчитывалась погрешность материального и теплового балансов (суммарного и по потокам) Д и Дпот, %, соответственно.
В результате получены основные характеристики ВТ: расходы, давления и температуры входного, горячего и холодного потоков, а также дополнительно давление потока перед дросселем (рис. 2 - 4). Для изучения гидравлических сопротивлений ВТ были проведены дополнительные серии экспериментов, со всеми типами ВТ, в которых измерялись расходы при закрытых дросселе и диафрагме. Также для более качественного анализа возможностей ВТ увеличены диапазоны давления на входе в ВТ. Для всех ВТ давление на входе изменялось от 0,1 до 0,6 МПа с шагом 0,1 МПа.
Для большей точности измеряемых данных, при полностью открытом дросселе ротаметр с «холодной» стороны трубы переподключался к «горячему» концу вихревой трубы. Для газо-, гидродинамического расчета ВТ получены расчетные уравнения гидравлических сопротивлений по участкам [3]: для завихрителей
Рвх
' рвых.закр
F2 у
1 соп.У
закр
+ 2ln-
Рвх
рзакр.вых
(1)
для горячего периферийного потока
2 _ 2 ргор.вх ргор.вых '
^гор RTrop
F
гор.с
^в.п.гор-^в.п.гор + 2ln ргорвх
D
гор. с
ргор.вых
(2)
для дросселя
2 _ 2 рд рвых _
^гор RТгор
_F2
± Я1ГТ TT
Z д + 2ln
Рд
вых
(3)
для центрального холодного потока
2 _ 2 Рхол вх рдиафр "
^хол ЯТхол
(, j \ ^в.п.хол^в.п.хол + 2 in рхол.в:
F 2
1 Vi
диафр
(4)
для диафрагмы
р2 _ р2 _ ^Тхол
^хол.диафр "вых _
F
акт.диафр
Z + 2l р хол.диафр
z диафр + 2ln
вых
(5)
Для нахождения коэффициентов аппроксимации при обработке экспериментальных данных используется схема перебора вариантов из возможного диапазона изменения неизвестных и коэффициентов их аппроксимаций для каждого из проделанных опытов.
вх
0,02
0,016
0,012
0,008
0,004
2 3^
г*
^ к
Рвх, МПа
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Рис. 2. Зависимость расхода воздуха на входе в ВТ от давления:
1 - ВТ Мерку-лова; 2 - ВТ Nex Flow 40H; 3 - ВТ Nex Flow 40C
100
80
60
40
20
1 /
2
0,1
0,2
0,3 а)
0,4
Рвх, МПа
0,5
0,012
0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
Рвх, МПа
0,3 б)
Рис. 3. Зависимость температуры (а) и расхода (б) горячего теплоносителя от давления:
1 - ВТ Меркулова, ц = 0,55; 2 - ВТ Меркулова, ц = 0,65; 3 - ВТ Nex Flow 40H, ц = 0,5; 4 - ВТ Nex Flow 40H, ц = 0,6; 5 - ВТ Nex Flow 40C, ц = 0,3; 6 - ВТ Nex Flow 40C, ц = 0,4
T °С
1 гор' ^
6
G-ор, кг/с
5
0
700 600 500 400 300 200 100 0
, Вт
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Рис. 4. Теплосодержание горячего воздуха от давления: 1 - ВТ Меркулова, ц = 0,55; 2 - ВТ Меркулова, ц = 0,65; 3 - ВТ Nex Flow 40H, ц = 0,5; 4 - ВТ Nex Flow 40H, ц = 0,6; 5 - ВТ Nex Flow 40C, ц = 0,3; 6 - ВТ Nex Flow 40C, ц = 0,4
Расчетные уравнения для однопоточных схем ВТ составляются из сумм вышеприведенных соотношений для их элементов: для трубы с заглушенной диафрагмой
2 _ 2 рвх рвых
. ^вх^Твх
F2 у 1 соп.У
закр
+ 2ln-
Рвх
рзакр.вых
^гор RТгор
^в.п.гор^в.п.гор + 2ln рзакр.вых Л
FT
гор.с
D
гор.с
Рд
+ е^орЩор (zд + 2l^_рд
F
акт.д
Рвых
(6)
где Сзакр = асоп.закр + ^соп.закр Re соп , -^гор.с = ^сопЬсопгсопгх, Сд = ад + ^дФд •
F = z F ■
1 акт.д ^ост.д о.д =
для трубы с закрытым дросселем
( Л
р2 _ р2 = с£хКТвХ гах №ых_
F
соп 2
закр
+2ln-
Рвх
^гор^Тгор
^хол ^Тхол
F 2
1 VI
^в.п.хол—в.п.хол + 2ln
Рзакр.вых
Рд
FT
гор.с
^в.п.гор-в.п.гор + 2lnРзакp.в^Iх
D
гор.с
Рхол.диафр
g2 rt ( ^гор^ гор
F,
С диафр + 2ln
Рд
Рхол .диафр
акт.диафр
Рвых
(7)
где ^хол.с = С^тр Fтop.с)zакт , Сдиафр = кдиафр -^акт.диафр = zoст.диафpFдиафр.
1 —
FT
диафр
F,
Л кдиафр
тр
В уравнении (6) - семь неизвестных: Ясоп.закр, ¿соп.закр, «сои, Яд, кд, ¿ост.д; в уравнении (7) - 11 неизвестных, но из них только четыре не входят в уравнение (6): кдиафр, «диафр, ^акт, ^ост.диафр. Например, для серии с трубой Меркулова с диафрагмой 8 мм получены следующие значения коэффициентов сопротивлений при заглушенной диафрагме: Ясоп.закр = 0,45; ¿соп.закр = 0,1; «соп = 0,2; Сзакр = 1,36; = 2,5; Хгор = 0,025; ад = 0,55; кд = 0,6; гост.д = 0,5; ^ = 1,2; Дпот = 9,3 %.
Для этой же серии при закрытом дросселе недостающие четыре коэффициента: Ххол = 0,0125; кдиафр = 1; «диафр = 0,5; Сдиафр = 0,81; 1акт = 0,2;
гост. диафр = 0,65; Дпот 2,9 %.
+
+
Список литературы
1. Коновалов, В.И. Сушка и другие технологические процессы с вихревой трубой Ранка-Хилша: возможности и экспериментальная техника / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Н.Ц. Гатапова // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 16, № 4. - С. 803-825.
2. О возможностях высокотемпературной сушки красителей и послеспирто-вой барды с вихревой трубой / А.Ю. Орлов [и др.] // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ-2011 : тр. Четвертой междунар. науч.-практ. конф., г. Москва, 20-23 сент. 2011 г. / МГАУ им. В .П. Горячкина. - М., 2011. - Т. 1. - С. 381-383.
3. Коновалов, В.И. Разработка расчета вихревых труб Ранка-Хилша / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Т. Кудра // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2012. -Т. 18, № 1. - С. 74-107.
The Influence of Design Features of the Vortex Tube on the Parameters of Thermal Separation
A.Yu. Orlov, N.V. Orlova, M.V. Savushkin
Department "Technological Processes, Apparatus and Technosphere Safety", TSTU;
orlov.andrey1983 @ gmail.ru
Key words and phrases: hydraulic resistance; vortex effect; vortex tube.
Abstract: The paper presents the study of the influence of structural and technological features of vortex tubes of various types and design options on their performance characteristics and thermal parameters of the process of thermal separation.
Einfluss der konstruktiven Besonderheiten der Wirbelrohre auf die Parameter des Prozesses der Thermoseparation
Zusammenfassung: Es ist die Forschung des Einflusses der konstruktivtechnologischen Besonderheiten der Wirbelrohre der verschiedenen Typen und der konstruktiven Variante auf ihre Regimecharakteristiken und die Parameter des Prozesses der Thermoseparation dargelegt.
Influence des particularités constructives des tubes turbulents sur les paramètres du processus de la thermoséparation
Résumé: Est présentée l'étude de l'influence des particularités constructives et technologiques des tubes turbulents de différents types et variants constructifs sur leurs caractéristiques de régime et paramètres du processus de la thermoséparation.
Авторы: Орлов Андрей Юрьевич - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»; Орлова Наталия Вячеславовна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность»; Савушкин Максим Владимирович - студент, ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Дмитриев Вячеслав Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и военная подготовка», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
