автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Газодинамика и расчет эжекционных и вихревых пневмозатворов

На правах рукописи

005531069

Гришина Елена Александровна

ГАЗОДИНАМИКА И РАСЧЕТ ЭЖЕКЦИОННЫХ И ВИХРЕВЫХ ПНЕВМОЗАТВОРОВ

Специальность

05.04.13 — «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 июнш

Челябинск-2013

005531069

Работа выполнена на кафедре «Гидравлика и гидропневмосистемы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (научный исследовательский университет).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Спиридонов Евгений Константинович.

Официальные оппоненты: Целищев Владимир Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», заведующий кафедрой прикладной гидромеханики;

Носков Александр Семенович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина», заведующий кафедрой гидравлики.

Ведущая организация - Пермский национальный исследовательский

политехнический университет, г. Пермь.

Защита диссертации состоится 03 июля 2013 г., в 10-00, на заседании диссертационного совета Д 212.298.02 в Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ауд. 1007.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан » _ 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета л»

доктор технических наук, профессор С --А.О. Чернявский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В ряде отраслей промышленности (химической, металлургической, нефтегазовой и пр.) широко используются процессы сушки, обжига и плавления сыпучих материалов в печах с противодавлением. При эксплуатации подобных устройств актуальной проблемой является загрузка исходных компонентов при отсутствии выбросов агрессивных газов из печи в окружающую среду через загрузочные отверстия. Применяемые в настоящее время механические клапаны вследствие сложности конструкции не обладают достаточной надежностью и герметичностью, требуют периодического технического обслуживания.

Перспективным путем решения этой проблемы является разработка конструкций пневмозатворов (ПЗ), работа которых основана на аэродинамических эффектах эжекции и вихреобразования.

Устройства эжекционного типа, обладают высокой степенью надежности, нечувствительны к загрязнениям, поэтому находят широкое применение в качестве насосов, смесителей, подогревателей, а также элементов систем управления в составе гидроусилителей типа «сопло-заслонка» и «струйная трубка». Изучению струйных аппаратов посвящены работы Г.Н. Абрамовича, А.Е. Боровых, Н.М. Зингера, Ю.Л. Кирилловского, Е.Я. Соколова, Е.К. Спиридонова, Л.Г. Подвидза, В.А. Целищева, A.B. Месропяна, Д.В. Це-лищева, W.E. Francis, M.L. Hoggarth, F. Hess, I. Watanabe. Однако применение эжекторов в качестве запирающих устройств и, следовательно, методов расчета эжекционных пневмозатворов обнаружить не удалось.

Широко известны исследования по применению вихревого эффекта для сепарации эмульсии и суспензии различного состава, а также по очистке рабочих жидкостей гидросистем от примесей (В.В. Козлов, A.A. Халатов), в качестве вихревой трубы (А.П. Меркулов, A.B. Целищев, A.C. Носков, A.B. Хаит, В. Ahlborn, J.Camire, и J.U. Keller.), как элементов струйной авто-

(о

матики - гидродиодов (И.В. Лебедев). Изучение состояния вопроса выявило, что вихревое течение газа обладает большими энергетическими возможностями, однако его широкое использование в технических аппаратах различного назначения затруднительно ввиду недостаточной изученности вихревых процессов. Существующие методы расчета оказываются либо излишне упрощенными, либо наоборот, используют сложный математический аппарат для свой реализации.

Решение актуальной проблемы создания экономичных, надежных и компактных ПЗ во многом сдерживается отсутствием достоверных методов расчета и проектирования. Известные же физико-математические модели рабочих процессов в эжекторах и вихревых устройствах (вихревая труба, сепараторы, гидродиоды и т. п.) без существенных дополнений и уточнений не могут быть положены в основу поиска потенциальных возможностей ПЗ и разработки технических мероприятий для их осуществления.

Сложившееся положение доказывает настоятельную необходимость развития теории вихревого и эжекционного ПЗ и создания методик их расчета и проектирования.

Целью диссертационной работы является разработка методик расчета эффективных эжекционных и вихревых ПЗ на основе детального исследования их рабочего процесса.

Задачи исследования:

1. Разработать физико-математические модели эжекционного и вихревого ПЗ и на их основе рассчитать характеристики аппаратов этого типа.

2. Выявить влияние геометрических и режимных параметров на работу пневмозатворов.

3. Провести экспериментальную проверку расчетных моделей.

4. Разработать методики расчета эжекционных и вихревых ПЗ.

Методы исследования

Аналитическое исследование рабочего процесса ПЗ проводилось на основе уравнений состояния, сохранения массы, количества движения и энергии,

рассмотрении и анализе рабочих характеристик, рассчитываемых с применением численных методов (программный комплекс МаЛсас!). На базе спроектированного и изготовленного стенда проведены испытания нескольких типов вихревых ПЗ, результаты которых сопоставлены с теоретическими расчетами.

Научная новизна работы

1. Исследованием рабочего процесса струйного аппарата впервые получены уравнения характеристики эжекционного ПЗ.

2. Разработана новая физико-математическая модель вихревого ПЗ, позволяющая определить характеристики аппарата.

3. Выявлены основные режимные и геометрические параметры, влияющие на характеристики эжекционного и вихревого ПЗ.

4. Разработаны новые методики расчета эжекционного и вихревого ПЗ на основе полученных уравнений и физико-математической модели.

Обоснованность и достоверность результатов исследований

Достоверность результатов основывается на физико-математических моделях, построенных на фундаментальных физических законах, использованием апробированных методов механики жидкости и газа, подтверждается данными статистически обработанных экспериментов.

Практическая значимость исследований

Разработанные методики расчета эжекционного и вихревого ПЗ могут быть использованы в инженерной практике для проектирования новых и оптимизации существующих аэродинамических запирающих устройств. Пнев-мозатвор эжекционного типа внедрен на ООО «Научно-производственное объединение «Урал»», некоторые результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 150802 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» ЮУрГУ, магистров по направлениям 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника» и 151000 «Технологические машины и оборудование».

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Физико-математическая модель вихревого ПЗ.

2. Размерные и безразмерные характеристики эжекционного и вихревого ПЗ и основные параметры, влияющие на эти характеристики.

3. Методики расчета эжекционных и вихревых ПЗ.

4. Оригинальная конструкция эжекционного пневмозатвора.

Апробация работы

Основные результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: IX МНТК «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» (г. Ростов-на-Дону, ДонГТУ, 2010 г.); 60-й юбилейной НК ЮУрГУ (г. Челябинск, 2008 г.); ВНТК «Динамика машин и рабочих процессов» (г. Челябинск, 2009 г.); 61-й НК ЮУрГУ (г. Челябинск, 2009 г.); 63-й НК ЮУрГУ (г. Челябинск, 2011 г.); 5-я НК аспирантов и докторантов ЮУрГУ (Челябинск, 2013 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них: 4 - научных статьи, 3 - статьи в журналах, входящих в перечень редактируемых изданий, рекомендованных ВАК, 1 - патент на полезную модель.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 120 наименований, и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обоснована актуальность проблемы, определено место данной работы в рамках направления струйной гидроаэродинамики, рассматриваются особенности вихревого движения газа и его применение в технике,

дается обзор литературы по существующим методикам расчета эжекционных и вихревых аппаратов; выполнен патентный поиск по аппаратам струйно-вихревого типа; сформулированы цель и задачи исследования.

Обзор отечественной и зарубежной литературы показывает, что работа эжектора в качестве только пневмозатвора исследователями не рассматривается. Как следствие, отсутствуют данные по работе аппарата на режиме нулевых и минимальных расходов пассивной среды, методики его расчета и проектирования. Вместе с тем, применение этого режима позволяет создавать экономичные аппараты для выполнения ряда технологических операций. Таким образом, тема исследования представляет определенную новизну, научный и практический интерес.

В последнее время возрос интерес к промышленному использованию вихревого эффекта, который придает новые качества технологическим системам, такие, как быстродействие, мобильность, компактность, предельная простота изготовления и эксплуатации. При этом сложные физические явления в вихревом слое недостаточно изучены, хотя аппараты с вихревым слоем уже нашли применение в различных отраслях промышленности. Обзор литературы не обнаружил теории расчета пневмозатворов вихревого типа.

Таким образом, разработка методик расчета эффективных эжекционных и вихревых пневмозатворов является актуальной и требует приоритетного решения.

Во второй главе на основе принципиальной схемы (рис. 1) составляется расчетная модель эжекционного пневмозатвора с центральным соплом, включающая принятую систему допущений (физическая модель) и систему базовых уравнений (математическая модель).

Выделены возможные режимы работы аппарата в зависимости от величины противодавления и определен наиболее эффективный из них. Для режима наибольшей эффективности на основе математической модели получены выражения размерных и безразмерных характеристик, построены графики этих характеристик при различных режимных и геометрических параметрах.

Приемная камера

Диффузор

2 и

Р

т3

"I _!

14

Р

Рабочая камера

т \ Канал подвода г активного воздуха

Рис. 1. Принципиальная схема эжекционного пневмозатвора

Принцип действия устройства аналогичен эжектору, когда активный газ (воздух) подается на центральное сопло, а пассивной средой является смесь воздуха с твердыми частицами.

При давлении на выходе аппарата рр, равном некоторой предельной величине, эжектор перестает подсасывать воздух из окружающей среды, и лишь предотвращает обратные выбросы продуктов реакции, выполняя при этом функцию пневмозатвора. Тогда массовый коэффициент эжекции становится равным нулю, а перепад давлений, развиваемый аппаратом, достигает максимального значения. Для таких условий основная характеристика аппарата описывается системой уравнений:

где С1*=Л*/Л3 — относительная площадь сопла (основной геометрический параметр эжекционного ПЗ); А* - критическая площадь сопла, А„р„ Т, -площадь, абсолютное давление и температура в соответствующем сечении аппарата (см. рис. 1), тГ — массовый расхода активного газа, "ко - приведенная скорость активного потока на срезе сопла, определяемая на основании газодинамических функций по известному соотношению давленийрг!р\-

0,615 ОД - 0,344 О.2 -¿—Ъ-Рг РгРр Т1

Рг

(1)

Далее численно исследовалось влияние различных параметров на работу аппарата, что показало:

- при увеличении давления питания рх происходит монотонное убывание £2«, т. е. при фиксированном значении площади камеры смешения А3 будет уменьшаться площадь сопла. А при постоянном значении p¡ повышение противодавления рр со стороны реактора приводит к увеличению П.;

- при постоянном противодавлении рр, и следовательно, неизменной степени повышения давления в пневмозатворе Ср2 = p^Jpi рост степени падения давления на сопловом устройстве в12 = p\!pi и подогрев активного газа уменьшают потребную величину основного геометрического параметра аппарата Í2. и, следовательно, сокращают габариты установки;

- с увеличением температуры воздуха перед соплом существенно снижается потребление аппаратом воздуха (рис. 2).

кг/с

2,1

2,3 -

1,9

2,5 -

2,7 -

воздух

450 550 650 750 Тл' К

Рис. 2. Влияние давления и температуры активного газа на его массовый расход

Рис. 3. Эжекционный

пневмозатвор с кольцевым соплом

В целях повышения экономичности аппарата целесообразно использовать энергию тепла, выделяющегося в реакторе в результате химических и тепло-массообменных процессов. Реализовать это позволяет конструкция пневмо-затвора с кольцевым соплом (рис. 3). Ее особенностью является подогрев активного газа теплом реактора. Кроме того, подвод активного газа через кольцевое сопло снижает износ проточной части аппарата твердой фракцией эжектируемой смеси.

Подача активного газа по кольцевому каналу между кожухом и рабочей камерой позволяет эффективно отводить теплоту от рабочей зоны, т. е. снизить тепловую нагрузку на элементы конструкции и увеличить ресурс установки.

В целом указанная конструкция характеризуется малым количеством конструктивных элементов, отсутствием прецизионных деталей, что неизбежно ведет к повышению надежности и ремонтопригодности устройства. Конструкция эжекционного ПЗ с кольцевым соплом защищена патентом.

Третья глава посвящена исследованию ПЗ вихревого типа. На основе расчетной модели получены характеристики и проведен их анализ.

Схема вихревого ПЗ с характерными сечениями и треугольником скоростей приведена на рис. 4.

Поток активного газа под давлением подается в кольцевую полость, окружающую канал загрузки сырья. На срезе сопла установленные под углом а лопатки формируют систему закрученных струй с параметрами, необходимыми для запирания загрузочной трубы реактора.

Осевая составляющая абсолютной скорости потока мх3 предупреждает встречные токи агрессивных газов из печи в область загрузки, а окружная составляющая ИфЗ формирует вихрь во внутренней области кольцевой струи и циркуляционное течение во внешней области струи. В результате обеспечивается наиболее эффективное запирание полости печи с минимальным расходом энергии, так как потребная разность давлений на пневмозатворе, исключающая выбросы агрессивного газа из печи с давлением рр в окружаю-

и

щую среду с давлением р2 создается за счет суммы перепадов давлений,

вызванных собственно вихрем, и перепада от циркуляционного течения газа.

Канал подвода активного воздуха

Р1

- к Дз Рг

X Рр Канал загрузки сырья

А (развертка) 2кГи

■ ■ н ■ т

Лопатки

Рис. 4. Расчетная схема вихревого пневмозатвора На рис. 5 построены эпюры окружной скорости иф и абсолютного давления в печи в плоскости, проведенной через выходное сечение кольцевого сопла (сечение 3-3). В рабочей зоне аппарата выделяем внутреннюю зону течения газа (г < /?3), кольцевую (/?3< г < Я3+Н) и внешнюю (г > (/?3+//)).

Для принятой схемы течения газа в рабочей зоне аппарата на основе базовой системы уравнений, включающей дифференциальные уравнения Л. Эйлера, уравнения энергии, количества движения, состояния совершенного газа (Менделеева-Клапейрона) были получены следующие соотношения. Окружная составляющая скорости:

=1 2 (рр-р2)

Рр | Рг

ЯТ

р р

Я2Т2

(2)

Рис. 5. Эпюры окружной скорости и абсолютного давления в плоскости среза кольцевого сопла

Осевая составляющая скорости Ихз определяется из выражения:

а/

2 (Я3 + Я)2 / _ Ч р2и;ъ Р'Ых1~ Н{2Яг+НУРр Р2> 2 ЛН(2Щ+НУ

где

ДГ = л-(Л3 + Я)2 ^ • - лй32 ^

2 2рРр 4

(3)

Тангенциальная и осевая составляющие скорости щ позволяют определить угол установки лопасти а:

2 А(1 + Г)2

= —и—

2А(27+1)

Рг

2 Л

1 + 1п

ЛЛ 3 2уфр

+-

г2

2(1 + гУ

а также массовый расход активного газа: т ~ ихгРъА = и*зРзЛН(2Лз + •

(4)

Здесь у = Яъ/Н - основной геометрический параметр пневмозатвора, рр -давление в реакторе; р2 - абсолютное давление в помещении цеха; Тр, Т2 -температура газа в реакторе и в приемной камере аппарата; Яр, Я2 - газовые постоянные газа в реакторе и в окружающей среде; р2, рз, рР - плотности воздуха в загрузочном патрубке, на срезе сопла и в реакторе соответственно; Л3 - площадь выходного сечения кольцевого сопла; \|/ - коэффициент стеснения потока лопатками; р=0,01 - относительное расхождение давления в реакторе и на границе зоны циркуляции.

Таким образом, при заданном перепаде давлений в реакторе и помещении цеха полученные выражения позволяют определить скорость истечения газа, угол установки лопастей направляющего аппарата и массовый расход активного потока.

Важной характеристикой ПЗ (рис. 6), определяющей экономичность аппарата, является зависимость массового расхода воздуха в расчете на единицу площади загрузочного патрубка т/А3 от основного геометрического параметра у = Я3/Н при различных значениях противодавления со стороны реактора рр. Как видно из графика, повышение давления в реакторе при постоянном давлении р2 требует увеличения как удельного массового расхода, так и осевой составляющей скорости.

Для изучения влияния режимных параметров на геометрию ПЗ были построены графики характеристик вихревого ПЗ: а=/(у ,рр) (рис. 7); а =/(ер2, т2р) (рис. 8).

Исследование характеристик аппарата (см. рис. 6-8) позволяет сделать следующие выводы:

1. На работу устройства оказывают существенное влияние основной геометрический параметр у, угол установки лопатки направляющего аппарата а, параметры активного газа перед соплом (давление р\ и температура Т\) и газовой смеси в реакторе (рр и Тр).

А>

—О—105кПа -О-110кПа -6-115 кПа —О—120 кПа —Ж—125кПа

«13,

м/с

12 14 16 18

Рис. 6. Влияние противодавления рв на зависимости их3 и т/А3 от основного геометрического параметра пневмозатвора у

Рис. 7. Влияние противодавления на геометрию соплового устройства

Рис. 8. Влияние безразмерной температуры т2р = Т2/Тр на зависимость угла а от относительного давления £р2

2. Основными безразмерными геометрическими параметрами устройства являются угол установки лопаток направляющего аппарата а и основной геометрический параметр пневмозатвора у, пропорциональный относительной площади запираемого отверстия.

3. Увеличение угла установки лопатки а приводит к повышению значений основного геометрического параметра пневмозатвора у. При этом верхним граничным значением угла является а = 90°, что приводит к вырождению вихревого ПЗ в эжекционный вариант с продольными направляющими ребрами. При прочих равных условиях увеличение у приводит к росту осевой составляющей скорости мх3, уменьшению окружной составляющей скорости мф3 и повышению массового расхода активного газа т. При неизменном значении у увеличение противодавления рр повышает осевую составляющую скорости Ихз, и как следствие, массовый расход активного газа т.

4. Проведенный анализ характеристик позволил выделить наиболее существенные параметры, определяющие работу ПЗ, что позволило предварительно сформировать методику расчета аппарата.

В четвертой главе приведены результаты физического эксперимента на двух вариантах геометрии лопаток вихревого ПЗ, выполнено моделирование работы аппарата в виртуальной среде БоНсНУогкз. Сопоставление результатов эксперимента и аналитических зависимостей позволило сформулировать последовательность расчета вихревого и эжекционного ПЗ.

Основной задачей проведенных экспериментов являлось опытное подтверждение разработанной теории расчета ПЗ.

Общий вид экспериментального стенда представлен на рис. 9.

Исследовались два варианта конструкций вихревого ПЗ с различным количеством лопаток п.

По первой серии опытов были построены графики в виде контурных и трехмерных поверхностных диаграмм, дающих представление о пространственном распределении полного давления рпот и скорости на срезе сопла.

Термоанемометр

Линия

выхлопа

Створчатый клапан

Камера рабочая

Вихревой пневмозатвор

Ресивер

Цифровой дифманометр

Барометр

Рис. 9. Общий вид экспериментальной установки Как видно из рис. 10, на срезе сопла формируется пиковая структура полного давления, что обусловлено прохождением активным потоком газа межлопастного канала. Кроме того, диаграмма показывает наличие разрежения в области загрузочного патрубка, что косвенным образом подтверждает работоспособность данного аппарата.

а б

Рис. 10. Диаграммы распределения полного давления рпоян (при п = 4): а - трехмерная поверхностная диаграмма; б - контурная диаграмма

□ 80-100 □ 60-80

□ 40-60

□ 20-40

□ 0-20 □ -20-0 □ -40-20

РпОПН-,

х-0 х=10

х=20

х=30

х=40

х=50

В целом распределение полного давления от осевой составляющей скорости подтверждает теоретические выкладки, приведенные в третьей главе, что говорит о правильности принятой расчетной модели.

Вторая серия опытов предполагала определение сочетания параметров для заданной геометрии ПЗ в момент наступления критического (предельного) режима работы ПЗ. Результаты этих измерений для различных условий работы аппарата в виде маркеров нанесены на график (рис. 11).

50 150 250 350 450 ри Па

Рис. 11. График зависимости давления в реакторе от давления питания

Для сопоставления теоретических зависимостей с результатами проведенных экспериментов построена расчетная зависимость давления в реакторе рр от давления питания рх для двух вариантов геометрии пневмозатвора (при количестве лопаток п = 4 и 14) и нанесены экспериментальные точки в виде маркеров (см. рис. 11). Удовлетворительное совпадение экспериментальных данных и теоретических зависимостей позволяет их использовать для формирования инженерной методики расчета ПЗ.

Ре

Задача расчета сводится к определению основных размеров проточной части ПЗ и потребного минимального расхода активного воздуха. При этом аппарат должен вписываться в заданные габариты установки и удовлетворять технологическим и эксплуатационным требованиям предприятия при минимальном энергопотреблении.

Последовательность расчета эжекционного ПЗ приведена на рис. 12. Сформированная система уравнений позволяет определить количество потребляемого воздуха и основные радиальные размеры аппарата. Осевые размеры элементов конструкции определяются на основании рекомендаций для газоструйных аппаратов. Расчет эжекционного ПЗ позволяет создавать высокоэффективные аппараты этого типа.

(^Начало расчета^

Входные параметры: РьРр, Ти 7Р, £>2 = 03

Система уравнений (1)

Сопло

А о = Л-/<7о (<7о - удельный приведенный расход); А\ = т/(и\р\) - площадь входного сечения сопла («1 = (20.. .40) м/с - скорость газа в подводящем трубопроводе);

/1 = (3.. Л)с1- - длина сходящейся части сопла Лаваля; /о = (d^г-d')l2tg(Q,5Qp) - длина расширяющейся части сопла Лаваля; Для кольцевого сопла:

А» = А '/кйз - ширина канала в критическом сечении; Ио = Ло/пЭз - ширина канала в выходном сечении сопла.

Смесительная камера

¿34 = (5.. .7)Оз - длина смесительной камеры Диффузор

Ар = (3...4)Лз - площадь выходного сечения диффузора; ¿4р = (£>р-£>з)/2^О,50д) - длина диффузора, 0д=(6-8)°.

Рис. 12. Последовательность расчета эжекционного ПЗ Последовательность расчета вихревого ПЗ показана в виде блок-схемы (рис. 13). Расчет параметров ведется по системе уравнений, отражающих основные характеристика аппарата. В случае невыполнения ограничивающих условий проводится корректировка исходных данных и расчет повторяется.

С

Начало расчета

Исходные данные к расчету:

£>з,Рь тире, ТрРг, Т2

Основные расчетные зависимости: А=0,5(/»1 + Р,)+0,25-|£(Л-/>р), | 2{р -Рг)

и„, =

3 =

(к3+нУ

Н(2Щ+Н)

(рр-л)-

Ур ад

а/

2 ' ЛН{2Я3+Н)-

Рги1 з

где

А/ = + Я)2 ^

Щ

г \2

18 а =

_ />20+У)

2Л(2У+!)

\

2уФ,

г2

р У

2(1 +Г)

нет

Выполняются ли ограничения на результаты расчета (допустимые габариты установки и т. п.)?

1

О

>шение расчета

Рис. 13. Последовательность расчета вихревого ПЗ (блок-схема) Предложенные методики расчета вихревого и эжекционного ПЗ позволяют профилировать проточную часть аппарата по заданным режимным параметрам, а также рационально выбирать условия его работы, исходя из существующей конструкции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Пневмозатворы обеспечивают непрерывность процесса загрузки при более высокой надежности по сравнению с механическими устройствами и позволяют повысить экологические показатели технологических процессов.

2. Разработана физико-математическая модель вихревого пневмозатвора и выполнены его экспериментальные исследования. Последние подтвердили разработанную модель.

3. Предложена расчетная модель эжекционного пневмозатвора.

4. Исследованием моделей вихревого и эжекционного пневмозатворов выявлены параметры, влияющие на работу аппаратов.

5. Для эжекционного и вихревого пневмозатворов важнейшими являются параметры активного газа перед соплом {р\, Т\) и газовой смеси в реакторе (рр, Гр). Среди геометрических параметров для эжекционного пневмозатвора основным является относительная площадь сопла £2., а для вихревого - угол установки лопатки направляющего аппарата а и параметр у, равный отношению радиуса загрузочной трубы Я3 к ширине Н кольцевого канала на срезе сопла.

6. Доказано, что подогревом активного (высоконапорного) газа за счет утилизации тепла, выделяющегося в реакторе в результате химических и те-пломассообменных процессов, можно существенно повысить экономичность работы этих устройств.

7. Разработаны методики расчета пневмозатворов, позволяющие определить основные геометрические и режимные параметры аппаратов. Предложена оригинальная конструкция эжекционного пневмозатвора повышенной эффективности.

8. Выбор аппарата в каждом конкретном случае требует расчета и сопоставления основных параметров каждого типа пневмозатвора и учета условий его монтажа и эксплуатации на промышленном предприятии.

Список работ по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Спиридонов, Е.К. Характеристики и расчет эжекционного пневмоза-твора / Е.К. Спиридонов, Е.А. Гришина, A.B. Подзерко // Вестник ДГТУ. -2011.-Т. 11, № 1(52).-С. 43^8.

2. Спиридонов, Е.К. К расчету пневмозатворов / Е.К. Спиридонов, Е.А. Гришина, A.B. Подзерко // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». -2011.-Вып. 17. - № 11(228). - С. 4-11.

3. Гришина, Е.А. Использование газодинамических эффектов для повышения надежности промышленных установок / Е.А. Гришина // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - Т. 13, № 1(3)(39). - С. 674-677.

В других изданиях

4. Гришина, Е.А. Математическая модель вихревого пневмозатвора / Е.А. Гришина, Е.К. Спиридонов, A.B. Подзерко // Наука ЮУрГУ: материалы 61-й научной конференции. Секции технических наук. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - Т.1. - С. 227-230.

5. Гришина, Е.А. Рабочий процесс и конструкции эжекционного пневмозатвора / Е.А. Гришина, Е.К. Спиридонов, A.B. Подзерко // Динамика машин и рабочих процессов: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции 8-10 декабря 2009 г. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009.-С. 41-46.

6. Пат. на п.м. 90547 Российская Федерация, МПК F27B 15/08. Эжекцион-ный пневмозатвор устройства для загрузки сыпучих материалов / Е.К. Спиридонов, Е.А. Гришина, A.B. Подзерко. - № 2009136364/22; заявл. 30.09.2009; опубл. 10.01.2010, бюл. № 1.-2 с.

7. Спиридонов, Е.К. Характеристики и расчет эжекционного пневмозатвора / Е.К. Спиридонов, Е.А. Гришина, A.B. Подзерко // «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» Труды IX МНТК. - Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ, 2010 - С. 780-785.

8. Гришина, Е.А. Экспериментальные исследования струйно-вихревых течений газа / Е.А. Гришина, A.B. Подзерко, Е.К. Спиридонов // Динамика машин и рабочих процессов: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. - С. 78-82.

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 27.05.2013. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 138/379.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201360365

Гришина Елена Александровна

ГАЗОДИНАМИКА И РАСЧЕТ ЭЖЕКЦИОННЫХ И ВИХРЕВЫХ ПНЕВМОЗАТВОРОВ

05.04.13 - «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Е.К. Спиридонов

Челябинск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Актуальность исследования.............................................................................6

1.2 Эжекционные аппараты....................................................................................9

1.3 Применение вихревого эффекта в технике...................................................14

1.4 Патентный поиск по аппаратам струйно-вихревого типа...........................19

Выводы по обзору. Цель и задачи исследования...............................................23

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУЙНОГО ПНЕВМОЗАТВОРА

2.1 Принципиальная схема и рабочий процесс струйного пневмозатвора.....25

2.2 Основные показатели работы и параметры эжектора.................................27

2.3 Расчетная модель струйно-эжекционного пневмозатвора..........................29

2.4 Характеристики эжекционного пневмозатвора............................................36

2.5 Конструкция пневмозатвора нового поколения...........................................44

Выводы по главе 2.................................................................................................48

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИХРЕВОГО ПНЕВМОЗАТВОРА

3.1 Принципиальная схема и рабочий процесс вихревого пневмозатвора......49

3.2 Газодинамика вихревого пневмозатвора......................................................51

3.3 Размерные характеристики пневмозатворов вихревого типа.....................59

3.4 Безразмерные характеристики вихревых пневмозатворов.........................64

Выводы по главе 3.................................................................................................68

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ПНЕВМОЗАТВОРОВ

4.1 Основные положения моделирования эксперимента..................................69

4.2 Цель, программа и методика проведения испытаний..................................71

4.3 Результаты экспериментов.............................................................................76

4.4 Сопоставление экспериментальных и теоретических характеристик.......83

4.5 Расчет пневмозатворов....................................................................................87

4.5.1 Задачи расчета...........................................................................................87

4.5.2 Методика расчета вихревого пневмозатвора.........................................87

4.5.3 Методика расчета эжекционного пневмозатвора..................................96

4.5.4 Сравнение результатов расчетов пневмозатворов...............................103

Выводы по главе 4...............................................................................................104

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................105

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ А Результаты моделирования кинематики потока в проточной

части пневмозатворов.............................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Протоколы испытаний вихревых пневмозатворов..............120

ПРИЛОЖЕНИЕ В Патент на полезную модель..................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Представленная диссертация продолжает общий цикл исследований струйных течений в проточной части динамических машин, проводимых кафедрой «Гидравлика и гидропневмосистемы» Южно-Уральского государственного университета на протяжении нескольких десятков лет. За это время были разработаны конструкции и методики расчета струйных насосов, аппаратов гидротранспорта, кавитационных смесителей и т. д. В данной работе анализируется рабочий процесс и формулируются основные положения синтеза газодинамических аппаратов удержания давления - пневмозатворов.

Диссертация состоит из четырех глав, основных выводов, приложений и библиографического списка.

В первой главе диссертации обоснована актуальность проблемы, определено место данной работы в рамках направления струйной гидрогазодинамики, рассматриваются особенности вихревого движения газа и его применение в технике, дается обзор литературы по существующим методикам расчета эжек-ционных и вихревых аппаратов; выполнен патентный поиск по аппаратам струйно-вихревого типа; сформулированы цель и задачи исследования.

Обзор отечественной и зарубежной литературы показывает, что работа эжектора в качестве только пневмозатвора исследователями не рассматривается. Как следствие, отсутствуют данные по работе аппарата на режиме нулевых и минимальных расходов пассивной среды, методики его расчета и проектирования. Вместе с тем, применение этого режима позволяет создавать экономичные аппараты для выполнения ряда технологических операций. Таким образом, тема исследования представляет определенную новизну, научный и практический интерес.

В последнее время возрос интерес к промышленному использованию вихревого эффекта, который придает новые качества технологическим системам, такие, как быстродействие, мобильность, компактность, предельная простота

изготовления и эксплуатации. При этом явления, протекающие в вихревом

4

слое, недостаточно изучены, отсутствует законченная теория расчета аппаратов вихревого типа, хотя подобные устройств широко применяются в различных отраслях промышленности.

Таким образом, поставленная задача по разработке метода расчета эффективных эжекционных и вихревых пневмозатворов является актуальной и требует приоритетного решения. Глава завершается формулировкой цели и задач исследования.

Во второй главе разрабатывается расчетная модель эжекционного пневмо-затвора с центральным соплом, определяются возможные режимы его работы и выделяются наиболее эффективные сочетания параметров. На основе принятой расчетной модели получены выражения размерных и безразмерных характеристик аппарата и проведен их анализ. Предложена оригинальная конструкция эжекционного пневмозатвора нового поколения, защищенная патентом.

В третьей главе проводится исследование другой разновидности газодинамических устройств - вихревого пневмозатвора. На основе предложенной расчетной модели получены характеристики и проведен их анализ. Выявлены ключевые параметры, оказывающие влияние на работу аппарата. Проведенный анализ характеристик позволил выявить оптимальные значения геометрических параметров пневмозатвора, что может быть положено в основу инженерного расчета подобных устройств.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментального стенда и методики проведения испытаний пневмозатвора вихревого типа. В ходе проведения эксперимента получено распределение полного давления в плоскости за срезом сопла, подтверждающее правильность принятой расчетной модели. Сопоставление экспериментальных зависимостей с расчетными характеристиками свидетельствует об их удовлетворительной сходимости и не требует введения дополнительных поправочных коэффициентов. В завершении главы разрабаты-ч ваются методы расчета пневмозатворов, формулируются основные положения

их оптимального синтеза, являющиеся обобщением вышеприведенных исследований, приводятся примеры расчета вихревого и струйного пневмозатворов.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Актуальность исследования

В основе получения большинства современных материалов лежат сложные процессы химического синтеза, зачастую сопровождающиеся фазовыми переходами [46, 48, 57]. Эти процессы протекают в тепломассообменных аппаратах - реакторах, которые отличаются большим разнообразием. В них в результате химической реакции происходит изменение химического состава, внутреннего строения и свойств исходных веществ. Процессы в химическом реакторе имеют как детерминированную, так и стохастическую природу [38]. К детерминированным относятся процессы, протекание которых можно достаточно четко предсказать на основе изучения их механизма по полученным однозначным закономерностям. Обычно это химическое взаимодействие, тепло- и массопере-нос, т. е. процессы первого и второго молекулярных уровней. К стохастическим относятся процессы, протекание которых во многом носит случайный характер и может быть предсказано с той или иной вероятностью. Важнейшей стохастической особенностью реакторных систем является гидродинамическая обстановка в аппарате.

Наибольшее распространение такие аппараты получили в химической и металлургической промышленностях и смежных с ними отраслях [28].

Сюда можно отнести конвертеры, фьюминг-печи, хлораторы, печи плавки погружным факелом, выпарные аппараты, ректификационные, сорбционные, экстракционные установки, барботажные колонны, аппараты гетерогенного катализа и химического синтеза, аэрации промышленных стоков и др.

Большинство вышеприведенных аппаратов требуют загрузки твердого сыпучего материала в полость реактора, протекание реакций происходит при давлениях, превышающих атмосферное, при этом продукты реакций могут быть

очень токсичны и представлять значительную экологическую угрозу ввиду непрерывности рабочего цикла.

Так, например, в металлургии применяется засыпной аппарат (рис. 1.1) для загрузки сыпучих материалов в шахтные печи (доменные, обжиговые и др.), так

называемое двухконусное загрузочное устройство. Шихта подаётся скипами или транспортёрами. Из приёмной воронки шихта поступает на малый конус, затем на большой конус. При закрытом малом конусе опускается большой конус, что позволяет предотвратить прорыв газов из печи в атмосферу. Для равномерной загрузки шихты по окружности колошника применяют вращающиеся распределители шихты.

Подавляющее большинство отечественных доменных печей работает с повышенным давлением колош-

Рис. 1.1. Засыпной аппарат доменной печи: никовых газов, следствием чего яв-1 - направляющая воронка; 2 - пустотелая

штанга малого конуса; 3 - распределитель ляется абразивный износ мест кон-шихты; 4 - газовый затвор; 5 - большой конус; 6 - руда; 7 - кокс; 8 - чаша большого конуса; 9 - основное кольцо (колошниковый фланец); 10 - штанга большого конуса; 11 -малый конус; 12-приёмная во- зочного Устройства, давление над

ронка; 13-наклонный мост; 14-скип конусом перед опусканием подачи уравнивают с давлением в печи посредством наполнения межконусного пространства полученным доменным газом, а перед первым опусканием малого конуса после закрытия большого - выравнивают с атмосферным.

такта обоих конусов с воронками. Чтобы избежать повреждений загру-

На рис. 1.2 показана схема распределительного устройства для известняко-во-обжигательной печи, состоящего из поворотного бункера с механическим приводом и конического затвора для приема шихты из скипового подъемника и загрузки ее в печь. Для равномерного распределения шихты по поперечному сечению печи, перед загрузкой очередной порции, бункер поворачивается на определенный угол. Такая конструкция практически исключает сегрегацию шихты и способствует равномерному распределению материала по сечению печи, однако обладает рядом недостатков. Во-первых, механический затвор создает большое сопротивление засыпаемому материалу. Кроме того, сложный механический привод агрегата снижает его показатели надежности и требует постоянного технического обслуживания.

Многие конструкции механических загрузочных устройств склонны к периодическим застреваниям материала по причине повышенного сопротивления каналов. Для предотвращения подобных ситуаций применяются различные сложные приспособления (импульсные, электромеханические, вибрационные и т. д.). Подобные схемы реализованы на предприятиях «Азов-сталь», Алчевский металлургический комбинат и др. Кроме уже отмечавшихся недостатков механических устройств такая система имеет ограничения по применению во взрыво- и пожароопасных производствах, что связано с использованием электрических управляющих элементов.

■ привод

поворотный бункер

коническии затвор

Рис. 1.2. Распределительное устройство

Таким образом, вышеприведенные типовые механические загрузочные устройства обладают следующими особенностями:

- сопротивление проточной части загружаемому материалу;

- низкая герметичность конструкции;

- возможность слипания загружаемого вещества;

- сложность и как следствие низкая надежность самого загрузочного устройства и его привода;

- необходимость регулярного технического обслуживания.

Все эти недостатки при наличии источника сжатого воздуха можно минимизировать применением высоконадежных аэродинамических аппаратов, использующих эжекционные и вихревые эффекты. Подобные аппараты, препятствующие обратному выбросу продуктов реакций из рабочей зоны реактора, носят название пневмозатворов.

Широкому внедрению таких аппаратов препятствует сложный рабочий процесс и отсутствие его достоверного описания, и, следовательно, отсутствие методики расчета и проектирования.

1.2 Эжекционные аппараты

Струйные аппараты (эжекторы), относящиеся к группе динамических машин трения, очень распространены в инженерной практике [1-2, 7, 12-13, 26, 33, 36, 38, 53, 79, 86, 97]. Так как эти устройства, как правило, функционируют в непрерывном режиме и имеют большой ресурс работы, то вопрос повышения эффективности их работы имеет большое значение для экономии энергии и рабочей среды (жидкости, газа, пара). Однако, эффективное применение эжектора в гидросистемах требует детального исследования сложного рабочего процесса, статических и динамических характеристик аппарата.

Принцип действия струйного аппарата основан на эжекционных свойствах струи - способности увлекать за собой окружающую среду, будь то жидкость, газ или зернистая твердая масса. При смешении струи (активного потока) с пассивным потоком происходит передача количества движения и энергии [83, 95].

На рисунке 1.3 указаны основные расчетные сечения согласно классической схеме струйного аппарата, также изображена эпюра давлений активного и пассивного потоков по длине аппарата.

15

Повышение давления пассивного потока Ар52 = Р5-Р2 может быть использовано для предотвращения обратного выхлопа агрессивных газов из полости реактора в окружающую среду. При этом величина перепада давлений Ар52 зависит при прочих равных условиях от количества эжектируемой среды. При некотором наибольшем расходе эжектируемой среды этот перепад давлений Ар52 будет равен нулю, а при нулевом расходе - будет наибольшим. Таким образом, в этом диапазоне расходов эжектируемой среды эжектор выполняет функцию пневмозатвора и, вместе с тем, нагнетателя твердого сыпучего материала (эжектируемой пульпы). Если пассивный поток отсутствует, то можно ожидать максимального повышения давления Ар52. Это может быть использовано в конструкции пневмозатвора для предотвращения обратного выхлопа.

Эжекторы используются в различных отраслях промышленности Российской Федерации, особенно в химической, нефтегазовой, энергетической, в металлургии.

Широкое распространение подобных динамических устройств определили такие их достоинства как:

- способность к самозаполнению;

- малая чувствительность к структуре перекачиваемой среды (возможно наличие пузырьков газа, твердых частиц и т. д.);

- высокая надежность изделия, которая определяется отсутствием подвижных деталей, простотой конструкции.

К основным недостаткам струйных аппаратов, как правило, относят:

- необходимость внешнего источника активной энергии (насоса, компрессора);

- низкие значения КПД, колеблющиеся в пределах 0,35-0,4 [33, 53, 86], что можно частично компенсировать использованием остаточной энергии активного потока;

- необратимые потери большого количества активной среды (жидкости или газа).

В процессе работы эжектор осуществляет непрерывное смешение потоков и передачу энергии от активного потока к пассивному, т. е. является одновременно и смесителем сред, и генератором дополнительной энергии для пассивного потока. Используется обеих этих функций позволяет эжектору работать с наивысшей эффективностью - в этом случае КПД насоса может превышать 50 % [95].

Струйные аппараты повышают удельную энергию эжектируемого потока без непосредственного использования механической энергии привода, что позволяет во многих случаях получать более простые и надежные инженерные решения по сравнению с механическими аналогами (компрессорами, насосами, газодувками и др.).

Работа эжектора при малых или нулевых коэффициентах эжекции представляет собой частный случай его рабочего процесса. Разработчиками теории рабочего процесса струйных аппаратов традиционно считаются Цейнер (Zeuner) и Ренкин (Rankin) [86]. В основе теории Цейнера-Ренкина лежит урав-

нение импульсов для смешивающихся потоков. Этот подход в дальнейшем неоднократно подтверждался опытным путем, однако он не дает ответов на такие вопросы, как выбор рационального профиля и определение пр�