Статья поступила в редакцию 02.10.13. Ред. рег. № 1809
The article has entered in publishing office 02.10.13 . Ed. reg. No. 1809
УДК 621.928.9-047.44
АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТА ВЗП В ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
1 2 1 Н. С. Жукова , Т. О. Кондратенко , В.А. Шибаков
волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Ул. Академическая, 1, г. Волгоград, 400074, Россия Тел.: (8442) 96-98-26, факс (8442) 97-49-33, e-mail: kaf_bgdvt@mail.ru 2Ростовский государственный строительный университет ул. Социалистическая, 162, г. Ростов-на-Дону, 344022, Россия Тел.: (863)201-90-08, e-mail: tatkondr@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 07.10.13 Заключение совета экспертов: 12.10.13 Принято к публикации: 17.10.13
В работе приведены результаты сравнительного анализа влияния формы корпуса на структуру гидродинамики потока очищаемого воздуха. Рассмотрено влияние диаметра корпуса и запыленности очищаемого потока на коэффициент сопротивления аппарата ВЗП.
Ключевые слова: вихревой пылеуловитель со встречными закрученными потоками, форма корпуса, диаметр корпуса, потери давления, коэффициент сопротивления.
ANALYSIS OF STRUCTURAL ELEMENTS OF VORTEX DUST COLLECTOR WITH COLLIDING TWISTED FLOWS IN ENGINEERING AND ENVIRONMENTAL SYSTEMS
N.S. Zhukova1, T.O. Kondratenko2, V.A. Shibakov1
1Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering 1 Academic St., Volgograd, 400074, Russia Tel.: (8442) 96-98-26, fax (8442) 97-49-33, e-mail: kaf bgdvt@mail.ru 2Rostov State University of Civil Engineering 162, Sotsialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russia Tel.: +7 (863)201-90-08, e-mail: tatkondr@rambler.ru
Referred: 07.10.13 Expertise: 12.10.13 Accepted: 17.10.13
The article presents results of comparative analysis of hull form effect on hydrodynamic flow structure of purified air. Influence of the diameter of the body and dust flow on drag coefficient of vortex dust collector with colliding twisted flows is considered.
Keywords: vortex dust collector with colliding twisted flows, case form, case diameter, pressure loss, coefficient of resistance.
Наталия Сергеевна Жукова
Сведения об авторе: доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского гос. архитектурно-строительного университета.
Область научных интересов: системы защиты от пыли с применением аппаратов ВЗП.
Публикации: 14.
Владимир Аркадьевич Шибаков
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Область научных интересов: системы обеспыливания в производстве строительных материалов и изделий.
Публикации: 2.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Введение
При проектировании и модернизации современных технологических производств особое внимание уделяется сокращению выбросов загрязняющих веществ как в воздух рабочей зоны, так и в атмосферу. Основной путь уменьшения пылеобразования заключается в создании качественно новых технологических процессов, характеризующихся минимальным количеством выделения пыли. Однако на промышленных предприятиях этот путь борьбы с запыленностью используется довольно редко. Поэтому наиболее эффективным остается способ локализации пылевы-делений средствами аспирации с их очисткой в различных пылеулавливающих аппаратах [1].
При выборе пылеулавливающих устройств определяющими факторами являются их стабильно высокая эффективность даже при значительном изменении технологических параметров и небольшие капитальные и эксплуатационные затраты.
В последние годы пылеуловители со встречными закрученными потоками нашли широкое применение как в системах аспирации, так и в инженерно-экологических системах на предприятиях различных отраслей промышленности. Это обусловило большое разнообразие в конструктивном исполнении аппаратов [2-4].
Теоретический анализ
Известны два типа аппаратов, в которых улавливание пыли осуществляется со встречными закрученными потоками [5, 6]: вихревой пылеуловитель (ВПУ) (рис. 1, а) и вихревой пылеуловитель со встречными закрученными потоками (ВЗП) (рис. 1, Ь).
b
Рис. 1. Схемы пылеуловителей ВПУ (а) и ВЗП (b) Fig. 1. Precipitators schemes: а - vortex dust collector; b - vortex swirling dust collector with colliding flows
Главным отличием аппарата ВЗП от ВПУ является использование в качестве вторичного потока очищаемого газа и подача его в оба канала пылеуловителя одним вентилятором, установленным перед аппаратом или за ним. Существенно различаются относительные размеры, конструкция и гидродинамика аппаратов ВЗП и ВПУ.
Результаты экспериментальных исследований
Аппараты ВЗП, в основном, имеют цилиндрическую форму. Но существуют модели, в которых форма корпуса нецилиндрическая. Поэтому представляется актуальным рассмотреть, как влияет форма корпуса на гидродинамическую структуру потока. Для этого рассмотрим два варианта неконической формы корпуса (рис. 2).
а b
Рис. 2. Нецилиндрические формы корпуса аппарата ВЗП: а - конический корпус аппарата; b - обратный конический корпус аппарата Fig. 2. Non cylindrical forms of the case of vortex swirling dust collector with colliding flows: a - conic case of the device; b - return conic case of the device.
В первом случае переход от меньшего сечения корпуса аппарата к большему (рис. 2, а) сопровождается преобразованием кинетической энергии потока в энергию давления. Основными геометрическими характеристиками, характеризующими такую форму корпуса аппарата, являются угол расширения а, степень расширения п1 = F1/F0 и длина I.
Начиная с некоторого угла расширения корпуса аппарата заданной длины, дальнейшее увеличение этого угла значительно повышает коэффициент сопротивления.
Возрастание коэффициента сопротивления корпуса аппарата заданной длины с дальнейшим увеличением угла расширения вызывается усиливающимся турбулентным перемешиванием потока, отрывом пограничного слоя от стенки корпуса аппарата и связанным с этим сильным вихреобразованием.
а
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Пограничный слой отрывается от стенок под воздействием положительного градиента давления вдоль корпуса аппарата, возникающего вследствие падения скорости при увеличении поперечного сечения (согласно уравнению Бернулли).
Характер профиля скорости в корпусе аппарата и длина его начального участка зависят не только от угла расширения, но и режима течения (числа Рей-нольдса) и формы профиля скорости на входе в корпус аппарата. В то же время, входной профиль обусловлен формой и геометрическими параметрами входного отверстия. При увеличении числа Яе профиль скорости становится более пологим, а длина начального участка диффузора уменьшается.
При постоянных условиях течения на входе и постоянной относительной длине I или степени расширения корпуса аппарата п1 = увеличение угла расширения, начиная с а = 0°, необходимо добиться устойчивого режима, т.е. безотрывного течения.
В симметричном корпусе аппарата с симметричным профилем скоростей (рис. 3) на входе отрыв потока от стенки возникает попеременно то на одной, то на другой стороне корпуса аппарата, что приводит к значительным колебаниям потока в целом.
Рис. 3. Распределение скорости по длине начального участка конического корпуса при Re = 2105 Fig. 3. Velocity distribution along the length of the initial section of the conical body at Re =2105
Во втором случае переход от большего сечения к меньшему (рис. 2, Ь) через плавно сужающийся участок также сопровождается сравнительно большими невосполнимыми потерями полного давления. Коэффициент сопротивления корпуса аппарата с прямолинейными образующими зависит от угла сужения а и степени сужения п0 = (и, соответственно, от относительной длины Ю0), а при малых числах Рейнольдса также и от числа Яе.
При достаточно больших углах (а > 10°) и степенях сужения (п0 < 0,3) после перехода от сужающегося участка корпуса аппарата к прямой части поток отрывается от стенок, что и обусловливает, в основном, местные потери полного давления. Чем больше а и меньше п0, тем значительнее отрыв потока и больше сопротивление корпуса аппарата.
При плавном уменьшении сечения, когда угол сужения очень мал (а < 10°) или когда сужающийся участок имеет очень плавные криволинейные образующие, поток не отрывается от стенок в месте перехода в прямой участок, и потери давления сводятся только к потерям трения в сужающейся части:
С = Ар,
фЮ о
Стр *
(1)
При очень малых числах Рейнольдса (1 < Яе < 50) коэффициент сопротивления корпуса аппарата как для корпуса аппарата с переходом от меньшего сечения к большему, так и для корпуса аппарата с переход от большего сечения к меньшему, будет равен:
Z = Ар P^L = ^ *
А_ Re
В пределах 5° < а < 40°
А =
19
<5(tg а)0,75
(2)
(3)
Коэффициент сопротивления, структура потока и отрывные явления в корпусе аппарата зависят от следующих параметров: угла расширения а, степени расширения п1 = формы поперечного сечения,
формы образующей, толщины пограничного слоя на входе, формы профиля скоростей на входе, степени турбулентноти потока на входе, режима течения как в пограничном слое, так и в основном потоке, сжимаемости потока (число Маха).
Для корпуса аппарата с переходом от меньшего сечения к большему существует оптимальная длина, которой соответствует минимальное гидравлическое сопротивление. При этом особенно важно предупредить возникновение отрыва на начальном участке перехода. Для этого полный угол между расходящимися стенками в начале перехода не должен превышать 8-10°.
где п0 - степень расширения (сужения) корпуса аппарата; а - угол расширения (сужения) корпуса аппарата.
Сопротивление аппарата ВЗП, в основном, обусловлено вращательным движением газа в нем, т.е. потерей кинетической энергии вращения потока в выхлопной трубе аппарата ВЗП. Эта потеря энергии происходит или одновременно с выходом потока из аппарата ВЗП в большой объем, ил
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.